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基于DSP的ILS机载接收机基带信号处理

发布时间:2020-06-30 17:12:48 阅读: 来源:PVC护栏厂家

1 引 言

本文引用地址:着陆是飞机航行过程中最为重要的一个阶段,据统计,超过60%的飞行事故发生在飞机的着陆阶段。这是因为在着陆过程中,要求飞行员必须在比较短的时间内完成很多标准化的操作。而依靠目视着陆,对气象条件要求较高,一般要求飞行高度300 m时,水平能见度大于4.8 km,否则难以保障安全着陆。因此为了保证飞机能在恶劣气象条件下能够安全着陆,必须使用无线电导航系统为飞机提供高精度的定位引导信息,实时给出飞机与给定下滑航道的偏差程度。而仪表着陆系统(Instrument Landing System,ILS)是当今世界上应用最为广泛的无线电着陆引导设备之一。

常规的ILS系统机载导航接收机基带处理部分是采用模拟电路实现的,电路复杂;设备体积大,功耗高,且精度不高。本文采用DSP器件为基带信号处理核心部件,将基带信号全部在数字域中进行处理,采用数值滤波和多速率处理算法,简化了电路设计,降低了设备功耗的体积。本文给出的算法在以一片TMS320C2812F芯片为处理核心,无外扩存储器的信号处理板上进行了半实物仿真,仿真结果验证了算法的有效性和可靠性。

2 ILS基带信号数学模型

ILS系统地面设备包括航向台、下滑台和信标台三个部分。航向台和下滑台都是利用空间相交的双针状天线方向图,以等信号区的形式分别提供与水平面成一定角度的下滑面引导,与水平垂直的航向引导。因此航向台和下滑台的接收机基带处理部分是一样的。ILS的基本原理及其信号处理方法参见文献[1,2]。

ILS基带信号是一种DSB信号,导航信息由信号各个频率上的幅度表示。基带信号可以简单表示为:

在ILS系统中,规定频率f1=90 Hz,f2=150 Hz,f3=1 020 Hz,并规定基带信号的采样率为fs=12 583 Hz。因此基带信号处理的核心就是如何准确计算式(1)中各个频点上的幅度大小。

最简单的方法就是采用DFT进行计算,然而这种方法在实际过程中性能并不令人满意。首先要利用DFT算法,就必须考虑信号的采样率和信号的时间长度,显然信号的时间长度越长,频率分辨率越高,而同时信号的采样率越高,频率的估计精度就越高,而这些条件与算法所需的存储空间存在矛盾。其次因为ILS的各个信号频率允许存在一定频率漂移,其中频率f3容许的漂移达到±50 Hz,而其他的频率也存在几个Hz的漂移,若要利用DFT算法,就必须准确估计当前信号的各个频点的大小。估计频率的准确值方法很多,但要求在DSP上实现,就必须考虑DSP的运算速度和存储空间的限制。文献[2]给出了在TMS320VC5402上实现的基于频域的实现方法,显然处理更加复杂,运算量大且软件占用存储空间大。

因此本文采用滤波器进行滤波的方法,将各个频点的信号进行滤波,得到单频信号,再从时域上计算信号的幅度。直接将各个频率分量进行滤波也是不可行的,这是因为频率f1和f2比较低,如果要设计一种滤波器能够仅将频率f1滤出,而要求对频率f2有较大的抑制程度,则该滤波器的长度会非常长,甚至大于200阶,这不仅增加了算法对存储空间的需求,还增大算法的处理时间。因此本文采用针对不同的信号频率,采用不同的采样率,从而保证各滤波器长度较短,且处理时间较快。

3 ILS基带信号处理的DSP实现

本文采用TMS320F2812 DSP为处理核心的信号处理板实现,为了提高处理速度,降低对存储空间的要求,本文中所有的数字滤波器长度均为33。由于信号的采样率较高,因此首先进行3倍的降采样,为了防止带外混叠,在降采样之前还增加了抗混叠滤波器H1。将信号记录1 000个点作为信号处理用,进行存储,存储格式为双字节数据。算法首先将该数据进行均值计算,得到参数A0,并从信号中减去该直流分量。

信号的预处理如图1所示,得到的数据是4 B的浮点数,数据长度为1 000。对该数据的处理如图2所示。

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