孟慶虎， 陶青長(zhǎng)， 梁志恒， 王 濤

（1.凱邁（洛陽(yáng)）測(cè)控有限公司，河南 洛陽(yáng)471009；2.清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系；3.清華大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084）

0 引言

無(wú)線電高度表主要用于精確測(cè)量飛行器與地面或海面的相對(duì)高度，在飛行器的自動(dòng)著陸、自動(dòng)導(dǎo)航、地形匹配等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［1］。線性調(diào)頻高度表是無(wú)線電高度表中的一種，主要適合應(yīng)用于1 500m 以下高度時(shí)的測(cè)量。隨著FPGA 集成度和工藝技術(shù)的發(fā)展以及IP 核的不斷豐富，使用XILINX FPGA 提供的CPU 軟核Micro Blaze和PLB總線搭建線性調(diào)頻連續(xù)波高度表專用的數(shù)字信號(hào)處理SOC，可以將整個(gè)系統(tǒng)包括微處理器Micro Blaze、片上總線PLB、片內(nèi)存儲(chǔ)、信號(hào)處理和I／O 外圍設(shè)備等集成到一片F(xiàn)PGA 中，實(shí)現(xiàn)軟硬件的高度協(xié)同工作［2］。

在高度表設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中采用SOC，可以減少PCB的面積，具有集成度高、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和靈活性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

1 線性調(diào)頻連續(xù)波高度表原理

1.1 線性調(diào)頻連續(xù)波高度表工作原理

線性調(diào)頻連續(xù)波高度表使用鋸齒波調(diào)制發(fā)射頻率，發(fā)射信號(hào)的帶寬和周期寬度在測(cè)高范圍內(nèi)恒定，根據(jù)發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)的差頻變化提取高度信息［3］。鋸齒波調(diào)頻的超高頻信號(hào)，由發(fā)射單元通過(guò)發(fā)射天線向地面發(fā)射，同時(shí)，部分發(fā)射信號(hào)經(jīng)功率分配器進(jìn)入接收單元中的混頻器，并與從地面反射回來(lái)的接收信號(hào)混頻后濾波，得到差頻信號(hào)。鋸齒波調(diào)頻連續(xù)波高度表工作原理如圖1所示。

圖1 調(diào)頻連續(xù)波無(wú)線電高度表波形圖

在圖中，發(fā)射信號(hào)如實(shí)線所示，調(diào)頻周期為T，調(diào)頻帶寬為B，接收信號(hào)如虛線所示，接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)延遲時(shí)間為τ，頻差為fb。

由于τ為高頻信號(hào)經(jīng)歷的時(shí)間，則

式中：C 為光速；H 為測(cè)量高度，由實(shí)際高度H0和固定的剩余高度HT組成：

如圖1所示，根據(jù)比例關(guān)系，有

本系統(tǒng)采用恒定差頻調(diào)頻等幅式方法進(jìn)行測(cè)高，通過(guò)鋸齒波調(diào)制VCO 頻率步進(jìn)。在測(cè)高過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整頻率步進(jìn)時(shí)間T，改變頻率步進(jìn)斜率，使調(diào)制信號(hào)的斜率隨高度而變化，保持差頻輸出在固定值fb處。變化規(guī)律是高度升高，斜率增大；高度降低，斜率減小。由于差拍頻固定，中頻放大器帶寬可以做得很窄，增益較大，其靈敏度遠(yuǎn)比傳統(tǒng)的模擬調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)高度表要高。而且，由于帶寬較窄，抗干擾性能較好。

本系統(tǒng)中頻帶寬為10kHz。當(dāng)高度表混頻后的差拍信號(hào)未落入10kHz 的中頻跟蹤帶內(nèi)時(shí)，高度表進(jìn)入搜索狀態(tài)，通過(guò)改變調(diào)制頻率的步進(jìn)時(shí)間T，以改變頻率步進(jìn)斜率，使得高度表能夠在不同高度上搜索，當(dāng)差拍信號(hào)fb＝25kHz±5 kHz落入中頻帶寬內(nèi)時(shí)，高度表進(jìn)入跟蹤狀態(tài)，通過(guò)微調(diào)頻率步進(jìn)時(shí)間T，使得拍頻fb始終輸出為25kHz。

此時(shí)，可通過(guò)頻率步進(jìn)時(shí)間T 推導(dǎo)出延遲時(shí)間τ 并精確計(jì)算出飛行器高度。由于拍頻的測(cè)量影響到測(cè)高的精度，所以使用CZT 精細(xì)測(cè)頻方法可提高測(cè)頻精度，已達(dá)到提高測(cè)高精度的目的。

1.2 CZT精細(xì)測(cè)頻方法

傳統(tǒng)的頻譜分析方法一般采用快速傅里葉變換（FFT）算法，首先將信號(hào)數(shù)字化，然后對(duì)信號(hào)做FFT 得到頻譜圖，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行離散頻譜分析；然而，采用經(jīng)典的FFT 法測(cè)頻，不可避免會(huì)出現(xiàn)“柵欄效應(yīng)”，使得分析精度受到極大的限制，導(dǎo)致高度表在近距離時(shí)測(cè)量的相對(duì)誤差較大。

CZT 突破了DFT 的局限性，可以在Z 平面單位圓上取一個(gè)自定義的弧段，只在該弧段上進(jìn)行序列Z變換的均勻采樣，而且采樣間隔也可以自由確定。

如果所取弧段對(duì)應(yīng)于待細(xì)化的中頻窄帶，則CZT 就是窄帶中各頻率點(diǎn)處的頻率值。因此，CZT 應(yīng)用于窄帶高分辨率的計(jì)算，是一種經(jīng)典的頻域細(xì)化、提高測(cè)頻精度的辦法［4，5］。

對(duì)x（n）（0≤n≤N-1）的CZT 定義式為

2 SOC 在調(diào)頻連續(xù)波高度表中的實(shí)現(xiàn)

本高度表設(shè)備選用XLINX 的Vritex-6 LX130TFPGA 構(gòu)建SOC，使用HDL 實(shí)現(xiàn)SOC的CPU 和功能外設(shè)。CPU 和外設(shè)都掛接在PLB總線上，通過(guò)軟硬件的協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)搜索、跟蹤和通信等功能。設(shè)備的系統(tǒng)框圖，如圖2所示。

圖2 調(diào)頻連續(xù)波高度表系統(tǒng)框圖

2.1 SOC模塊功能介紹

該調(diào)頻連續(xù)波高度表由三部分組成，分別為射頻收發(fā)單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元和SOC，具體功能如下：

a）射頻收發(fā)單元負(fù)責(zé)調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)的發(fā)射和接收，并將接收信號(hào)和發(fā)射信號(hào)混頻，得到差拍信號(hào)輸出給數(shù)模轉(zhuǎn)換單元；

b）數(shù)模轉(zhuǎn)換單元將差拍信號(hào)數(shù)字化后發(fā)送給基于FPGA 的SOC，由SOC 完成后續(xù)信號(hào)處理功能；

c）SOC 主要負(fù)責(zé)控制VCO 的頻率步進(jìn)斜率、測(cè)頻、測(cè)高和對(duì)外通信等功能。

下面主要對(duì)SOC 中各個(gè)模塊的功能進(jìn)行介紹：

a）CZT transform 模塊由HDL 實(shí)現(xiàn)，主要對(duì)差拍信號(hào)測(cè)頻，當(dāng)差拍信號(hào)落入中頻信號(hào)帶寬內(nèi)時(shí)，CZT transform 模塊可精確測(cè)量出頻率值；

b）CZT ctrl負(fù)責(zé)CZT transform 和PLB 總線間的通信，當(dāng)有差拍信號(hào)落入中頻帶寬內(nèi)時(shí)，CZT transform 通知CZT ctrl產(chǎn)生中斷到Micro Blazer CPU，使得CPU 知道當(dāng)前捕獲到差拍信號(hào)，可微調(diào)頻率步進(jìn)斜率進(jìn)行跟蹤模式；

c）DAC step ctrl模塊通過(guò)DAC 控制VCO的頻率步進(jìn)斜率以及對(duì)CZT transform 模塊提供定時(shí)信號(hào)；

d）CAN ctrl模塊實(shí)現(xiàn)與外部CAN 總線以CAN 2.0協(xié)議進(jìn)行通信；

e）INTR ctrl 和time 負(fù) 責(zé) Micro Blazer CPU 的中斷控制和時(shí)序控制；

f）Micro Blazer是XILINX 開(kāi)發(fā)的32 位精簡(jiǎn)指令集CPU 軟核，最高頻率可到150 MHz，Micro Blazer掛接在PLB 總線上，負(fù)責(zé)對(duì)總線上功能外設(shè)的控制和響應(yīng)，完成調(diào)頻連續(xù)波高度表的搜索和跟蹤任務(wù)以及外部通信等功能。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

調(diào)頻連續(xù)波高度表的軟件在Micro Blazer中運(yùn)行，使用C 語(yǔ)言編程，主要完成搜索模式和跟蹤模式的控制：當(dāng)CPU 沒(méi)有收到來(lái)自CZT ctrl模塊的測(cè)頻中斷時(shí)，高度表在搜索模式運(yùn)行，CPU 周期改變DAC step ctrl的頻率步進(jìn)斜率參數(shù)K，完成在各個(gè)高度搜索的任務(wù)；當(dāng)CPU 收到測(cè)頻中斷時(shí)，確認(rèn)三次后進(jìn)入跟蹤模式，通過(guò)微調(diào)DAC step ctrl的頻率步進(jìn)斜率參數(shù)K，使得拍頻恒定輸出在25kHz。此時(shí)，CPU 計(jì)算飛行器的高度，并輸出到CAN 總線上。整個(gè)軟件的工作流程，如圖3所示。

圖3 軟件流程圖

3 結(jié)束語(yǔ)

調(diào)頻連續(xù)波高度表使用FPGA 實(shí)現(xiàn)軟硬件協(xié)調(diào)工作的數(shù)字化平臺(tái)SOC，完成高度表精確測(cè)高功能。采用此種設(shè)計(jì)的高度表引入了SOC 技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，提高了整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精度和可靠性。

［1］ 李春生.現(xiàn)代調(diào)頻連續(xù)波無(wú)線電高度表現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.制導(dǎo)與引信，1991，（2）：19-26.

［2］ 丁勇，徐晶，閔文.一種基于FPGA／MCU 結(jié)構(gòu)的 線性調(diào)頻高度表［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2010，26（2-2）：155-156.

［3］ 杜川華，龔耀寰.LFMCW 雷達(dá)的距離／多普勒處理［J］.電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，（1）：27-30.

［4］ 劉朝暉，韓月秋.用FPGA 實(shí)現(xiàn)FFT 的研究［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，（2）：1-5.

［5］ 王春艷，黃仁欣，宗成閣，等.基于Chirp-Z 變換的LFMCW 系統(tǒng)測(cè)距算法估算研究［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2005，21（12-3）.

［6］ 王國(guó)章，須自明，劉戰(zhàn)，等.SOC 芯片驗(yàn)證技術(shù)的研究［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2007，3（8-2）：132-133.