基于FPGA/MCU結(jié)構(gòu)的線性調(diào)頻高度表
摘要： 介紹了一種基于 FPGA/MCU 結(jié)構(gòu)的線性調(diào)頻（LFMCW）連續(xù)波高度表，具有精度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，成 本低等特點(diǎn)。
Abstract：
Key words :
1 引言
無線電高度表不僅可以精確測(cè)量飛行器與地面或海面的相對(duì)高度，而且還可以測(cè)量地表 粗糙度、海洋波浪高度等多種參數(shù)，在飛機(jī)的自動(dòng)著陸、自動(dòng)導(dǎo)航、地形匹配等領(lǐng)域得到了 廣泛的應(yīng)用。無線電高度表主要分為調(diào)頻連續(xù)波體制和脈沖體制兩種，調(diào)頻連續(xù)波體制適合 1500m 以內(nèi)的低高度應(yīng)用，脈沖體制適合1500m 以上的中高高度應(yīng)用。本文介紹了一種基于 FPGA/MCU 結(jié)構(gòu)的線性調(diào)頻（LFMCW）連續(xù)波高度表，具有精度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，成 本低等特點(diǎn)。
2 工作原理
線性調(diào)頻連續(xù)波高度表的基本原理為[2]：采用三角波線性調(diào)頻微波振蕩源，經(jīng)發(fā)射天線 輻射等幅調(diào)頻波，經(jīng)過與飛行器飛行高度成正比例的時(shí)間延遲τ，由地面發(fā)射并被接收天線接 收，經(jīng)混頻后輸出差拍信號(hào)fb，該信號(hào)經(jīng)窄帶濾波器選頻后，被一個(gè)增益隨高度變化的放大 器放大、濾波，送到跟蹤鑒頻器。跟蹤鑒頻器輸出高、低電平表示差拍信號(hào)是否進(jìn)入跟蹤帶 內(nèi)，控制單元根據(jù)保持或調(diào)整三角波的斜率，使差拍信號(hào)始終落入跟蹤帶內(nèi)，保持恒定值。 整個(gè)系統(tǒng)通過地面構(gòu)成閉環(huán)，飛行器的高度由三角波的斜率和最大頻偏Δf 來決定。
其主要性能指標(biāo)為：
工作頻率：C 波段
體制：LFMCW（線性調(diào)頻連續(xù)波）
測(cè)高范圍：0?1500m
距離分辨率：1m
高度數(shù)據(jù)接口：RS422，9600 波特率
該高度表屬于收發(fā)天線分開、三角波調(diào)頻、頻譜前沿跟蹤、恒定差拍式無線電高度表，其工作原理如圖1 所示。
圖1 線性調(diào)頻高度表工作原理圖 上圖中，三角波發(fā)生器輸出信號(hào)的幅度是一個(gè)常數(shù)，而其斜率是控制電壓的函數(shù)。在測(cè) 高過程中，通過測(cè)高回路自動(dòng)校正，使調(diào)制信號(hào)的斜率隨高度而變化，以保持差拍恒定。變 化規(guī)律是高度升高，斜率增大；高度降低，斜率減小。跟蹤鑒頻器判別差拍信號(hào)fb 是否進(jìn)入 跟蹤帶內(nèi)，如是則輸出鎖定信號(hào)。跟蹤鑒頻器的中心頻率為225kHz，帶寬僅為30kHz 左右， 使高度表有較高的抗噪聲和抗干擾的能力。在沒有跟蹤鎖定信號(hào)時(shí)，高度表進(jìn)入搜索狀態(tài)， 變化三角波的斜率，從最低高度到限制的最高高度周期地掃描，并根據(jù)跟蹤鑒頻器是否輸出 鎖定信號(hào)進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)調(diào)制斜率對(duì)應(yīng)飛行高度時(shí)跟蹤鑒頻器輸出高電平，高度表環(huán)路鎖定并 保持跟蹤地面發(fā)射的信號(hào)。
接收、發(fā)射天線選用微帶集成平板天線，天線間距不小于1m，使收發(fā)隔離度大于70dB。 天線的3dB 帶寬為300MHz，旁瓣電平不大于-12dB，駐波比S=2，效率η≈80，總尺寸不大于 15cm×15cm。
收發(fā)組件采用自差結(jié)構(gòu)，輸出為零中頻的差拍信號(hào)，其頻率跟地面高度成正比。VCO 的 調(diào)制帶寬最高可達(dá)200MHz，調(diào)制線性度優(yōu)于1.2。組件的接收增益30dB，噪聲系數(shù)3.5dB。 視放組件對(duì)差拍信號(hào)進(jìn)行選頻放大，總增益不低于80dB，增益控制范圍不低于90dB。
選頻濾波器為定制的機(jī)械濾波器，中心頻率225kHz，帶寬30kHz。主放大器選用AD 公司的視 頻放大器AD*，它內(nèi)部集成了兩個(gè)放大器模塊，可以單獨(dú)使用其中的任何一個(gè)或?qū)蓚€(gè)級(jí) 聯(lián)使用以提高增益和擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍，每個(gè)放大器模塊的增益最大可達(dá)54.4dB，增益控制范圍 48.4dB。
3 信號(hào)處理組件
3.1 硬件設(shè)計(jì)
信號(hào)處理組件完成地面高度的搜索/跟蹤、AGC、STC 等功能，其電路框圖如圖2 所示， 核心是1 片F(xiàn)PGA 和1 片MCU，通過軟件算法實(shí)現(xiàn)大部分信號(hào)處理功能。
圖 2 信號(hào)處理組件電路框圖
地面高度的搜索/跟蹤是FPGA 和MCU 根據(jù)鎖定門限判決電路的輸出狀態(tài)，按一定算法改 變VCO 調(diào)制信號(hào)的頻率，使差拍信號(hào)落入225kHz 的跟蹤帶內(nèi)。在地面高度的搜索過程中，VGC 電壓與高度的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)STC（時(shí)間-靈敏度控制）功能。在地面高度的跟蹤 過程中，VGC 電壓受控于飽和門限判決電路的輸出狀態(tài)，飽和時(shí)減小VGC 電壓，直到差拍信 號(hào)的強(qiáng)度低于飽和門限，降低地面回波強(qiáng)度對(duì)測(cè)高精度的影響，從而實(shí)現(xiàn)AGC（自動(dòng)增益控 制）功能。
FPGA 選用Xilinx 公司的XC2V500[4]，完成高速信號(hào)處理算法的運(yùn)行，如VCO 調(diào)制信號(hào) 的產(chǎn)生、VGC 控制電壓的生成、搜索/跟蹤的控制等。外圍的高速D/A 采用AD 公司的AD9754AR， 40MSPS 采樣率，14 位分辨率，能滿足VCO 調(diào)制信號(hào)對(duì)其線性度的要求。AD9754AR 采用差分 電流輸出接口，以抑制共模干擾，通過運(yùn)放將電流轉(zhuǎn)換成電壓輸出。
VGC 接口采用D/A 轉(zhuǎn)換器和運(yùn)放，來產(chǎn)生精密的VGC 電壓，VGC 電壓的輸出范圍為0?9V。 D/A 轉(zhuǎn)換器選用并行12 位D/A 轉(zhuǎn)換器AD7392AR，速度比較快。
MCU 選用SST 公司的8 位單片機(jī)SST89V564RD[5]，64K Flash 編程空間，完成高度表狀態(tài) 的控制、高度數(shù)據(jù)的校正/補(bǔ)償?shù)裙ぷ?。RS422 接口采用MAXIM 公司的AD844E，全雙工工作， 既可輸出地面高度數(shù)據(jù)，也可通過該接口實(shí)現(xiàn)SST89V564RD 的在線編程和在線仿真。
MCU 與FPGA 之間采用8 位的數(shù)據(jù)/地址復(fù)用總線接口，速度快，通過訪問特定地址的寄 存器來實(shí)現(xiàn)邏輯控制和數(shù)據(jù)的讀取。SST89V564RD 的工作電壓為3.3V，可直接與FPGA 進(jìn)行通 訊，不需進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。
3.2 軟件設(shè)計(jì)
該高度表的軟件設(shè)計(jì)包括兩部分：一部分是FPGA 的編程，采用VHDL 語言編寫；另一部 分是MCU 的編程，采用匯編語言編寫。兩部分軟件共同實(shí)現(xiàn)高度表的搜索、跟蹤等功能。
a. 搜索算法
當(dāng)高度表的差拍信號(hào)未落入225kHz 的跟蹤帶內(nèi)時(shí)，高度表進(jìn)入搜索狀態(tài)：通過改變調(diào) 制頻率fm從低高度到高高度進(jìn)行搜索。fm的值是離散的，滿足fm=112.5kHz/n，n 為分頻系數(shù)， n=1?1500（正整數(shù)）。
采用了線性搜索算法，分頻系數(shù)n 從小到大連續(xù)變化，使高度表從低到高，以距離分辨 率Δh=1.0m 為步長(zhǎng)連續(xù)搜索，即fm=112.5kHz/n，n=1→1500。當(dāng)差拍信號(hào)fb0=225kHz±15kHz 時(shí)，鎖定門限輸出高電平，高度表進(jìn)入跟蹤狀態(tài)，由跟蹤鑒頻回路與地面組成閉環(huán)系統(tǒng)，伺服于高度的變化。
b. 跟蹤算法
當(dāng)高度表進(jìn)入鎖定狀態(tài)時(shí)，由跟蹤鑒頻回路與地面組成閉環(huán)系統(tǒng)。由于線性調(diào)頻信號(hào)的 特殊性，其譜線是離散的，當(dāng)高度變化時(shí)，各個(gè)頻率成分的信號(hào)都有，只是各個(gè)譜線的幅度 不同。在低高度上，由于跟蹤帶寬很窄（30kHz），調(diào)制頻率變化量Δfm大于30kHz 時(shí)，造成 高度表失鎖。另外，由于面目標(biāo)的回波差拍信號(hào)的能量并不是集中在一根譜線上，而是多根 譜線或譜線帶具有相同量級(jí)的回波能量，要使高度表能跟蹤到最低譜線，即最低高度，要采 用具有頻譜前沿跟蹤能力的算法。
我們?cè)O(shè)計(jì)了誤差抖動(dòng)跟蹤算法，具有頻譜前沿跟蹤能力，其基本思路為：在當(dāng)前跟蹤高 度上產(chǎn)生一個(gè)誤差搜索區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)從低到高進(jìn)行線性搜索，使高度表出現(xiàn)失鎖→鎖定 的狀態(tài)變化，從而跟蹤到最低高度。
n 為當(dāng)前高度所對(duì)應(yīng)的分頻系數(shù)，誤差量Δn 取為5（對(duì)應(yīng)的高度誤差量為±5m），在（n- Δn）→（n+Δn）范圍內(nèi)從低到高進(jìn)行搜索。如n 小于6，則從1→（n+Δn）進(jìn)行搜索。如 該誤差搜索區(qū)域內(nèi)的最小n 值都能滿足鎖定條件，則以該最小n 值為當(dāng)前n 值，再產(chǎn)生誤差 搜索區(qū)域進(jìn)行跟蹤。如在整個(gè)誤差搜索區(qū)域內(nèi)都未出現(xiàn)鎖定信號(hào)，高度表從跟蹤狀態(tài)轉(zhuǎn)為搜 索狀態(tài)。 誤差抖動(dòng)跟蹤算法的流程圖如圖3 所示。
圖 3 誤差抖動(dòng)跟蹤算法的流程圖
4 飛行試驗(yàn)
該高度表采用動(dòng)力滑翔機(jī)，進(jìn)行了多個(gè)架次的飛行試驗(yàn)，飛行地貌有城市、田地、樹林、 水面等，最高飛行高度超過1500m。試驗(yàn)過程中高度表性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)完整，50m 以下高度的 測(cè)高精度可達(dá)1m。
5 結(jié)束語
本文介紹了一種新型調(diào)頻連續(xù)波高度表，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于：采用了FPGA/單片機(jī)的硬件 平臺(tái)，通用性強(qiáng)，并具備現(xiàn)場(chǎng)軟件升級(jí)能力；通過軟件算法實(shí)現(xiàn)了高度搜索、高度跟蹤、STC、 AGC 等功能，改變信號(hào)處理算法和控制軟件能實(shí)現(xiàn)多種功能，滿足更多應(yīng)用場(chǎng)合的需要；采 用恒定差拍結(jié)構(gòu)，抗干擾能力強(qiáng),并具有頻譜前沿跟蹤能力；具有0?1500m 的大范圍測(cè)高能 力，在低高度上具有1m 的測(cè)高精度。
該高度表已用于某型無人機(jī)，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益50 萬元。
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