SOC在线性调频连续波高度表中的应用

2012-04-20孟庆虎陶青长梁志恒

制导与引信 2012年2期

孟庆虎，陶青长，梁志恒，王涛

（1.凯迈（洛阳）测控有限公司，河南洛阳471009；2.清华大学精密仪器与机械学系；3.清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，北京100084）

0 引言

无线电高度表主要用于精确测量飞行器与地面或海面的相对高度，在飞行器的自动着陆、自动导航、地形匹配等领域得到广泛应用［1］。线性调频高度表是无线电高度表中的一种，主要适合应用于1 500m 以下高度时的测量。随着FPGA 集成度和工艺技术的发展以及IP 核的不断丰富，使用XILINX FPGA 提供的CPU 软核Micro Blaze和PLB总线搭建线性调频连续波高度表专用的数字信号处理SOC，可以将整个系统包括微处理器Micro Blaze、片上总线PLB、片内存储、信号处理和I／O 外围设备等集成到一片FPGA 中，实现软硬件的高度协同工作［2］。

在高度表设计和实现中采用SOC，可以减少PCB的面积，具有集成度高、可靠性高、结构简单和灵活性强等优势，从而提高了整个系统的可靠性。

1 线性调频连续波高度表原理

1.1 线性调频连续波高度表工作原理

线性调频连续波高度表使用锯齿波调制发射频率，发射信号的带宽和周期宽度在测高范围内恒定，根据发射信号与接收信号的差频变化提取高度信息［3］。锯齿波调频的超高频信号，由发射单元通过发射天线向地面发射，同时，部分发射信号经功率分配器进入接收单元中的混频器，并与从地面反射回来的接收信号混频后滤波，得到差频信号。锯齿波调频连续波高度表工作原理如图1所示。

图1 调频连续波无线电高度表波形图

在图中，发射信号如实线所示，调频周期为T，调频带宽为B，接收信号如虚线所示，接收信号与发射信号延迟时间为τ，频差为fb。

由于τ为高频信号经历的时间，则

式中：C 为光速；H 为测量高度，由实际高度H0和固定的剩余高度HT组成：

如图1所示，根据比例关系，有

本系统采用恒定差频调频等幅式方法进行测高，通过锯齿波调制VCO 频率步进。在测高过程中，通过调整频率步进时间T，改变频率步进斜率，使调制信号的斜率随高度而变化，保持差频输出在固定值fb处。变化规律是高度升高，斜率增大；高度降低，斜率减小。由于差拍频固定，中频放大器带宽可以做得很窄，增益较大，其灵敏度远比传统的模拟调频连续波雷达高度表要高。而且，由于带宽较窄，抗干扰性能较好。

本系统中频带宽为10kHz。当高度表混频后的差拍信号未落入10kHz 的中频跟踪带内时，高度表进入搜索状态，通过改变调制频率的步进时间T，以改变频率步进斜率，使得高度表能够在不同高度上搜索，当差拍信号fb＝25kHz±5 kHz落入中频带宽内时，高度表进入跟踪状态，通过微调频率步进时间T，使得拍频fb始终输出为25kHz。

此时，可通过频率步进时间T 推导出延迟时间τ 并精确计算出飞行器高度。由于拍频的测量影响到测高的精度，所以使用CZT 精细测频方法可提高测频精度，已达到提高测高精度的目的。

1.2 CZT精细测频方法

传统的频谱分析方法一般采用快速傅里叶变换（FFT）算法，首先将信号数字化，然后对信号做FFT 得到频谱图，在此基础上进行离散频谱分析；然而，采用经典的FFT 法测频，不可避免会出现“栅栏效应”，使得分析精度受到极大的限制，导致高度表在近距离时测量的相对误差较大。

CZT 突破了DFT 的局限性，可以在Z 平面单位圆上取一个自定义的弧段，只在该弧段上进行序列Z变换的均匀采样，而且采样间隔也可以自由确定。

如果所取弧段对应于待细化的中频窄带，则CZT 就是窄带中各频率点处的频率值。因此，CZT 应用于窄带高分辨率的计算，是一种经典的频域细化、提高测频精度的办法［4，5］。

对x（n）（0≤n≤N-1）的CZT 定义式为

2 SOC 在调频连续波高度表中的实现

本高度表设备选用XLINX 的Vritex-6 LX130TFPGA 构建SOC，使用HDL 实现SOC的CPU 和功能外设。CPU 和外设都挂接在PLB总线上，通过软硬件的协调工作，实现搜索、跟踪和通信等功能。设备的系统框图，如图2所示。

图2 调频连续波高度表系统框图

2.1 SOC模块功能介绍

该调频连续波高度表由三部分组成，分别为射频收发单元、模数转换单元和SOC，具体功能如下：

a）射频收发单元负责调频连续波信号的发射和接收，并将接收信号和发射信号混频，得到差拍信号输出给数模转换单元；

b）数模转换单元将差拍信号数字化后发送给基于FPGA 的SOC，由SOC 完成后续信号处理功能；

c）SOC 主要负责控制VCO 的频率步进斜率、测频、测高和对外通信等功能。

下面主要对SOC 中各个模块的功能进行介绍：

a）CZT transform 模块由HDL 实现，主要对差拍信号测频，当差拍信号落入中频信号带宽内时，CZT transform 模块可精确测量出频率值；

b）CZT ctrl负责CZT transform 和PLB 总线间的通信，当有差拍信号落入中频带宽内时，CZT transform 通知CZT ctrl产生中断到Micro Blazer CPU，使得CPU 知道当前捕获到差拍信号，可微调频率步进斜率进行跟踪模式；

c）DAC step ctrl模块通过DAC 控制VCO的频率步进斜率以及对CZT transform 模块提供定时信号；

d）CAN ctrl模块实现与外部CAN 总线以CAN 2.0协议进行通信；

e）INTR ctrl 和time 负责 Micro Blazer CPU 的中断控制和时序控制；

f）Micro Blazer是XILINX 开发的32 位精简指令集CPU 软核，最高频率可到150 MHz，Micro Blazer挂接在PLB 总线上，负责对总线上功能外设的控制和响应，完成调频连续波高度表的搜索和跟踪任务以及外部通信等功能。

2.2 软件设计

调频连续波高度表的软件在Micro Blazer中运行，使用C 语言编程，主要完成搜索模式和跟踪模式的控制：当CPU 没有收到来自CZT ctrl模块的测频中断时，高度表在搜索模式运行，CPU 周期改变DAC step ctrl的频率步进斜率参数K，完成在各个高度搜索的任务；当CPU 收到测频中断时，确认三次后进入跟踪模式，通过微调DAC step ctrl的频率步进斜率参数K，使得拍频恒定输出在25kHz。此时，CPU 计算飞行器的高度，并输出到CAN 总线上。整个软件的工作流程，如图3所示。