一种ILS接收机数字中频处理方法的研究与实现

李 辉,张一韬

(1.中国电子科技集团公司第20研究所，西安710068；2.空军驻西安地区军事代表室，西安 710068)



一种ILS接收机数字中频处理方法的研究与实现

李 辉1,张一韬2

(1.中国电子科技集团公司第20研究所，西安710068；2.空军驻西安地区军事代表室，西安 710068)

介绍了在新型仪表着陆系统(ILS)接收机中，利用数字信号处理技术处理中频信号的一种方法，根据接收机的特点完成了对输入信号的解调、滤波等设计，实现了ILS着陆信号处理的功能，并给出了实验验证结果，证明了方案的可行性。

仪表着陆系统接收机；数字中频处理技术；数字解调；数字滤波

0 引 言

仪表着陆系统(ILS)是现今国际民航组织(ICAO)的标准着陆设备。其功能是为进场着陆的飞机提供一条固定的下滑线和2～3个距离检查点，以保证飞机在能见度不低于400 m、云层高度不低于30 m的气象条件下安全着陆,基本上属于II类着陆系统。作为一种标准的导航系统，ILS几十年来在飞机的进场着陆引导中发挥了很大作用，为了提高系统的性能和可靠性，已经过多次改进，目前仍在大量地使用。随着数字技术的发展，基于软件无线电思想的中频信号数字化技术已被广泛应用到现代通信领域。由现场可编程门阵列(FPGA)和数字信号处理器(DSP)构成的硬件系统为先进数字信号处理技术的实用化、工程化提供了实现平台。

针对国内某飞机平台的需要，采用一种中频数字化处理的方法和技术，研制出了新型ILS着陆接收机，显著改善了设备的综合性能指标，具有成本低、体积小、性能高、可靠性高的优点。

1 ILS信号特点分析

ILS信号分为航向信号和下滑信号，格式基本相同。以航向信号为例，ILS信号由90 Hz和150 Hz分别以幅度调制的方式调制在射频载波上，2种音频调制度差值(DDM)的变化是根据2个波束彼此场强而变化的。在跑道中心线上，两者调制度差值为零，随着偏离中心线的角度的增加，调制度差值逐渐增大。在航道中心线的左边，90 Hz音频成分大于150 Hz音频成分，航道中心线的右边则与此相反。在以跑道中心线为中心的±4°～±6°范围内其调制度差值是随角度呈线性变化的。

为了区分台站，ILS地面台还发射台站识别码，用(1 020±50) Hz的音频调制到航向地面台发射的载频上，由航向接收机在接收到航向信号的同时，输出一个导航识别信号给音响设备。导航识别信号通常由2个或3个国际电码字组成，以10～20 s间隔发送。调幅信号的数学表达式为：

S(t)=K(1+Asinω1t+Bsinω2t+Cm(t)sinω3t)sinωct

(1)

式中：sinω1t，sinω2t，sinω3t分别为90 Hz、150 Hz、1 020 Hz正弦信号；A、B、C分别为其相应的调制度；m(t)为莫尔斯码；sinωct为正弦载波；K为复合调幅信号的调制度。

2 中频数字处理平台

ILS接收机组成框图见图1，接收机主要采用FPGA完成数字滤波、数字抽取、数字下变频、数字解调和数据处理等数字信号处理功能，并通过双口随机存储器(RAM)与接口电路进行数据交换，完成通道控制命令接收和调制度差值数据输出功能。

图1 中频数字处理平台

3 中频数字处理方法

3.1 中频数字信号处理流程

由于在中频信号的处理过程中含有大量乘法运算，本系统综合系统容量与降低成本的考虑，选用FPGA芯片spantan3A，实现一系列的数字解调,见图2。图2中，模数转换器对射频输出端输出的21.4 MHz中频实施12.5 MHz带通采样，这样中频信号频谱发生搬移，取其中3.6 MHz信号作为次中频信号[1]。频谱搬移后的信号首先通过带通滤波器去除其他频率成分，然后送入幅度调制(AM)解调器进行AM解调，这之后的基带信号经过各带通滤波器滤出不同频率成分再利用包络检波求其幅度，从而计算出调制度差输出。另外，还要由导航识别信号解调得到莫尔斯码。同时带通滤波器的输出还要由鉴频器判断其频率是否在信号频差的允许范围内，并根据结果和各频率信号的信号强度产生告警信号，最后输出单元根据告警情况输出计算数据。

图2 信号处理流程框图

3.2 主要处理单元设计

3.2.1 带通滤波器设计

经过12.5 MHz频率采样后的调制信号先经过带通滤波器滤除直流成分、其他频率成分和部分带外噪声。带通滤波器设计见图3。

图3 带通滤波器设计

3.2.2 AM信号解调

AM解调通常有相干解调和包络检波2种方案。这里采用包络检波的方案，以取绝对值的方法对输入的AM信号进行检波，再经过低通滤波器滤波解调出基带信号。

经过带通滤波器的AM信号中包含90 Hz、150 Hz的调制信号和1 020 Hz的导航识别信号，为有用信号。低通滤波器的设计要求能充分抑制载波频率以上的其它频率成分，同时要保留90 Hz和150 Hz信号[2]。根据后续的硬件实现以及设计资源的综合考虑，滤波器的设计见图4。

图4 低通滤波器设计

3.2.3 90 Hz、150 Hz带通滤波器设计

经过AM解调后的基带信号包含有90 Hz、150 Hz和1 020 Hz 3个信号，分别对载波进行调幅。为了求出每个信号成分的强度，需要对其分别进行滤波。

其中对90 Hz和150 Hz信号的滤波器要求比较高，因为这些频率在频谱上距离较近，要求带宽尽量窄，带外衰减尽量陡峭，保证在需要滤出90 Hz信号时滤波器在150 Hz处衰减足够大，最大限度地减小了150 Hz信号对90 Hz信号的影响；同理，150 Hz滤波器也要遵循此规则。由于单级窄带滤波器很难保证通带内平滑，并且这些滤波器通带与阻带非常接近，在较高采样率的情况下，要做到满足要求需要较长的乘法器，会导致硬件资源占用量过大；而采样率过低又会导致输出结果精度变差，无法满足设计要求。为解决这一问题，本系统采用了两级滤波器级联的形式。经过带通滤波器的90 Hz和150 Hz信号还需经过低通滤波器求其幅度值才能最终求出2种信号的调制度差(DDM)值。滤波器设计见图5、图6、图7。

图5 90 Hz带通滤波器设计

图6 150 Hz带通滤波器设计

图7 90 Hz、150 Hz低通滤波器设计

3.2.4 1 020 Hz台站识别码解调

1 020 Hz滤波器要求较低，能分辨其信号有无即可。经过带通滤波器的AM信号求绝对值之后通过1 020 Hz低通滤波器完成解调，得到莫尔斯码波形，带通滤波器设计见图8。

图8 1 020 Hz带通滤波器设计

3.2.5 调制度差计算方案

调制度差计算的方法较多，但大体上可以分为2种：归一化法和直接法。本系统选择归一化法。

归一化法是建立在调制度和已知基础上的，90 Hz和150 Hz的调制度和在航向和下滑通道上分别是40%和80%，根据AM信号的产生公式：

S=A(1+msinωst)sinωct

(2)

以及AM信号解调后的信号公式：

x(t)=A(1+msinωst)

(3)

可以看出，解调信号中交流部分的幅值与调制度是成正比的，根据ILS信号的特点，利用其调制度和固定不变的特性[3]，可以在不需要知道载波信号强度而仅仅根据90Hz与150Hz信号比例的情况下求出调制度差。因此，可以通过计算90Hz与150Hz信号的幅度差来得到归一化的调制度差。因为调制度和是已知的，以航向为例，实际的调制度差可以通过下式求得：

(4)

式中：A、B分别为90 Hz与150 Hz信号的幅度。

对于下滑通道，只需要把式中的40%更换为80%即可。

4 实验验证

该数字中频处理方法已在实际产品中得到应用，能够实现高精度ILS解算功能。实际信号处理过程中各信号chipscope采集波形如图9、图10、图11所示。

图9 ILS输入信号波形

图10 ILS解调基带波形

图11 90 Hz、150 Hz信号波形

5 结束语

本文介绍了一种ILS接收机数字中频处理方法，并结合数字信号处理技术的优点和大规模数字集成电路的应用提出了一种中频信号处理方法，该方法在接收机中得到了较好的应用，并进行了整机验证。结果表明，采用此方法的ILS接收机完全达到了ILS接收机的性能要求，并且在稳定度、抗干扰能力等方面均有较大提高。

[1] 胡广书.数字信号处理[M].北京：清华大学出版社,2003.

[2] 杨小牛,楼才义，徐建良.软件无线电原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2001.

[3] 陈邸非.VOR/ILS导航接收机中的数字信号处理技术[J].航空电子技术，1997(4)：8-13.

Research and Realization of A Digital IF Processing Method in ILS Receiver

LI Hui1，ZHANG Yi-tao2

(1.The 20th Research Institute of CETC,Xi'an 710068,China；2.Air Force Representative Office in Xi'an Area,Xi'an 710068,China)

This paper introduces a method using digital signal processing technique to process intermediate frequency (IF) signal in the new instrument landing system (ILS) receiver,which implements the designs such as demodulation and filtering,etc.according to receiver characteristics,realizes the landing signal processing function of ILS,and presents the experiment validation result,proves feasibility of the scheme.

instrument landing system receiver;digital intermediate frequency processing technique;digital demodulation;digital filter

2015-04-10

TN850

A

CN32-1413(2015)02-0081-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.02.021