ILS双载波干扰测试的处理方法

贺 星，王 涛，吴秀明，李 阔

ILS双载波干扰测试的处理方法

贺 星，王 涛，吴秀明，李 阔

（中电科星河北斗技术（西安）有限公司，西安 710068）

描述了针对RTCA/DO-195（Radio Commission for Aeronautics/Document-195）标准要求中提到的双载波测试干扰问题所采取的措施方法。重点介绍了在频域内如何处理带内信号干扰并提高解算精度的过程，这种设计方法为类似的无线电带内信号干扰问题提供了一种有效实用的解决方案。

双载波测试；信号干扰；带内信号

0 引言

仪表着陆系统（Instrument Landing System，ILS）由地面和机载两部分组成，它被国际民航组织（International Civil Aviation Organization，ICAO）采纳为飞机进场着陆引导的标准设备。地面设备提供进近过程中引导飞机到跑道所必须的航向和下滑信号。机载设备接收该信号并解调出航向偏差和下滑偏差信息，用于引导飞机着陆。

无线电接收信号的抗干扰技术广泛应用于通信、导航、监视和雷达接收机等技术领域，是数据接收处理的重要组成部分。ILS机载设备是民用航空器上十分重要的组成部分，有效的抗干扰技术对航空器的安全性、可靠性以及其它功能的完成和保障起着十分重要的作用，它们直接关系和影响着民用航空器的飞行安全。

1 调制度差解算原理

1.1 航向角检测

航向发射台装置于着陆方向跑道端头的外侧，它发射两个沿跑道中心线的有一边相互重叠的相同形状的波束，如图1所示。

在跑道中心线的左侧波束是用90 Hz音频信号调制的调幅载波，右侧的波束是用150 Hz音频信号调制的调幅载波，其调幅度均为20%。两种音频调制度差值（Difference of Degree of Modulation，DDM）的变化是根据两个波束彼此场强而变化的。

图1 航向道波束

1.2 下滑角检测

下滑发射台装置于近跑道入口的一侧，它发射两个沿一定仰角的有一边相互重叠的相同形状的波束，如图2所示。波束上下分布，上方的波束载波用90 Hz音频信号调制的调幅载波，下方的波束载波用150 Hz音频信号调制的调幅载波，其调幅度均为40%。

图2 下滑道波束

1.3 DDM值计算

在仪表着陆系统中，最关键的就是DDM值的计算。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%，根据调幅（Amplitude-Modulated，AM）信号的产生公式如式（1）所示

以及AM信号解调后的信号公式如式（2）所示

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，根据仪表着陆系统信号的特点，利用其调制度和是固定不变的这一特性，可以在不需要知道载波信号强度而仅仅根据90 Hz与150 Hz信号比例的情况下求出调制度差，因此可以通过计算90 Hz与150 Hz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式（3）求得

2 ILS双载波测试要求及设计方法

2.1 ILS双载波测试要求

在RTCA/DO-195《航空ILS航向接收设备工作频率范围108～112 MHz的最低性能标准》中2.2.2.3章节，对于航向信号接收性能测试，提出了双载波测试的基本要求，其测试条件和指标要求汇总如表1所示。

表1 双载波干扰测试要求

双载波测试要求在三个不同的条件下，同时加入两个载波调制信号，削弱其中之一的低功率电平的载波调制信号对接收信号解调精度的影响，以使DDM计算值满足DO-195标准中要求的指标范围。

2.2 信号干扰处理措施及设计方法

2.2.1 信号干扰处理措施的原理

在传统的时域处理流程中，增加快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）频域信号处理模块，在频域当中将带内所不希望的干扰信号，进行剔除，然后再将剔除干扰的频域信号恢复到时域当中进行信号处理，恢复之后的处理过程与传统的时域处理流程保持一致。增加FFT频域信号处理模块的流程图如图3所示。

图3中虚线框内的部分是在原有ILS信号处理流程的基础上所增加的信号处理步骤。0±5 kHz的双载波信号首先通过射频前端下变频到 21.4 MHz±5 kHz的中频信号，A/D模数转换器以12.5 MHz的频率对中频信号进行欠采样，并通过带通滤波器滤出3.6 MHz±5 kHz的中频信号，其数据率为12.5 MHz；之后3.6 MHz±5 kHz的中频信号与3.580 MHz本地载波进行混频，再次通过带通滤波器，滤出所需的中频信号频率为20 kHz± 5 kHz左右，数据率抽取为50 kHz；最后正式进入设计好的FFT频域处理模块进行相应的数据处理；通过FFT频域处理模块之后的信号，将恢复为已剔除干扰的时域信号，送入AM解调器进行幅度解调，选用截止频率为6 kHz的低通滤波器，得到90 Hz和150 Hz信号的复包络，然后分别经过带宽为 20 Hz的带通滤波器进行滤波，再经过级联积分梳状（Cascaded Integrator Comb，CIC）滤波器进行平滑滤波，进行DDM的计算及数据的后处理。

图3 增加FFT频域信号处理的ILS信号处理流程

2.2.2 FFT频域处理流程

FFT信号处理过程主要作用是将时域信号转换成频域信号，在频域当中可以很容易剔除带内信号的干扰，剔除干扰后的频域信号再恢复到时域信号并保持原有的数据速率，以便于后续信号的解调和DDM值的计算。其处理流程如图4所示。

图4 FFT信号处理流程

具体步骤如下：

1）经过二次下变频的20 kHz±5 kHz中频信号，数据速率为50 kHz，输入到256个存储单元的双口随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）进行缓存。

2）双口RAM1的缓存数据存满后，启动FFT，将变换后的实部和虚部数据进行暂存。

3）通过FFT后的数据计算其幅度谱值，并存储幅度谱数据。

4）查找存储的幅度谱的最大峰值，并确定最大峰值对应的数据的位置。

5）在最大峰值所确定的数据范围之外，查找存储的幅度谱的次峰值，并确定次峰值对应的数据的位置。

6）剔除次峰值位置及附近范围内的FFT后的数据，将其置为0。

7）将剔除次峰值所对应FFT后数据，输入到快速傅里叶逆变换（Inverse Fast Fourier Transform，IFFT）模块，进行IFFT。

8）将IFFT后的数据存储到双口RAM进行 缓存。

9）双口RAM2的缓存数据按照50 kHz固有数据速率，输出恢复的时域数据，进行后续的信号解调及DMM值计算。

3 测试仿真

根据DO-195测试要求，在三种不同的测试条件下，仿真设计中选用信号功率-50 dBm、波道1（108.1 MHz）的信号，加入FFT频域处理过程与不加入FFT的时域处理过程进行DDM值的比较结果如图5～图7所示。图中红色曲线代表经过FFT处理后的DDM值，蓝色曲线代表未经过FFT处理后的DDM值。

从仿真测试结果可以得出结论，未做FFT处理的DDM值超出了精度范围要求；经过FFT处理后的DDM值能够满足0±0.005 812的要求。

图6 测试条件2的仿真结果对比图

从仿真测试结果可以得出结论，未做FFT处理的DDM值超出了精度范围要求；而经过FFT处理后的DDM值能够满足0.155±0.009 3的要求。

图7 测试条件3的仿真结果对比图

从仿真测试结果可以得出结论，DDM值精度要求相对宽松，未做FFT处理和经过FFT处理后DDM计算值均能满足≥0.155的要求。

4 结语

本文介绍了ILS系统双载波干扰情况下信号频率的处理措施，在传统信号处理流程的基础上，重点研究了频域中带内干扰信号的剔除方法。仿真结果显示，相对于传统的时域处理方法，经过频域处理的DDM值受干扰信号的影响小，输出结果稳定，精度满足DO-195标准的误差要求。

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Processing Method of ILS Dual-Carrier Interference Test

HE Xing, WANG Tao, WU Xiuming, LI Kuo

Due to the problem of dual-carrier test interference mentioned in the RTCA/DO-195 (Radio Commission for Aeronautics/Document-195) standard requirements. How to deal with the in-band signal interference in frequency domain and how to improve the accuracy of the solution are focused on. An effective and practical solution for similar in-band signal interference problems are provided by design method.

Dual Carrier Test; Signal Jamming; In-Band Signal

V243

A

1674-7976-(2023)-06-405-05

2023-08-09。

贺星（1984.01—），山西太原人，高级工程师，主要研究方向为民用航空电子技术。

科技部国家重点研发计划（2020YFB0505601）资助