综合CNI系统无线电测高功能设计

2024-01-04谭钢

电脑知识与技术 2023年32期

谭钢

（中国西南电子技术研究所，四川成都 610000）

0 引言

无线电高度表（Radio Altimeter,下文简称ALT）是一种利用C 波段电磁波的反射和接收进行测高的电子设备，其测量范围大、适应姿态角度大,不受天气影响，可以用于在各种气候条件下快速准确地测量飞行器距离地面或者海平面的实际高度，因此在民航、无人机、导弹制导等领域都得到了广泛应用。20世纪70年代以前，无线电高度表主要以独立功能端机形式加装于飞机，作为机上电子系统的主要测高设备[1]。近年来，随着微电子技术和集成电路的高速发展，结合软件无线电技术在航空工业领域的广泛应用，机载分布式电子系统进行了集成化设计，无线电高度表在分布式航电系统中以LRU形式加装，集成化设计后座舱内的高度表显示分机被取消，高度表LRU端机一般由综合CNI系统以模块化的形式进行集成，本文主要对综合化架构下高度表的实现进行探讨[2]。

1 功能组成及工作原理

1.1 功能组成

综合CNI 系统无线电测高功能示意图如图1 所示。机上CNI 系统产生调制后的无线电测高发射信号，经高度表发射天线向地面辐射，并通过高度表接收天线接收经地面发射后的回波信号，再由CNI系统对信号进行解调等处理，计算出高度值，通过航电总线送座舱显控系统显示高度值，供飞行员观测，实现对飞机的引导和护航。

图1 无线电测高功能示意图

1.2 工作原理

ALT功能采用伪码测距原理进行高度测量，模拟信号的产生、处理在ALT 接收激励模块中完成，对采样后的接收中频信号的进行高度解算在信号处理模块中实现。

CNI系统上电初始化ALT接收激励模块后，接收/激励单元中的伪随机码产生单元生成随机码，通过双向调制器进行调制，并上变频至射频，通过发射组件进行功率放大，最后通过高度表发射天线向测高面辐射；从测高面反射回的射频信号通过高度表接收天线进入接收组件，接收组件将射频信号下边频处理为中频信号，中频信号通过带通滤波、中频增益放大等处理后进行A/D采样，最后送入数字信号处理单元进行解调解扩等算法处理，功能信号处理通过比较发射码和接收码的相位差，计算出测高值，再通过接口单元上传至CNI系统显示读取。

伪码测距（Pseudo Noise Ranging，PN Ranging）是目前常用的一种无线电测高算法，伪码测距算法抗干扰性强、保密性强，具有操控简单可靠、无模糊距离限制可多目标同时测量等诸多优点。本文所述高度表功能测量过程中选用的PN码是一种具有近似随机噪声的理想二值自相关特性的码序列，利用伪随机信号的尖锐自相关特性，采用相关检测的方法，使测距抗干扰能力增强，测距范围在不增加发射功率的情况下也大大增加[3]。伪码测距原理示意框图如图2所示。

图2 伪码测距原理示意框图

图3 系统架构下ALT功能流程图

通过比较发射信号和接收信号的相位计算出收发两个m序列的相位差，即发射信号和接收信号的时延差τ，从而可以算出被测距离h：

而最大被测距离决定于m序列的周期pTc：

其中，p= 2n- 1 为m 序列的长度，n 为产生m 序列的移位寄存器的级数，Tc为m序列的码元宽度。

1.3 技术指标要求

1)工作频率：4 200～4 400MHz；

2)测高范围：0～6 000m；

3)系统灵敏度（设备端口）：

①0m：35～55dB；

②6 000m：≥105dB。

2 CNI系统架构下ALT功能实现

2.1 CNI系统架构下ALT功能硬件流程

在CNI系统中实现ALT功能的收发信号、高度解算需配置的模块主要包括：高度表发射天线（含功放）、高度表接收天线、ALT 接收激励模块、数字中频信号处理模块等。其中高度表收发天线实现信号的辐射与接收；数字中频信号处理模块为CNI系统公用模块，实现数字中频的信号处理，解算出高度；ALT接收激励模块是ALT功能的重要组成部分，实现载波信号的产生以及调制、接收信号的混频、滤波、放大、采样；基准频率源模块给接收模块及激励模块提供变频所需要的本振源；电源模块将机载直流27V 电源经DC-DC转换为需要的数字和模拟工作电压[4]。

2.2 主要功能模块设计

2.2.1 天线设计

高度表天线功能为接收和发射电磁信号，包含高度表发射天线和高度表接收天线。

1）发射天线

本文中发射天线除了天线辐射体，还包括功率放大器模块。其中功率放大器模块主要作用是将高度表接收激励模块输入的激励信号进行功率放大，发射天线主要作用是将功率放大后的射频信号向地面发射。

发射天线单元采用高增益天线，天线增益＞12.4dBi，半功率波瓣宽度大于40，在工作频率4.3GHz，天线E面、H面副瓣电平低于-17dB。电性能良好，满足无线电测高功能的方向性性能需求，同时高增益和宽波束的天线设计有利于提高载机转弯或其他大角度机动场景下的测高范围和姿态范围。

功率放大器模块主要由驱动放大器、射频带通滤波器、功率放大器等部分组成。ALT接收激励模块输入的激励信号频率为f=4.3±0.1GHz，激励信号大小为0～-5dBm。激励信号通过驱动放大器放大，带通滤波器滤除带外杂波，通过功率放大器将发射信号放大至P=27±3dBm，最后通过发射天线将放大后的信号发射出去进行测高,高度表发射天线原理框图见图4。

图4 ALT发射天线原理框图

2）接收天线

接收天线主要由输入隔离器和带通滤波器组成，接收天线将收到的地面或海面反射信号经过隔离器，然后通过带通滤波器滤除带外的干扰信号及噪声，最后将滤波后的射频信号发送到后端ALT 接收激励模块。接收天线中的滤波器和隔离器可以保证良好的驻波比和较小的带外干扰，提高后端ALT接收激励模块的抗干扰能力和接收灵敏度。高度表接收天线原理框图见图5。

图5 ALT接收天线原理框图

2.2.2 ALT接收激励模块

ALT 接收激励模块组成主要包括：射频收发组件、电源单元、时钟单元、A/D 单元、信号处理单元、接口单元。图6为ALT接收激励模块功能单元简图。

图6 ALT接收激励模块功能单元简图

1）发射组件：伪随机码将本振信号调制后，进行混频和上变频，在信号处理单元的控制下进行功率放大。

2）接收组件：接收天线送入的测高面反射射频信号，对其进行限幅、滤波、放大，通过混频进行下变频后变为模拟中频信号，并进行AD 采样为数字中频信号。

3）电源单元:将CNI 系统电源模块提供的27V 及数字5V电压分别转换为发射组件和接收组件单元需要的各路模拟电压和数字电压，解决模块功耗。

4）时钟单元:将CNI 系统基准频率源模块提供的模拟100M转换为发射组件和接收组件单元需要的变频信号，同时经过数字板转换为数字信号处理单元需要的数字时钟。

5）AD 单元:AD 单元接收来自接收组件送来的模拟中频信号，进行AD采样，将采样后的高速中频数字信号送至功能信号处理单元进行解调。

6）信号处理单元:主要完成数字接收机通道处理、生成发射伪随机码、自动增益控制、发射功率控制等功能。

7）接口单元:主要实现高度表接收激励模块和CNI系统的各种接口，包括CAN总线、异步串行总线、高速串行总线、离散控制线等。

2.2.3 数字中频信号处理模块

数字中频信号处理模块为CNI系统通用模块，采用平台化设计，可在系统控制下加载运行不同的功能程序。与ALT功能相关的功能和技术指标如下：

2.2.3.1 主要功能

数字中频信号处理模块包含四个处理通路，以支持对四路信号的处理。用于ALT 功能的处理通路主要完成以下功能：完成ALT功能中采样数字中频相关处理后的高度解算处理完成对ALT 模块的参数控制和状态管理，如码控制字、载波控制字、功能BIT输出等；通过接口控制模块实现与其他模块的信息交互：接收控制模块的控制信息、将信号处理结果传至核心控制模块等。

2.2.3.2 主要器件处理能力

FPGA 处理能力：中频处理400 万门；DSP 处理能力：运算模式32bit 定点，运算速率：4 800MIPS；LVDS高速串行数据接口传输波特率；450～720Mbps（对应AD/DA并行数据速率为25～40MHz）；总线传输能力：异步串行接口3.125Mbps。

2.2.3.3 信号处理流程设计

ALT 功能信号处理单元接收来自ALT 接收激励模块的相关处理结果等信息，通过门限计算、捕获/跟踪判断等，实现高度的结算及跟踪。主要完成以下处理：设备初始化、码型选择；回波解调及载波NCO 调整；捕获及跟踪判断处理；高度解算。主要处理流程如图7。