基于DSP的ILS機載接收機基帶信號處理

1 引 言

著陸是飛機航行過程中最為重要的一個階段，據(jù)統(tǒng)計，超過60％的飛行事故發(fā)生在飛機的著陸階段。這是因為在著陸過程中，要求飛行員必須在比較短的時間內(nèi)完成很多標準化的操作。而依靠目視著陸，對氣象條件要求較高，一般要求飛行高度300 m時，水平能見度大于4.8 km，否則難以保障安全著陸。因此為了保證飛機能在惡劣氣象條件下能夠安全著陸，必須使用無線電導航系統(tǒng)為飛機提供高精度的定位引導信息，實時給出飛機與給定下滑航道的偏差程度。而儀表著陸系統(tǒng)(Instrument Landing System，ILS)是當今世界上應用最為廣泛的無線電著陸引導設備之一。

常規(guī)的ILS系統(tǒng)機載導航接收機基帶處理部分是采用模擬電路實現(xiàn)的，電路復雜；設備體積大，功耗高，且精度不高。本文采用DSP器件為基帶信號處理核心部件，將基帶信號全部在數(shù)字域中進行處理，采用數(shù)值濾波和多速率處理算法，簡化了電路設計，降低了設備功耗的體積。本文給出的算法在以一片TMS320C2812F芯片為處理核心，無外擴存儲器的信號處理板上進行了半實物仿真，仿真結果驗證了算法的有效性和可靠性。

2 ILS基帶信號數(shù)學模型

ILS系統(tǒng)地面設備包括航向臺、下滑臺和信標臺三個部分。航向臺和下滑臺都是利用空間相交的雙針狀天線方向圖，以等信號區(qū)的形式分別提供與水平面成一定角度的下滑面引導，與水平垂直的航向引導。因此航向臺和下滑臺的接收機基帶處理部分是一樣的。ILS的基本原理及其信號處理方法參見文獻[1，2]。

ILS基帶信號是一種DSB信號，導航信息由信號各個頻率上的幅度表示。基帶信號可以簡單表示為：

在ILS系統(tǒng)中，規(guī)定頻率f1=90 Hz，f2=150 Hz，f3=1 020 Hz，并規(guī)定基帶信號的采樣率為fs=12 583 Hz。因此基帶信號處理的核心就是如何準確計算式(1)中各個頻點上的幅度大小。

最簡單的方法就是采用DFT進行計算，然而這種方法在實際過程中性能并不令人滿意。首先要利用DFT算法，就必須考慮信號的采樣率和信號的時間長度，顯然信號的時間長度越長，頻率分辨率越高，而同時信號的采樣率越高，頻率的估計精度就越高，而這些條件與算法所需的存儲空間存在矛盾。其次因為ILS的各個信號頻率允許存在一定頻率漂移，其中頻率f3容許的漂移達到±50 Hz，而其他的頻率也存在幾個Hz的漂移，若要利用DFT算法，就必須準確估計當前信號的各個頻點的大小。估計頻率的準確值方法很多，但要求在DSP上實現(xiàn)，就必須考慮DSP的運算速度和存儲空間的限制。文獻[2]給出了在TMS320VC5402上實現(xiàn)的基于頻域的實現(xiàn)方法，顯然處理更加復雜，運算量大且軟件占用存儲空間大。

因此本文采用濾波器進行濾波的方法，將各個頻點的信號進行濾波，得到單頻信號，再從時域上計算信號的幅度。直接將各個頻率分量進行濾波也是不可行的，這是因為頻率f1和f2比較低，如果要設計一種濾波器能夠僅將頻率f1濾出，而要求對頻率f2有較大的抑制程度，則該濾波器的長度會非常長，甚至大于200階，這不僅增加了算法對存儲空間的需求，還增大算法的處理時間。因此本文采用針對不同的信號頻率，采用不同的采樣率，從而保證各濾波器長度較短，且處理時間較快。

3 ILS基帶信號處理的DSP實現(xiàn)

本文采用TMS320F2812 DSP為處理核心的信號處理板實現(xiàn)，為了提高處理速度，降低對存儲空間的要求，本文中所有的數(shù)字濾波器長度均為33。由于信號的采樣率較高，因此首先進行3倍的降采樣，為了防止帶外混疊，在降采樣之前還增加了抗混疊濾波器H1。將信號記錄1 000個點作為信號處理用，進行存儲，存儲格式為雙字節(jié)數(shù)據(jù)。算法首先將該數(shù)據(jù)進行均值計算，得到參數(shù)A0，并從信號中減去該直流分量。

信號的預處理如圖1所示，得到的數(shù)據(jù)是4 B的浮點數(shù)，數(shù)據(jù)長度為1 000。對該數(shù)據(jù)的處理如圖2所示。