基于FPGA/MCU結構的線性調頻高度表設計

　　1 引言
　　
　　無線電高度表不僅可以精確測量飛行器與地面或海面的相對高度，而且還可以測量地表 粗糙度、海洋波浪高度等多種參數，在飛機的自動著陸、自動導航、地形匹配等領域得到了 廣泛的應用。無線電高度表主要分為調頻連續波體制和脈沖體制兩種，調頻連續波體制適合 1500m 以內的低高度應用，脈沖體制適合1500m 以上的中高高度應用。本文介紹了一種基于 FPGA/MCU 結構的線性調頻（LFMCW）連續波高度表，具有精度高，結構簡單，可靠性高，成 本低等特點。
　　
　　2 工作原理
　　
　　線性調頻連續波高度表的基本原理為[2]：采用三角波線性調頻微波振蕩源，經發射天線 輻射等幅調頻波，經過與飛行器飛行高度成正比例的時間延遲τ，由地面發射并被接收天線接 收，經混頻后輸出差拍信號fb，該信號經窄帶濾波器選頻后，被一個增益隨高度變化的放大 器放大、濾波，送到跟蹤鑒頻器。跟蹤鑒頻器輸出高、低電平表示差拍信號是否進入跟蹤帶 內，控制單元根據保持或調整三角波的斜率，使差拍信號始終落入跟蹤帶內，保持恒定值。 整個系統通過地面構成閉環，飛行器的高度由三角波的斜率和最大頻偏Δf 來決定。
　　
　　其主要性能指標為：
　　
　　工作頻率：C 波段
　　
　　體制：LFMCW（線性調頻連續波）
　　
　　測高范圍：0?1500m
　　
　　距離分辨率：1m
　　
　　高度數據接口：RS422，9600 波特率
　　
　　該高度表屬于收發天線分開、三角波調頻、頻譜前沿跟蹤、恒定差拍式無線電高度表，其工作原理如圖1 所示。

　　
　　圖1 線性調頻高度表工作原理圖 上圖中，三角波發生器輸出信號的幅度是一個常數，而其斜率是控制電壓的函數。在測 高過程中，通過測高回路自動校正，使調制信號的斜率隨高度而變化，以保持差拍恒定。變 化規律是高度升高，斜率增大；高度降低，斜率減小。跟蹤鑒頻器判別差拍信號fb 是否進入 跟蹤帶內，如是則輸出鎖定信號。跟蹤鑒頻器的中心頻率為225kHz，帶寬僅為30kHz 左右， 使高度表有較高的抗噪聲和抗干擾的能力。在沒有跟蹤鎖定信號時，高度表進入搜索狀態， 變化三角波的斜率，從最低高度到限制的最高高度周期地掃描，并根據跟蹤鑒頻器是否輸出 鎖定信號進行調整。當調制斜率對應飛行高度時跟蹤鑒頻器輸出高電平，高度表環路鎖定并 保持跟蹤地面發射的信號。
　　
　　接收、發射天線選用微帶集成平板天線，天線間距不小于1m，使收發隔離度大于70dB。 天線的3dB 帶寬為300MHz，旁瓣電平不大于-12dB，駐波比S=2，效率η≈80，總尺寸不大于 15cm×15cm。
　　
　　收發組件采用自差結構，輸出為零中頻的差拍信號，其頻率跟地面高度成正比。VCO 的 調制帶寬最高可達200MHz，調制線性度優于1.2。組件的接收增益30dB，噪聲系數3.5dB。 視放組件對差拍信號進行選頻放大，總增益不低于80dB，增益控制范圍不低于90dB。
　　
　　選頻濾波器為定制的機械濾波器，中心頻率225kHz，帶寬30kHz。主放大器選用AD 公司的視 頻放大器AD*，它內部集成了兩個放大器模塊，可以單獨使用其中的任何一個或將兩個級 聯使用以提高增益和擴大動態范圍，每個放大器模塊的增益最大可達54.4dB，增益控制范圍 48.4dB。