基于FPGA/MCU结构的线性调频高度表设计

　　1 引言
　　
　　无线电高度表不仅可以精确测量飞行器与地面或海面的相对高度，而且还可以测量地表 粗糙度、海洋波浪高度等多种参数，在飞机的自动着陆、自动导航、地形匹配等领域得到了 广泛的应用。无线电高度表主要分为调频连续波体制和脉冲体制两种，调频连续波体制适合 1500m 以内的低高度应用，脉冲体制适合1500m 以上的中高高度应用。本文介绍了一种基于 FPGA/MCU 结构的线性调频（LFMCW）连续波高度表，具有精度高，结构简单，可靠性高，成 本低等特点。
　　
　　2 工作原理
　　
　　线性调频连续波高度表的基本原理为[2]：采用三角波线性调频微波振荡源，经发射天线 辐射等幅调频波，经过与飞行器飞行高度成正比例的时间延迟τ，由地面发射并被接收天线接 收，经混频后输出差拍信号fb，该信号经窄带滤波器选频后，被一个增益随高度变化的放大 器放大、滤波，送到跟踪鉴频器。跟踪鉴频器输出高、低电平表示差拍信号是否进入跟踪带 内，控制单元根据保持或调整三角波的斜率，使差拍信号始终落入跟踪带内，保持恒定值。 整个系统通过地面构成闭环，飞行器的高度由三角波的斜率和最大频偏Δf 来决定。
　　
　　其主要性能指标为：
　　
　　工作频率：C 波段
　　
　　体制：LFMCW（线性调频连续波）
　　
　　测高范围：0?1500m
　　
　　距离分辨率：1m
　　
　　高度数据接口：RS422，9600 波特率
　　
　　该高度表属于收发天线分开、三角波调频、频谱前沿跟踪、恒定差拍式无线电高度表，其工作原理如图1 所示。

　　
　　图1 线性调频高度表工作原理图 上图中，三角波发生器输出信号的幅度是一个常数，而其斜率是控制电压的函数。在测 高过程中，通过测高回路自动校正，使调制信号的斜率随高度而变化，以保持差拍恒定。变 化规律是高度升高，斜率增大；高度降低，斜率减小。跟踪鉴频器判别差拍信号fb 是否进入 跟踪带内，如是则输出锁定信号。跟踪鉴频器的中心频率为225kHz，带宽仅为30kHz 左右， 使高度表有较高的抗噪声和抗干扰的能力。在没有跟踪锁定信号时，高度表进入搜索状态， 变化三角波的斜率，从最低高度到限制的最高高度周期地扫描，并根据跟踪鉴频器是否输出 锁定信号进行调整。当调制斜率对应飞行高度时跟踪鉴频器输出高电平，高度表环路锁定并 保持跟踪地面发射的信号。
　　
　　接收、发射天线选用微带集成平板天线，天线间距不小于1m，使收发隔离度大于70dB。 天线的3dB 带宽为300MHz，旁瓣电平不大于-12dB，驻波比S=2，效率η≈80，总尺寸不大于 15cm×15cm。
　　
　　收发组件采用自差结构，输出为零中频的差拍信号，其频率跟地面高度成正比。VCO 的 调制带宽最高可达200MHz，调制线性度优于1.2。组件的接收增益30dB，噪声系数3.5dB。 视放组件对差拍信号进行选频放大，总增益不低于80dB，增益控制范围不低于90dB。
　　
　　选频滤波器为定制的机械滤波器，中心频率225kHz，带宽30kHz。主放大器选用AD 公司的视 频放大器AD*，它内部集成了两个放大器模块，可以单独使用其中的任何一个或将两个级 联使用以提高增益和扩大动态范围，每个放大器模块的增益最大可达54.4dB，增益控制范围 48.4dB。[page]

　　3 信号处理组件
　　
　　3.1 硬件设计
　　
　　信号处理组件完成地面高度的搜索/跟踪、AGC、STC 等功能，其电路框图如图2 所示， 核心是1 片FPGA 和1 片MCU，通过软件算法实现大部分信号处理功能。

　　
　　图 2 信号处理组件电路框图
　　
　　地面高度的搜索/跟踪是FPGA 和MCU 根据锁定门限判决电路的输出状态，按一定算法改 变VCO 调制信号的频率，使差拍信号落入225kHz 的跟踪带内。在地面高度的搜索过程中，VGC 电压与高度的对数呈线性关系，从而实现STC（时间-灵敏度控制）功能。在地面高度的跟踪 过程中，VGC 电压受控于饱和门限判决电路的输出状态，饱和时减小VGC 电压，直到差拍信 号的强度低于饱和门限，降低地面回波强度对测高精度的影响，从而实现AGC（自动增益控 制）功能。
　　
　　FPGA 选用Xilinx 公司的XC2V500[4]，完成高速信号处理算法的运行，如VCO 调制信号 的产生、VGC 控制电压的生成、搜索/跟踪的控制等。外围的高速D/A 采用AD 公司的AD9754AR， 40MSPS 采样率，14 位分辨率，能满足VCO 调制信号对其线性度的要求。AD9754AR 采用差分 电流输出接口，以抑制共模干扰，通过运放将电流转换成电压输出。
　　
　　VGC 接口采用D/A 转换器和运放，来产生精密的VGC 电压，VGC 电压的输出范围为0?9V。 D/A 转换器选用并行12 位D/A 转换器AD7392AR，速度比较快。
　　
　　MCU 选用SST 公司的8 位单片机SST89V564RD[5]，64K Flash 编程空间，完成高度表状态 的控制、高度数据的校正/补偿等工作。RS422 接口采用MAXIM 公司的AD844E，全双工工作， 既可输出地面高度数据，也可通过该接口实现SST89V564RD 的在线编程和在线仿真。
　　
　　MCU 与FPGA 之间采用8 位的数据/地址复用总线接口，速度快，通过访问特定地址的寄 存器来实现逻辑控制和数据的读取。SST89V564RD 的工作电压为3.3V，可直接与FPGA 进行通 讯，不需进行电压转换。
　　
　　3.2 软件设计
　　
　　该高度表的软件设计包括两部分：一部分是FPGA 的编程，采用VHDL 语言编写；另一部 分是MCU 的编程，采用汇编语言编写。两部分软件共同实现高度表的搜索、跟踪等功能。
　　
　　a. 搜索算法
　　
　　当高度表的差拍信号未落入225kHz 的跟踪带内时，高度表进入搜索状态：通过改变调 制频率fm从低高度到高高度进行搜索。fm的值是离散的，满足fm=112.5kHz/n，n 为分频系数， n=1?1500（正整数）。
　　
　　采用了线性搜索算法，分频系数n 从小到大连续变化，使高度表从低到高，以距离分辨 率Δh=1.0m 为步长连续搜索，即fm=112.5kHz/n，n=1→1500。当差拍信号fb0=225kHz±15kHz 时，锁定门限输出高电平，高度表进入跟踪状态，由跟踪鉴频回路与地面组成闭环系统，伺服于高度的变化。
　　
　　b. 跟踪算法
　　
　　当高度表进入锁定状态时，由跟踪鉴频回路与地面组成闭环系统。由于线性调频信号的 特殊性，其谱线是离散的，当高度变化时，各个频率成分的信号都有，只是各个谱线的幅度 不同。在低高度上，由于跟踪带宽很窄（30kHz），调制频率变化量Δfm大于30kHz 时，造成 高度表失锁。另外，由于面目标的回波差拍信号的能量并不是集中在一根谱线上，而是多根 谱线或谱线带具有相同量级的回波能量，要使高度表能跟踪到最低谱线，即最低高度，要采 用具有频谱前沿跟踪能力的算法。
　　
　　我们设计了误差抖动跟踪算法，具有频谱前沿跟踪能力，其基本思路为：在当前跟踪高 度上产生一个误差搜索区域，在此区域内从低到高进行线性搜索，使高度表出现失锁→锁定 的状态变化，从而跟踪到最低高度。[page]

　　n 为当前高度所对应的分频系数，误差量Δn 取为5（对应的高度误差量为±5m），在（n- Δn）→（n+Δn）范围内从低到高进行搜索。如n 小于6，则从1→（n+Δn）进行搜索。如 该误差搜索区域内的最小n 值都能满足锁定条件，则以该最小n 值为当前n 值，再产生误差 搜索区域进行跟踪。如在整个误差搜索区域内都未出现锁定信号，高度表从跟踪状态转为搜 索状态。 误差抖动跟踪算法的流程图如图3 所示。

　　
　　图 3 误差抖动跟踪算法的流程图
　　
　　4 飞行试验
　　
　　该高度表采用动力滑翔机，进行了多个架次的飞行试验，飞行地貌有城市、田地、树林、 水面等，最高飞行高度超过1500m。试验过程中高度表性能稳定，数据完整，50m 以下高度的 测高精度可达1m。
　　
　　5 结束语
　　
　　本文介绍了一种新型调频连续波高度表，主要创新点在于：采用了FPGA/单片机的硬件 平台，通用性强，并具备现场软件升级能力；通过软件算法实现了高度搜索、高度跟踪、STC、 AGC 等功能，改变信号处理算法和控制软件能实现多种功能，满足更多应用场合的需要；采 用恒定差拍结构，抗干扰能力强,并具有频谱前沿跟踪能力；具有0?1500m 的大范围测高能 力，在低高度上具有1m 的测高精度。
　　
　　该高度表已用于某型无人机，创造经济效益50 万元。