SOC在線性調(diào)頻連續(xù)波高度表中的應用

孟慶虎， 陶青長， 梁志恒， 王 濤

（1.凱邁（洛陽）測控有限公司，河南 洛陽471009；2.清華大學精密儀器與機械學系；3.清華大學精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室，北京100084）

0 引言

無線電高度表主要用于精確測量飛行器與地面或海面的相對高度，在飛行器的自動著陸、自動導航、地形匹配等領(lǐng)域得到廣泛應用［1］。線性調(diào)頻高度表是無線電高度表中的一種，主要適合應用于1 500m 以下高度時的測量。隨著FPGA 集成度和工藝技術(shù)的發(fā)展以及IP 核的不斷豐富，使用XILINX FPGA 提供的CPU 軟核Micro Blaze和PLB總線搭建線性調(diào)頻連續(xù)波高度表專用的數(shù)字信號處理SOC，可以將整個系統(tǒng)包括微處理器Micro Blaze、片上總線PLB、片內(nèi)存儲、信號處理和I／O 外圍設(shè)備等集成到一片F(xiàn)PGA 中，實現(xiàn)軟硬件的高度協(xié)同工作［2］。

在高度表設(shè)計和實現(xiàn)中采用SOC，可以減少PCB的面積，具有集成度高、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單和靈活性強等優(yōu)勢，從而提高了整個系統(tǒng)的可靠性。

1 線性調(diào)頻連續(xù)波高度表原理

1.1 線性調(diào)頻連續(xù)波高度表工作原理

線性調(diào)頻連續(xù)波高度表使用鋸齒波調(diào)制發(fā)射頻率，發(fā)射信號的帶寬和周期寬度在測高范圍內(nèi)恒定，根據(jù)發(fā)射信號與接收信號的差頻變化提取高度信息［3］。鋸齒波調(diào)頻的超高頻信號，由發(fā)射單元通過發(fā)射天線向地面發(fā)射，同時，部分發(fā)射信號經(jīng)功率分配器進入接收單元中的混頻器，并與從地面反射回來的接收信號混頻后濾波，得到差頻信號。鋸齒波調(diào)頻連續(xù)波高度表工作原理如圖1所示。

圖1 調(diào)頻連續(xù)波無線電高度表波形圖

在圖中，發(fā)射信號如實線所示，調(diào)頻周期為T，調(diào)頻帶寬為B，接收信號如虛線所示，接收信號與發(fā)射信號延遲時間為τ，頻差為fb。

由于τ為高頻信號經(jīng)歷的時間，則

式中：C 為光速；H 為測量高度，由實際高度H0和固定的剩余高度HT組成：

如圖1所示，根據(jù)比例關(guān)系，有

本系統(tǒng)采用恒定差頻調(diào)頻等幅式方法進行測高，通過鋸齒波調(diào)制VCO 頻率步進。在測高過程中，通過調(diào)整頻率步進時間T，改變頻率步進斜率，使調(diào)制信號的斜率隨高度而變化，保持差頻輸出在固定值fb處。變化規(guī)律是高度升高，斜率增大；高度降低，斜率減小。由于差拍頻固定，中頻放大器帶寬可以做得很窄，增益較大，其靈敏度遠比傳統(tǒng)的模擬調(diào)頻連續(xù)波雷達高度表要高。而且，由于帶寬較窄，抗干擾性能較好。

本系統(tǒng)中頻帶寬為10kHz。當高度表混頻后的差拍信號未落入10kHz 的中頻跟蹤帶內(nèi)時，高度表進入搜索狀態(tài)，通過改變調(diào)制頻率的步進時間T，以改變頻率步進斜率，使得高度表能夠在不同高度上搜索，當差拍信號fb＝25kHz±5 kHz落入中頻帶寬內(nèi)時，高度表進入跟蹤狀態(tài)，通過微調(diào)頻率步進時間T，使得拍頻fb始終輸出為25kHz。

此時，可通過頻率步進時間T 推導出延遲時間τ 并精確計算出飛行器高度。由于拍頻的測量影響到測高的精度，所以使用CZT 精細測頻方法可提高測頻精度，已達到提高測高精度的目的。

1.2 CZT精細測頻方法

傳統(tǒng)的頻譜分析方法一般采用快速傅里葉變換（FFT）算法，首先將信號數(shù)字化，然后對信號做FFT 得到頻譜圖，在此基礎(chǔ)上進行離散頻譜分析；然而，采用經(jīng)典的FFT 法測頻，不可避免會出現(xiàn)“柵欄效應”，使得分析精度受到極大的限制，導致高度表在近距離時測量的相對誤差較大。

CZT 突破了DFT 的局限性，可以在Z 平面單位圓上取一個自定義的弧段，只在該弧段上進行序列Z變換的均勻采樣，而且采樣間隔也可以自由確定。

如果所取弧段對應于待細化的中頻窄帶，則CZT 就是窄帶中各頻率點處的頻率值。因此，CZT 應用于窄帶高分辨率的計算，是一種經(jīng)典的頻域細化、提高測頻精度的辦法［4，5］。

對x（n）（0≤n≤N-1）的CZT 定義式為

2 SOC 在調(diào)頻連續(xù)波高度表中的實現(xiàn)

本高度表設(shè)備選用XLINX 的Vritex-6 LX130TFPGA 構(gòu)建SOC，使用HDL 實現(xiàn)SOC的CPU 和功能外設(shè)。CPU 和外設(shè)都掛接在PLB總線上，通過軟硬件的協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)搜索、跟蹤和通信等功能。設(shè)備的系統(tǒng)框圖，如圖2所示。

圖2 調(diào)頻連續(xù)波高度表系統(tǒng)框圖

2.1 SOC模塊功能介紹

該調(diào)頻連續(xù)波高度表由三部分組成，分別為射頻收發(fā)單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元和SOC，具體功能如下：

a）射頻收發(fā)單元負責調(diào)頻連續(xù)波信號的發(fā)射和接收，并將接收信號和發(fā)射信號混頻，得到差拍信號輸出給數(shù)模轉(zhuǎn)換單元；

b）數(shù)模轉(zhuǎn)換單元將差拍信號數(shù)字化后發(fā)送給基于FPGA 的SOC，由SOC 完成后續(xù)信號處理功能；

c）SOC 主要負責控制VCO 的頻率步進斜率、測頻、測高和對外通信等功能。

下面主要對SOC 中各個模塊的功能進行介紹：

a）CZT transform 模塊由HDL 實現(xiàn)，主要對差拍信號測頻，當差拍信號落入中頻信號帶寬內(nèi)時，CZT transform 模塊可精確測量出頻率值；

b）CZT ctrl負責CZT transform 和PLB 總線間的通信，當有差拍信號落入中頻帶寬內(nèi)時，CZT transform 通知CZT ctrl產(chǎn)生中斷到Micro Blazer CPU，使得CPU 知道當前捕獲到差拍信號，可微調(diào)頻率步進斜率進行跟蹤模式；

c）DAC step ctrl模塊通過DAC 控制VCO的頻率步進斜率以及對CZT transform 模塊提供定時信號；

d）CAN ctrl模塊實現(xiàn)與外部CAN 總線以CAN 2.0協(xié)議進行通信；

e）INTR ctrl 和time 負 責 Micro Blazer CPU 的中斷控制和時序控制；

f）Micro Blazer是XILINX 開發(fā)的32 位精簡指令集CPU 軟核，最高頻率可到150 MHz，Micro Blazer掛接在PLB 總線上，負責對總線上功能外設(shè)的控制和響應，完成調(diào)頻連續(xù)波高度表的搜索和跟蹤任務以及外部通信等功能。

2.2 軟件設(shè)計

調(diào)頻連續(xù)波高度表的軟件在Micro Blazer中運行，使用C 語言編程，主要完成搜索模式和跟蹤模式的控制：當CPU 沒有收到來自CZT ctrl模塊的測頻中斷時，高度表在搜索模式運行，CPU 周期改變DAC step ctrl的頻率步進斜率參數(shù)K，完成在各個高度搜索的任務；當CPU 收到測頻中斷時，確認三次后進入跟蹤模式，通過微調(diào)DAC step ctrl的頻率步進斜率參數(shù)K，使得拍頻恒定輸出在25kHz。此時，CPU 計算飛行器的高度，并輸出到CAN 總線上。整個軟件的工作流程，如圖3所示。

圖3 軟件流程圖

3 結(jié)束語

調(diào)頻連續(xù)波高度表使用FPGA 實現(xiàn)軟硬件協(xié)調(diào)工作的數(shù)字化平臺SOC，完成高度表精確測高功能。采用此種設(shè)計的高度表引入了SOC 技術(shù)的諸多優(yōu)點，提高了整個系統(tǒng)的測量精度和可靠性。

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