DME应答接收机系统设计

摘要：

应答接收机是通用航空测距机地面设备的核心，接收来自飞机的高斯脉冲对测量其与地面台之间的距离。接收机采用数字化、模块化的设计方法，按功能划分成不同的模块，以FPGA为核心进行设计。将设计分为接收机通道部分和后端信号处理部分两大模块，其中，接收机通道部分又分为射频处理、半幅检波等模块；后端信号处理部分又分为译码编码、莫尔斯识别脉冲生成、发射脉冲优先权控制等模块。经测试表明，电路性能稳定，工作可靠。

0 引言

距离测量设备(Distance Measuring Equipment，DME)是国际民航组织(ICAO)批准的标准导航系统[1]，由地面设备和机载设备两部分组成，为飞机提供相对于地面台的斜距[2]。

随着通用航空迅速的发展，天空中的飞行器会越来越多，这就对接收机的处理能力提出了更高的要求[3]。目前现有接收机采用模拟信号接收机，本设计充分利用FPGA的并行处理能力，大大提高了信号处理速度，提高了系统的容量。本次设计的数字接收机将在射频端完成数字化。

1 DME应答接收机系统设计

DME是一种询问回答式脉冲测距系统，距离是通过对无线电脉冲信号在飞机与地面信标之间往返时间的测量获得的[4]。DME测距系统简化组成如图1所示。

地面应答器接收机接收到机载询问器发射机发射来的询问脉冲信号，经过一个固定的延时后转发一个适当的回答信号[5]。该回答信号由机载设备接收，通过计算机载发射信号与接收信号之间的延时时间，得出飞机与地面台间的斜距，如式(1)所示。

式中：T为DME机载设备测量得到的发射和接收信号之间的时间间隔；T0为系统延时，即DME地面台内部的固定时延，一般为50 μs；C为电磁波传播速度，即光速。

针对DME应答器接收机的功能与特性，将其分为接收机通道和信号处理两个模块进行研究，应答接收机配置如图2所示。

2 接收机通道模块设计

接收机通道的作用从整体来说是接收发来的询问信号，进行判断处理，若为有效信号，则发送给信号处理板。接收机通道硬件组成如图3所示。

2.1 射频处理模块

预选器、射频放大器和第一混频器可以起到抑制发射频率信号、镜像频率信号和其他杂散信号、低噪声放大天线接收到的信号及转换接收频率为63 MHz中频的作用。

2.2 半幅度检测电路

半幅度检测电路是接收机通道的核心，主要包括：

(1)视频运算放大器：63 MHz检波输出与来自调制器的接收机禁止脉冲都送至视频运算放大器。

(2)峰值监测器：峰值监测器检测已被衰减一半的询问视频信号的峰值。

(3)触发比较器：当询问视频信号大于灵敏度门槛设置时，当询问视频信号大于自动增益降低控制电压时，当询问视频信号大于抗回波制约值时（制约值=直达波+3 dB），触发半幅检波“使能”信号。

2.3 询问触发产生电路

半幅度检测电路输出较宽的触发脉冲，经微分电路变成宽度为100 ns的脉冲，受鉴频器的控制，输出询问触发脉冲，送至信号处理作进一步的信号处理。

3 信号处理模块设计

信号处理器承担着系统所有信号的译码、编码、识别脉冲的生成、信号发射顺序等工作，它也是测距系统中重要的组成部分之一。

3.1 译码器

译码器受控制器的控制，有X—模式、Y—模式等二种译码时间的设置。信号处理译码器的逻辑原理关系示于图4。

3.2 主延时

主延时受控于控制器，根据两个监测器对应答延时的监测结果，求出应有的主延时量，主延时结束时产生应答触发脉冲。主延时原理方框图示如图5。

3.3 信号处理模块逻辑设计

译码编码、自动增益控制等模块是利用状态机转换进行编写的。状态机共分为4个状态：rev_s0、rev_s1、rev_s2、rev_s3，具体实现流程如图6所示。

其中，rev_s0为等待状态，当有询问脉冲到来时进入rev_s1状态。

在rev_s1状态下，判断是否为有效的询问脉冲，如果是有效的询问触发脉冲，则进入rev_s2状态。

在rev_s2状态下，判断应答脉冲是否发送完毕，如果发送完毕，则进入rev_s3状态。

在rev_s3状态下，判断静寂时间是否结束，如果静寂时间结束，则返回rev_s0的等待状态。

4 应答接收机功能仿真与测试

采用Xilinx ISE Design Suite 13.1自带仿真软件I-sim进行仿真[6]。

4.1 接收机通道功能仿真

A/D采样数据仿真（由十进制表示）如图7所示。

在上述仿真示意图中，系统时钟为50 MHz，A/D采样频率为20 MHz，A/D采样到的数据是经过MATLAB模拟出来以供仿真使用。

根据脉冲检测模块的工作原理，如果接收到的高斯脉冲对是有效的，而且半幅度值计算也正确，那么可以通过询问触发脉冲的检测确定该模块的正确性，询问触发脉冲的仿真如图8。

如上图所示，图中前两行为系统时钟和A/D采样时钟，第三行每一个阴影部分表示一组数据。因此，可以看到每两个数据组结束后，第五行将会生成一个询问触发脉冲，表示接收机通道模块的功能已经实现。

4.2 信号处理功能仿真

采用接收机通道生成的询问触发脉冲，对信号处理模块功能进行检验。首先，应答脉冲的生成仿真如图9所示。

如图9所示，第一行为询问触发脉冲，第二行为应答脉冲，二者之间有一个固定延时，用来进行距离测量。信号处理模块功能得以实现。

4.3 测试结果

首先，检测A/D能正常工作之后，对接收机通道模块的有效性进行验证，询问触发脉冲经示波器显示，当发送脉冲为符合半幅脉冲检测要求的高斯脉冲对时，测得实际接收到的询问触发脉冲宽度为12.2 μs，与12 μs的标准脉冲相差0.2 μs，符合要求。

信号处理模块接收到询问脉冲对，进行译码处理，并生成莫尔斯识别脉冲。通过示波器观察，测试结果如表1所示。

如上表所示，经过大量试验后，询问脉冲对与应答脉冲之间的固定延时最大为50.4 μs，与设置的50 μs标准延时相差最大0.4 μs，在误差范围内。因此，信号处理模块的译码功能得以实现。

莫尔斯脉冲的生成，是以1 MHz为时钟基准，分频产生1 350 Hz的脉冲方波，方波宽度为1 μs，1 350 Hz的脉冲方波作为MORSE码的点或划的调制输出脉冲，因此1 M/1 350=741 μs。根据表1统计，每两个脉冲之间最大间隔为744 μs，符合要求。

5 结论

本文对DME应答接收机的设计方法进行了研究，通过模拟飞机发送的高斯询问脉冲对应答接收机进行测试，从测试结果可以看出该接收机可以正常接收并生成应答脉冲，实测结果符合理论分析。此外，通过模拟畸变的询问脉冲对对接收机抑制回波、抗干扰等性能测试，从各个指标的测试结果来看，半幅检波的功能得以实现，且识别脉冲、随机脉冲、灵敏度控制等功能均满足系统设计要求。目前，本接收机已制成样机，投入调试使用。