一种基于FPGA/MCU结构的线性调频高度表

文章摘要：摘要：本文介绍了一种基于FPGA/MCU结构的线性调频高度表,采用通用的数字化平台和FPGA/单片机的结构,并用软件算法实现了高度搜索、高度跟踪、STC、AGC等功能,具有性能稳定、扩展性强、精度高、成本低等特点。主要内容包括高度表的工作原理、整机性能、组件设计和飞行试验,并着重介绍了信号处理组件的设计,如硬件电路结构、器件选型、软件算法等。飞行试验表明该高度表具有良好的测高能力和精度。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

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　　摘要：本文介绍了一种基于FPGA/MCU结构的线性调频高度表,采用通用的数字化平台和FPGA/单片机的结构,并用软件算法实现了高度搜索、高度跟踪、STC、AGC等功能,具有性能稳定、扩展性强、精度高、成本低等特点。主要内容包括高度表的工作原理、整机性能、组件设计和飞行试验,并着重介绍了信号处理组件的设计,如硬件电路结构、器件选型、软件算法等。飞行试验表明该高度表具有良好的测高能力和精度。

　　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。

　　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。

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