CN201191184Y - 一种数字无线电高度表 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种数字无线电高度表。该高度表包括接收模块、发射模块、数字信号处理模块，其中数字信号处理模块包括A/D变换器、可编程逻辑器件FPGA、高速DSP芯片和RS422、RS232数据接口芯片，A/D变换器对接收模块输入的中频信号进行采样，变为数字中频信号，送入可编程逻辑器件FPGA，该可编程逻辑器件FPGA与DSP芯片配合完成数字正交下变频、载波和调制码的捕获跟踪，并将接收到的伪随机码与本地码的相位差进行比较，求得发射的调制码传播的延迟时间，计算出高度值，通过RS422、RS232数据接口芯片输出。本实用新型具有测量范围大，测试精度高的优点，可用于对运动目标距离地面的高度测量。

Description

一种数字无线电高度表

技术领域

本实用新型属于电子技术领域，具体地说是一种无线数字电高度表，可用于测量运动目标距离地面的高度。

背景技术

目前的无线电高度表主要有两大体制类，一是脉冲体制，二是调频连续波体制。其中：

脉冲体制高度表是通过一个毫微秒的高压脉冲，调制腔体振荡器，产生大功率射频脉冲，通过发射天线向地面辐射，从地面反射的回波信号通过接收天线进入接收机，经过接收机内的混频器、放大器、检波器后，比较发射脉冲和接收脉冲的延迟，从而计算出相对地面的高度。该脉冲体制高度表由于采用采用了脉冲体制，因而具有测距范围大，增加量程容易的优点，但是这种脉冲体制高度表的缺点是发射功率大，测量范围小，如果要增大测量范围，则需要进一步增大发射功率，必然导致脉冲体制高度表的体积大、重量重。例如，国内长岭机器厂生产的265无线电高度表，发射功率为：47dBm～50dBm，外形尺寸为：190mmX150mmX96mm，重量为3.5kg。

调频连续波高度表是用三角波、锯齿波或正弦波等形式的调制信号加在压控振荡器上，产生频率范围变化很大、与调制信号变化规律相同的高频发射信号，通过发射天线向地面辐射，从地面反射的回波信号通过接收天线进入接收机，与发射信号的一部分能量混频，输出包含高度信息的差频信号。目前比较完善的调频连续波高度表是一种称为恒定差拍体制调频连续波高度表。例如，法国汤姆逊公司的AHV-8、AHV-16高度表和国内782厂生产的272高空无线电高度表等，均是通过连续改变调制信号的斜率而维持混频后差拍信号的频率不变的，此类高度表的主要优点是采用连续波体制，对一定的测高范围，需要的发射功率比脉冲体制高度表小，但是此类高度表的不足是：测高范围受天线隔离度的限制，测高精度受压控振荡器的线性、最大频偏的影响，要达到很高的测量精度，则需要具备线性校准和频偏控制等电路，因此连续波高度表也不能作到具备很小的体积和重量。如AHV-16高度表，其发射功率为70mW，外形尺寸为91mm×95mm×237mm，重量为2kg。

同时由于上述的这两类高度表普遍采用模拟工作方式，其中的电阻、电容、三极管、运算放大器等分离器件数量很多，不仅造成设备本身体积大，重量重，测量精度低，而且也很难与其他系统集成综合。

实用新型的内容

本实用新型的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种数字无线电高度表，以减少高度表的体积、重量、功耗，提高测高精度。

为实现上述目的，本实用新型高度表包括：接收模块、发射模块、数字信号处理模块，其中数字信号处理模块产生伪随机码和两路时钟，该伪随机码和一路时钟输入给发射模块，另一路时钟输入给接收模块；数字信号处理模块输出处理数据。

所述的信号处理模块包括：A/D变换器、可编程逻辑器件FPGA、高速DSP芯片和RS422、RS232数据接口芯片，A/D变换器对接收模块输入的中频信号进行采样，变为数字中频信号，送入可编程逻辑器件FPGA，该可编程逻辑器件FPGA与DSP芯片配合完成数字正交下变频、载波和调制码的捕获跟踪及数据处理，并通过RS422、RS232数据接口芯片输出处理数据。

所述的可编程逻辑器件FPGA内设有两路伪码产生器、两路数字压控振荡器、数字正交下变频器及科斯塔斯环，第一路伪码产生器产生的调制码输入给发射模块，第二路伪码产生器产生的伪随机码作为跟踪的本地码；第一路数字压控振荡器作为数字正交下变频器的本振，即载波NCO1，第二路数字压控振荡器作为调制码捕获跟踪环中码片的时钟，即码NCO2。

所述的信号处理模块进一步包括两路D/A转换器，第一路D/A转换器与发射模块连接用作功率控制，第二路D/A转换器与接收模块连接用作自动增益AGC控制。

所述的FPGA与DSP相互配合将接收到的伪随机码与本地码的相位差进行比较，求得发射的调制码传播的延迟时间，即将接收的伪随机码延迟时间规划在一个码元宽度内，获得一个粗略的时延t₀＝τ₀*n，其中τ₀为码元宽度，n为粗测的延迟码元数；再通过数字压控振荡器移相获得一个码元宽度内的时延Δτ，计算出高度值。

本实用新型具有如下优点：

(1)由于采用数字信号处理，避免了大量的模拟分离器件，减小设备体积，降低设备重量。

(2)由于采用伪码侧距技术，具有较高处理增益，可以降低发射功率，而发射功率的降低大大减小了收、发天线间耦合信号的干扰，提高了无线电高度表的测高范围。

(3)由于在接收信号与发送信号相关获取时延的处理中，采用将接收到的伪随机码与本地码的相位差进行比较，求得发射的调制码传播的延迟时间，提高了测量精度，即通过调整改变码时钟NCO2的相位，使精度能做到0.01码片宽度，对应距离为0.15米。

附图说明

图1是本实用新型的结构框图；

图2是本实用新型的发射模块结构框图；

图3是本实用新型的接收模块结构框图；

图4是本实用新型的信号处理模块结构框图。

具体实施方式

参照图1，本实用新型主要由接收模块、接收天线、发射模块、功率放大器、发射天线、信号处理模块、电源模块组成。接收天线通过馈线与接收模块输入端口相连接，接收模块的输出端口与信号处理模块相连接；发射天线通过馈线与功率放大器的输出端口相连接，功率放大器的输入端口与发射模块的输出端口相连接，发射模块的调制端口与信号处理模块调制输出端口相连接，发射模块和接收模块的时钟分别与信号处理模块的时钟相连接，各模块通过电源模块供电。

参照图2，本实用新型的接收模块，主要由低噪声放大器、混频器、中频放大器、增益控制电路、锁相环、压控振荡器VCO组成。该模块用于对接收天线接收的地面反射信号进行混频，输出中频信号送给数字信号处理模块进行处理。

参照图3，本实用新型的发射模块，主要由压控振荡器、锁相环、调制器、缓冲放大器或衰溅器、功率放大器组成。缓冲放大器或衰溅器作为功率控制，整个发射模块用于对数字信号处理模块输入的调制码进行相位调制，输出射频信号，通过发射天线发射。

参照图4，本实用新型的信号处理模块，主要由A/D变换器、可编程逻辑器件FPGA、时钟电路、高速DSP芯片和RS422、RS232数据接口芯片及两路D/A转换器组成，该模块分别与发射模块和接收模块相连接。所述的可编程逻辑器件FPGA内设有两路伪码产生器、两路数字压控振荡器、数字正交下变频器及科斯塔斯环，第一路伪码产生器产生的调制码输入给发射模块，第二路伪码产生器产生的伪随机码作为跟踪的本地码；第一路数字压控振荡器作为数字正交下变频器的本振，即载波NCO1，第二路数字压控振荡器作为调制码捕获跟踪环中码片的时钟，即码NCO2。该数字压控振荡器的频率由DSP芯片设置。所述的两路D/A转换器的其中一路与发射模块连接用作功率控制，另一路D/A转换器与接收模块连接用作自动增益AGC控制。所述的高速DSP芯片内固化有信号处理软件。整个信号处理模块用于产生调制码、时钟、功率控制信号和AGC控制信号，完成接收信号与发送信号相关获取时延的处理，并通过RS422、RS232数据接口芯片输出处理数据。

本实用新型的工作原理是：发射模块的时钟输入信号通过锁相环将压控振荡器VCO的频率锁定，作为本振信号输送到调制器，并通过信号处理模块输入的调制信号对该本振信号进行BPSK调制后，送入缓冲放大器，在功率控制信号的作用下输出大小可变的射频信号，经功率放大器放大后，通过发射天线辐射出去。接收模块的时钟信号通过锁相环将压控振荡器的频率锁定作为接收本振信号，从接收天线输入的地面回波信号通过低噪声放大后与接收本振混频，输出中频信号，在AGC控制信号作用下经中频放大器放大后输送给数字信号处理模块。信号处理模块的A/D变换器对接收模块输入的中频信号进行采样，变为数字中频信号，送入可编程逻辑器件FPGA，该可编程逻辑器件FPGA与DSP芯片配合将送入可编程逻辑器件FPGA中的数字中频信号与数字压控振荡器产生的本振信号NCO1进行混频，得到数字正交下变频信号，该下变频信号送入到载波和调制码的捕获跟踪环。载波和调制码的捕获跟踪环将接收到的数字正交下变频信号分为I、Q两个支路分别与本地产生的超前伪随机码、即时伪随机码、滞后伪随机码进行相关运算，即将I、Q两个支路先与超前伪随机码进行点乘运算并求模，再将I、Q两个支路与即时伪随机码进行点乘运算并求模，最后将I、Q两个支路与滞后伪随机码进行点乘运算并求模，根据该三路模值的大小调整本地码移动的方向，使即时伪随机码相关模值最大，再调整本振信号的频率和相位，最终达到载波频率差和载波相位差为零，完成载波和调制码的捕获跟踪。之后FPGA与DSP芯片再将接收到的伪随机码与本地码进行相位比较，即通过粗测和精测两步进行，该粗测是将接收的伪随机码延迟时间规划在一个码元宽度内，获得一个粗略的时延t₀＝τ₀*n，其中τ₀为码元宽度，n为粗测的延迟码元数；该精测是通过数字压控振荡器移相获得一个码元宽度内的时延Δτ，比较后由公式t＝t₀+Δτ，求得发射的调制码传播的延迟时间t，利用该延迟时间通过公式：

$R=C*\frac{t}{2}$ 计算出高度值。

Claims (5)

1.一种数据无线电高度表，包括接收模块、发射模块、数字信号处理模块，其特征在于数字信号处理模块产生伪随机码和两路时钟，该伪随机码和一路时钟输入给发射模块，另一路时钟输入给接收模块；数字信号处理模块输出处理数据。

2.根据权利要求1所述的数据无线电高度表，其特征在于信号处理模块包括A/D变换器、可编程逻辑器件FPGA、高速DSP芯片和RS422、RS232数据接口芯片，A/D变换器对接收模块输入的中频信号进行采样，变为数字中频信号，送入可编程逻辑器件FPGA，该可编程逻辑器件FPGA与DSP芯片配合完成数字正交下变频、载波和调制码的捕获跟踪及数据处理，并通过RS422、RS232数据接口芯片输出处理数据。

3.根据权利要求1所述的数据无线电高度表，其特征在于信号处理模块进一步包括两路D/A转换器，第一路D/A转换器与发射模块连接用作功率控制，第二路D/A转换器与接收模块连接用作自动增益AGC控制。

4.根据权利要求2所述的数据无线电高度表，其特征在于可编程逻辑器件FPGA内设有两路伪码产生器、两路数字压控振荡器、数字正交下变频器及制码捕获跟踪环，第一路伪码产生器产生的调制码输入给发射模块，第二路伪码产生器产生的伪随机码作为跟踪的本地码；第一路数字压控振荡器作为数字正交下变频器的本振，即载波NCO1，第二路数字压控振荡器作为调制码捕获跟踪环中码片的时钟，即码NCO2。

5.根据权利要求2所述的数据无线电高度表，其特征在于FPGA与DSP芯片配合完成的数字正交下变频信号，传输到载波和调制码的捕获跟踪环。

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