СПОСОБ ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ DME
METHOD OF RECEIVING AND PROCESSING DME SIGNALS

Изобретение относится к технике связи, а именно к способу приема и обработки сигналов DME, и может быть использовано в радиотехнических системах ближней навигации и посадки для определения дальности между самолетом и приемоответчиком совместно со стандартной бортовой аппаратурой радиодальномерных систем DME/P и DME/N.
Всенаправленный дальномерный радиомаяк (англ. Distance Measuring Equipment, DME) - вид радионавигационной системы, обеспечивающей определение расстояния от наземной станции до воздушного судна, основанной на измерении длительности прохождения радиосигнала. Как на воздушном судне, так и на наземной станции для работы в системе DME установлены приемник и УВЧ-передатчик (ДМВ/UHF).
При определении расстояния до наземной станции передатчик на борту самолета излучает пару сигналов определенной длительности, с определенной задержкой. На наземной станции, которая на практике обычно совмещена с навигационной системой VOR, установлен ответчик, передающий ответный сигнал на предписанной частоте. Иногда также оборудование DME может быть размещено вместе с курсо-глиссадной системой (ILS) для определения расстояния до станции при заходе на посадку.
Сочетание дальномерного оборудования с азимутальным маяком (например, VOR) позволяет однозначно определить положение воздушного судна в пространстве.
В зарубежных и отечественных приемоответчиках DME/N используются супергетеродинные приемники. В качестве промежуточной частоты (ПЧ) обычно используется частота 63 МГц, что позволяет несколько упростить аппаратуру за счет одновременного использования одного синтезатора в качестве задающего генератора передатчика и в качестве гетеродина приемника.
Из уровня техники известен приемоответчик, который содержит последовательно соединенные приемопередающую антенну, антенный переключатель, двухканальный приемник, первый блок задержки, блок приоритета, первый шифратор и первый передатчик, первый дешифратор, выход которого подключен к второму входу первого блока задержки, последовательно соединенные второй дешифратор и второй блок задержки, последовательно соединенные третий дешифратор и третий блок задержки, а также последовательно соединенные второй шифратор и второй передатчик, причем входы первого, второго и третьего дешифраторов подключены к второму выходу двухканального приемника, выходы второго и третьего блоков задержки подключены к второму и третьему входам блока приоритета соответственно, выходы первого и второго передатчиков подключены к первому и второму входам антенного переключателя соответственно, а вход второго шифратора подключен к второму выходу блока приоритета (см. публикацию заявки RU 94020849 А, МПК G01S 13/74, опубл. 10.08.1996).
Из уровня техники также известен приемник, который содержит преобразователь частоты, полосовой усилитель, компенсирующий усилитель, линию задержки, линейный усилитель, фильтр, буферный усилитель, три компаратора, три ключа, дискриминатор каналов, измеритель уровня, устройство управления усилением. Измеритель уровня содержит усилитель, N - разрядный регулируемый усилитель, первый компаратор, формирователь управляющих сигналов, двоичный N-разрядный счетчик, N-1 цепей задержки, второй компаратор, триггер, дифференциатор, логический элемент И. Входной сигнал через преобразователь частоты и полосовой усилитель поступает параллельно на измеритель уровня и линию задержки. Измеритель уровня является линейным устройством быстродействующей автоматической регулировки усиления с отрицательной обратной связью и выдает информацию об амплитуде входного сигнала в двоичном коде, который через устройство управления подается на линейный усилитель, идентичный усилителю измерителя уровня, и изменяет усиление линейного усилителя до того, как на его вход поступит радиоимпульс с выхода линии задержки. Усиленный радиоимпульс промежуточной частоты с выхода линейного усилителя через фильтр и буферный усилитель поступает на первый компаратор, где без демодуляции фиксируется фронт радиоимпульса на уровне половины его амплитуды. Второй и третий компараторы фиксируют фронт радиоимпульса на уровнях 0,05 и 0,30 его амплитуды. Выходы компараторов соединены с выходами приемника через ключи, которые открываются дискриминатором каналов, если принимаемый сигнал соответствует заданной частоте. Применение линейного усилителя и трех компараторов, работающих без демодуляции радиоимпульсов, уменьшает погрешность фиксации фронта радиоимпульса, а обратная связь в измерителе и идентичность линейного и измерительного усилителей ослабляют воздействие дестабилизирующих факторов. Две петли обратной связи в измерителе уровня увеличивают динамический диапазон приемника (см. публикацию патента RU 2097922 С1, МПК Н04 В 1/10, G01S 7/285, опубл. 27.11.1997).
В вышеуказанных решениях избирательность по зеркальному каналу обеспечивается узкополосным преселектором (устройством для усиления сигнала приемника DME), поэтому преселектор выполняется перестраиваемым и должен настраиваться на конкретный частотный канал.
Недостатком вышеуказанных решений является использование таких преселекторов - они сложны в настройке, и, кроме того, приемоответчик уже при изготовлении должен настраиваться на конкретный частотный канал, т.е. «привязывается» к конкретному месту эксплуатации.
Кроме того, в известных решениях выходной сигнал смесителя поступает на узкополосный аналоговый фильтр, выделяющий видеосигнал, имеющий специальную форму «Гаусс», поступающий далее, чаще всего, на логарифмический детектор.
Недостатком этих решений является то, что на этот фильтр накладываются противоречивые требования. С одной стороны, его полоса должна быть достаточна широкой для того, чтобы пропустить видеосигнал без искажений и обеспечивать минимальное изменение группового времени задержки при изменении частоты входного сигнала. С другой стороны, полоса пропускания должна быть минимальной для обеспечения избирательности по соседнему каналу (в соответствии с ICAO разнос частот между каналами 1 МГц) и для подавления помех от других радиотехнических средств, которые могут быть на частотах, близких к рабочей частоте приемоответчика, так как после прохождения через детектор отделить полезный сигнал от помех будет невозможно. Обычно полоса пропускания фильтра ПЧ составляет ±500 кГц.
В приемниках с таким узкополосным фильтром, имеющим бесконечную импульсную характеристику, нет возможности получить стабильность группового времени задержки при изменении частоты входного сигнала, необходимую для обработки сигналов. Изменение группового времени задержки увеличивает ошибку измерения дальности. Это особенно важно в приемоответчиках DME/P, где требования по точности измерения очень жесткие.
Также, аналоговый детектор предполагает наличие низкочастотного фильтра, который вносит, в той или иной степени, искажения в форму видеоимпульса, т.е. дает дополнительную погрешность в измерение положения фронта.
Технической задачей настоящего изобретения является создание такого способа приема и обработки сигналов DME, который свободен от вышеуказанных недостатков.
Поставленная задача решается предлагаемым способом приема и обработки сигналов DME, согласно которому принимают и оцифровывают сигнал DME, сдвигают частоту принятого сигнала на величину смещения ПЧ в соответствующей зоне Найквиста и разделяют на квадратуру путем умножения оцифрованного сигнала на сигнал квадратурного генератора; фильтруют и децимируют на 2 умноженный сигнал, а затем полученный в результате фильтрации и децимации видеосигнал переносят на промежуточную частоту; фильтруют видеосигнал промежуточной частоты; определяют временное положение фронта видеоимпульса по уровню половины амплитуды видеосигнала промежуточной частоты; выполняют подавление сигналов нерабочих зон Найквиста путем фильтрации и децимации на 5 и переносят полученный сигнал на частоту обработки, равную 10 МГц; фильтруют узкополосным фильтром низкой частоты видеосигнал, перенесенный на частоту обработки; формируют сигнал обнаружения путем сравнения модуля импульса обнаружения с выхода упомянутого узкополосного фильтра низкой частоты с видеосигналом промежуточной частоты, причем сигнал обнаружения разрешает прохождение видеоимпульса для последующего декодирования.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является улучшение отношения сигнал/шум на выходе детектора.
Еще одним техническим результатом предлагаемого способа является обеспечение возможности получения стабильного группового времени задержки при изменении частоты входного сигнала.
Также, еще одним техническим результатом предлагаемого изобретения является предотвращение внесения аналоговым детектором искажений в форму видеоимпульсов и уменьшение погрешности при измерении положения фронта видеоимпульса.
Указанные технические результаты достигаются предлагаемым способом приема и обработки сигналов DME, в соответствии с которым принимают и оцифровывают сигнал DME, сдвигают частоту принятого сигнала на величину смещения ПЧ в соответствующей зоне Найквиста и разделяют на квадратуру путем умножения оцифрованного сигнала на сигнал квадратурного генератора; фильтруют и децимируют на 2 умноженный сигнал, а затем полученный в результате фильтрации и децимации видеосигнал переносят на промежуточную частоту; фильтруют видеосигнал промежуточной частоты; определяют временное положение фронта видеоимпульса по уровню половины амплитуды видеосигнала промежуточной частоты; выполняют подавление сигналов нерабочих зон Найквиста путем фильтрации и децимации на 5 и переносят полученный сигнал на частоту обработки, равную 10 МГц; фильтруют узкополосным фильтром низкой частоты видеосигнал, перенесенный на частоту обработки; формируют сигнал обнаружения путем сравнения модуля импульса обнаружения с выхода упомянутого узкополосного фильтра низкой частоты с видеосигналом промежуточной частоты, причем сигнал обнаружения разрешает прохождение видеоимпульса для последующего декодирования.
Согласно настоящему изобретению в качестве ПЧ выбирается более высокая частота, чем указанная выше. Например, выбирается частота 180 МГц. В этом случае зеркальная частота отнесена от рабочей частоты канала на 360 МГц. Поэтому избирательность по зеркальному каналу может обеспечить неперестраиваемый широкополосный преселектор. Он имеет полосу частот, согласованную с приемным частотным диапазоном DME (1025…1150) МГц.
Предлагаемый способ приема и обработки сигналов DME не требует подстройки аппаратуры на какой-либо конкретный частотный канал, смена частотного канала достигается программно перестройкой синтезатора гетеродина.
Усилитель ПЧ выполняется линейным. Его выходные сигналы с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), работающего с сигналами ПЧ, преобразуются в цифровую форму. Частота преобразования, например, равная 100 МГц, ниже, чем промежуточная частота, т.е. происходит дискретизация на гармониках. В данном случае дискретизация сигнала, ограниченного четвертой зоной Найквиста.
В связи с вышеизложенным фильтр ПЧ можно выполнить широкополосным. Его задача - фильтрация помех и шума в нерабочих зонах Найквиста. Его полоса пропускания в этом случае может быть увеличена до ±(3…5) МГц. Следовательно, в фильтре ПЧ решается проблема стабилизации группового времени задержки при изменении частоты входного сигнала (в соответствии с ICAO допустимое изменение частоты ±100 кГц).
Обеспечение избирательности по соседнему каналу обеспечивается с помощью узкополосных цифровых фильтров с конечной импульсной характеристикой (CIC, FIR). Для фильтров такого типа характерно постоянство времени групповой задержки.
Детектирование видеосигнала типа «Гаусс» выполняется так же в цифровом виде. Оно выполняется путем умножения сигнала на квадратуру промежуточной частоты с последующей фильтрацией высших гармоник и вычислением модуля. Такой способ дает линейное детектирование, не искажающее форму сигнала, т.е. не вносит погрешности в определение положения фронта импульса и не ухудшает точность приемоответчика.
Рассмотрим реализацию данного способа на примере двухканального приемника.
В связи с тем, что по требованиям Международной организации гражданской авиации (ICAO) динамический диапазон приемника должен быть не менее 81 дБ, а современные быстродействующие АЦП его не обеспечивают, то приемник выполнен двухканальным.
После фильтрации и усиления сигнал промежуточной частоты делится на два канала, при этом в первом канале сигнал дополнительно усиливается, а во втором - ослабляется, разбивая на два поддиапазона динамический диапазон входного сигнала: минус (5…45) дБм и минус (45…95) дБм.
В каждом из каналов включены 16-ти битный АЦП с частотой квантования 100 МГц. Обработка цифровой информации выполняется программируемой логической интегральной схемой (ПЛИС) семейства Cyclone III фирмы Altera. В данной ПЛИС встроен процессор, выполняющий следующие основные функции: программирование синтезатора на частоту канала и выполнение функций контроля.
Основные характеристики приемника:
- динамический диапазон не менее 90 дБ;
- чувствительность не хуже минус 95 дБм;
- подавление зеркального канала не менее 85 дБ;
- подавление соседнего канала не менее 95 дБ;
- отклонение задержки (мат.ожидание) не более 5 нс;
- отклонение задержки до уровня минус 70 дБм (3σ) не более 60 нс.
Заявленный способ приема и обработки сигналов DME осуществляется следующим образом.
Значения частот приведены для конкретной реализации приемника с ПЧ, равной 180 МГц, и частотой дискретизации сигнала ПЧ, равной 100 МГц.
1. Принимают и осуществляют сдвиг частоты принятого входного сигнала на 20 МГц (на нулевую частоту) и разделение на квадратуру. Выполняется умножением выходного сигнала АЦП на выходные сигналы квадратурного генератора sin(ωt) cos(ωt) частотой 20 МГц.
2. С помощью фильтра CIC 2 производится фильтрация и децимация на 2. Выполняется подавление зеркальной частоты 40 МГц и сигналов второй зоны Найквиста для частоты квантования f=50 МГц и переход на частоту обработки 50 МГц.
3. Фильтрация с помощью FIR 104 - основная фильтрация видеосигнала. В качестве фильтра реализован фильтр низкой частоты Чебышева 104-го порядка с конечной импульсной характеристикой. Фильтр работает на тактовой частоте 50 МГц.
4. Определение временного положения фронта видеоимпульса обеспечивается с помощью схемы «привязки» по уровню половины амплитуды. Эта схема известна под названием DAC-триггера.
5. С помощью фильтра CIC 5 производится фильтрация и децимация на 5. Выполняется подавление сигналов нерабочих зон Найквиста для частоты квантования f=10 МГц и переход на частоту обработки 10 МГц.
6. Фильтрация с помощью FIR 52 - выделение сигнала для схемы обнаружения. В качестве фильтра реализован фильтр низкой частоты Чебышева 52-го порядка с конечной импульсной характеристикой. Фильтр работает на тактовой частоте 10 МГц.
7. Формирование сигнала обнаружения производится сравнением модуля импульса обнаружения с выхода узкополосных фильтров FIR 52 с уровнем модуля входного сигнала (от CIC 2).
8. Сигнал обнаружения разрешает прохождение видеоимпульса далее на схему декодирования.
После декодирования пары запросных импульсов производится выбор сигнала одного из 2-х каналов в зависимости от амплитуды входного сигнала.