数字信号处理(论文)

基于多径效应微波着陆系统的数字信号处理方法1摘要为分析和评估多路径效应对微波着陆系统（MLS）测角误差影响，提出了一种有效降低多径条件下机载接收机的测角误差的数字信号处理方法。该方法依据几何光学和几何绕射理论在获得多径信号与直达信号电压比的基础上，通过射线寻迹计算多径直达信号相位差，而后对叠加包络的角度误差方向图分解为波束内和波束外多路径误差进行研究，实现角度误差数字仿真。利用该方法对某机场典型环境的多路径问题进行了数字仿真。并将仿真结果与经典模型进行了对比，验证了其可行性。关键词:多径效应微波着陆系统数字信号处理测角误差上海理工大学研究生课程（数字信号处理）论文2ABSTRACTInordertoanalyzeandcomputethemulti-patheffectsonangleerrorofmicrowavelandingsystem(MLS),bringsforwardadigitalsignalprocessingmethodthatcaneffectivelyreducetheanglemeasuringerrorofairbornereceiverunderthemulti-pathcondition.Inthenewmethod,throughthegeometricopticalandgeometricdiffractiontheory,thesignallevelratioofmulti·pathsignalrelativetodirectsignalcanbeeffectivelyacquired.Andthroughray-tracingtheory,thephasedisplacementcanbecomputedtoachievetheangleerrorpattern.Throughthesimulation,theangleerrorpatternisdividedintoin-beamregionandout-of-beamregions.Itisfoundthatthein-beamerroriskeypointofangleerror.Thenewmethodisappliedtosimulatethemulti-pathscenarioinanairport.Andtheresultsarecomparedwithresultsoftheexperiencemethodstovalidateitsfeasibility.KeyWords:multi-patheffect,microwavelandingsystem,digitalsignalprocessing,anglemeasuringerror基于多径效应微波着陆系统的数字信号处理方法3目录中文摘要ABSTRACT第一章绪论......................................................4第二章测角原理及多径误差分析......................................52.1测角原理.....................................................52.2多径误差分析.................................................5第三章中频数字信号处理的设计......................................73.1带通滤波器的设计.............................................73.1.1切比雪夫型滤波器的特点...................................73.1.2切比雪夫型滤波器的设计...................................73.2波束包络滤波器的设计.........................................8第四章多径信号的处理.............................................10第五章实验验证...................................................12第六章结束语.....................................................16参考文献...........................................................17上海理工大学研究生课程（数字信号处理）论文4第一章绪论微波着陆系统(MLS,microwavelandingsystem)作为新一代飞机精密引导着陆系统，为等待着陆的飞机提供方位、仰角和距离信息，是一种工作在C波段的机上导出引导数据的自主式进场着陆系统，其引导精度是飞机安全着陆的关键因素。然而系统在工作过程中，由于附近障碍物(如机棚、建筑物、大型飞机等)对电磁波的散射作用，会产生多路径效应。尤其当表面比较光滑时，多路径效应比较严重，使得机上接收到的微波信号发生变形，解算出的位置信息偏离实际飞机位置，降低了系统引导精度。另外，MLS系统对多路径干扰的影响比对现在正使用的仪表着陆系统(ILS,instrumentlandingsystem)更为敏感。原因有两方面：一是MLS为满足提供多条进场航道的需求，可容忍的误差余量小，而ILS允许的误差余量可以达到航道宽度的33.33％；二是MLS的工作频率高，较小的散射体从电波长方面讲就是较大的散射体。类似于静止或移动的车辆、飞机等这类障碍物的多径散射在ILS的工作频率内是表现不出来的，而在MLS的频率范围内产生的影响就很明显了。再者，现阶段对MLS多路径效应影响的评估方法存在诸多不足之处：设备安装和试验过程都需要很长时间，花费巨大。且仅能向已有场地提供有关MLS状况的信息等。这样，就引发了对场地环境多路径效应的数字仿真研究。20世纪，国际民航组织(ICAO,internationalcivilaviationorganization)推荐并使用了由Mathias等人建立的MLS多路径误差模型。该模型以经验数据为基础，将接收包络3dB门限误差近似为直达信号对主瓣宽度扫描时间的商。这一假定对于在合理的计算时间内确定多路径误差是必要的，但忽略了多路径效应引起的3dB门限的前后沿测量误差。为更清楚地研究评估多路径效应对MLS系统的引导误差影响，文中给出了多路径效应存在的条件下，有效确定MLS性能好坏的数值仿真方法。该方法的理论基础是反射模型的GO理论和绕射模型的GTD理论以及散射点搜索的射线寻迹理论。为验证该模型的可行性，对某机场的典型场景进行了数字仿真，并将仿真结果与Mathias结果进行对比分析。结果表明，该模型能更为真实地反映机场实际环境对测角误差的影响，且计算时间和费用也不大，适合于现代计算机系统。基于多径效应微波着陆系统的数字信号处理方法5第二章测角原理及多径误差分析2.1测角原理MLS系统是在方位角和仰角扇区内用2个窄波束以匀速v分别进行左右和上下“往”和“返”扫描，当处于某个角位置θ的飞机检测到该扫描信号时，测量连续2次扫描波束峰值间的时间差，完成角度测量，如图2-1所示。图2-1MLS角度时间间隔测量方法2.2多径误差分析由于MLS采用相控阵天线波束扫描，其障碍物的多径测角误差可分为2个重要的区域，即波束内区域(分离角1.7)和波束外区域（分离角分离角1.7）。波束外区域误差接收机可通过时间闸门跟踪技术得到抑制。波束内区域多路径干扰是对MLS引导性能的最大干扰，因此主要研究波束内多路径测角误差。标准MLS角度计算方法中2个脉冲的时间值是在波束峰值的-3dB点测量的，先用比峰值电平低3dB的门限电平对往返脉冲进行限幅，然后测定该脉冲截断处前沿和后沿的时间、，这2个时间的中点就是往返脉冲的中点＝（＋）/2（同理），也就是脉冲的到达时间。由于门限电平比信号峰值电平低，当扫描波束扫过飞机时，飞机接收信号中超过门限电平的那部分，在门限电路输出一对锁住闸门脉冲。t为任意角度时飞机接收到“往”、“返”扫描脉冲的时间差，上海理工大学研究生课程（数字信号处理）论文6为角度0°对应的飞机接收到“往”、“返”扫描脉冲的时间差。而波束扫描脉冲在没有受到多径效应影响的情况下，方位（或仰角）角度值θ可由下式得到：(1)式中：θ为方位角或仰角的度数；t为扫描波束中心点从往到返扫描的时间间隔（ms）；为2次扫描过0°角位置的时间间隔（ms）；v为扫描速度（°/ms），通常是20°/ms。由测角原理可知，当扫描波束扫过飞机时，进入角度处理器的信号为接收信号中超过-3dB门限电平的那个部分，也就是天线主瓣宽度内的部分（即波束内区域（分离角1.7））。而当扫描波束受到波束内多路径干扰发生畸变时，也就是说当扫描波束-3dB门限电平以上的波形发生畸变，才会产生测角误差，多径条件下测量误差的产生也是由于多径信号对主瓣干扰而形成的。当扫描波束包络产生畸变，对测量结果的影响可以用MLS编码方程式（式（1））表达。将式（1）微分后得到角误差公式：（2）扫描速度v实际上等于波束宽度（扫描波束波瓣上位于2个-3dB点之间的宽度）除以波束扫过该2点的持续时间。则是往返扫描期间的时间误差，它取决于干扰信号或使扫描波束发生畸变的具体形式。当扫描速度v取20°/ms时，对应的角刻度因子为每度100，如果测量单个脉冲的时间误差为10，此时的当量误差角度值就有0.1°。所以误差的时间因子应控制在纳秒到1以内。对于一般的误差源，式（2）的一次近似值为：（3）式中：为峰值误差的度数；为干扰信号幅值与有用信号幅值的比值，这个值具有普遍的适用范围。因此可以看到影响峰值误差度数的主要因素为波束宽度。当存在多径干扰，产生角度偏移时，波束宽度越小或者当近似为0时，则峰值误差的度数越小或者近似为0。基于多径效应微波着陆系统的数字信号处理方法7第三章中频数字信号处理的设计多径干扰的误差源主要是由于机场附近障碍物对电磁波的反射和地面天线扫描波束产生的快速跃变和调制。要降低多径干扰对测角精度的影响，首先是针对误差源也就是输入信号的处理，机载接收机数字信号处理部分有2个关键的滤波器，一个是带通滤波器，另一个是波束包络滤波器，这2个滤波器的作用影响着整个接收机系统的工作性能。3.1带通滤波器的设计切比雪夫型滤波器是指在阻带（或称“阻频带”）上频率响应幅度等波纹波动的滤波器。也称倒数切比雪夫滤波器，较不常用，因为频率截止速度不如I型快，也需要用更多的电子元件。型切比雪夫滤波器在通频带内没有幅度波动，只在阻频带内有幅度波动。型切比雪夫滤波器的转移函数为：5分贝衰减度相当于=0.6801；10分贝衰减度相当于=0.3333。在-3分贝时频率fH和截止频率fC有如下关系：3.1.1切比雪夫型滤波器的特点切比雪夫滤波器在过渡带比巴特沃斯滤波器的衰减快，但频率响应的幅频特性不如后者平坦。切比雪夫滤波器和理想滤波器的频率响应曲线之间的误差最小，但是在通频带内存在幅度波动。如果需要快速衰减而允许通频带存在少许幅度波动，可用第一类切比雪夫滤波器；如果需要快速衰减而不允许通频带存在幅度波动，可用第二类切比雪夫滤波器。3.1.2切比雪夫型滤波器的设计综合考虑到模/数（A/D）采样信号速率和占用现场可编程门阵列（FPGA）资源的情况，在A/D采样中频信号之后采用1个带宽为26kHz的ChebyshevTypeII型带通滤波器。该滤波器的作用是选通当前频点的有效信号，抑制带内和带外上海理工大学研究生课程（数字信号处理）论文8干扰对后续信号处理的影响。带通滤波器的幅频特性和相频特性设计见图3-1以及图3-2。图3-1带通滤波器的幅频特性图3-2带通滤波器的相频特性由幅频特性的图可知，26kHz也就是0.026MHz，频率在5MHz±0.013MHz的频率是可以通过的，而频率在4.75MHz或者5.25MHz时