文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.02.007
中文引用格式： 孫曄，易克初，向新，等. 脈沖測距系統的多徑干擾影響及消除[J].電子技術應用，2016，42(2)：28-31.
英文引用格式： Sun Ye，Yi Kechu，Xiang Xin，et al. The effect and elimination of multipath interference in pulse distance measuring system[J].Application of Electronic Technique，2016，42(2)：28-31.
0 引言
機載無線電導航系統是保障飛行安全的重要系統，也是飛機最為基本的航電系統，其精度的提升對飛行的重要性不言而喻。顯然，選擇一種合適的導航方式，并且選取滿足精度要求的導航設備對于實現精確導航起著重要的作用。長期以來，利用TOA方法實施導航是導航定位系統中應用最為普遍的方法之一，基于該技術形成了脈沖測距系統，該系統主要用于測量飛機距導航臺的斜距，其機載設備就是大家所熟知的DME(Distance Measure Equipment)，該設備可與其他導航設備如VOR(VHF Omni-directional)、ILS(Instrument Landing System)等協調工作，為飛機提供高精度的近進導航服務。由于DME設備與地面導航臺之間通過詢問-應答方式完成導航工作，其信號的傳輸受到地空無線信道的影響[1]，由于地空無線信道通常建模為多徑信道（常見為雙徑信道），多徑干擾會造成脈沖檢測的誤差，并繼而造成測距精度的下降[3]。本文的目的在于針對這種情況，以DME設備為對象，確定多徑現象對系統誤差造成影響的原因，提出一種針對多徑消除的基于第一脈沖延遲譯碼的解決方案，并完成脈沖譯碼電路的設計。
1 脈沖測距系統概述
1.1 脈沖測距系統工作原理
DME采用詢問-應答式測距原理，如圖1所示。假設被測距離為R，C為光速，Δt為測量設備中詢問脈沖到應答脈沖間的時間間隔，其中包含系統的處理時間和固定延遲，記作td，因此距離R滿足公式：
1.2 脈沖編譯碼的抗干擾作用
為了降低系統假截獲概率，通常可采用脈沖編譯碼的方法來克服各類干擾，其中包括：重復頻率、載頻、脈沖數碼及間隔和脈沖寬度編譯碼[3]。DME系統綜合采用以上四種方式。抗干擾具體參數：脈沖寬度詢問通道3.2 μs，應答通道3.5 μs；兩個通道載頻工作于L波段相差63 MHz；搜索狀態重復頻率150 Hz；采用雙脈沖編譯碼。這些措施有效克服了噪聲干擾、同型測距器的脈沖干擾、直達干擾、無源反射目標干擾等，大大地提高了正確截獲的概率。經過脈沖編碼后系統的波形圖如圖2所示。
由圖2可以看出，經過脈沖數目和間隔編譯碼的測距系統，發射和接收的脈沖是一組間隔不同編碼脈沖。譯碼電路根據編碼標準對符合相應格式的詢問和應答脈沖進行相關性解調[5]，從而達到識別“協定信號”格式，減小干擾的目的。而解算電路常采用譯碼得到的“最后”一個脈沖位置，作為計時的標準計算距離R，詢問和應答脈沖間隔的不同所引入的時間差通常被計算在系統總延遲中。
2 脈沖測距系統的多徑干擾
多徑現象的產生主要是由于傳輸路徑中的反射物對無線電波的反射造成。它的主要影響是在接收天線端產生許多輻射信號的“復制品”，這些“復制品”稱為“多徑成分”，表現為經過不同路徑產生隨機的延遲和衰減[1，2，6]。多徑現象作為一種干擾對脈沖測距系統的測距準確性有很大的影響，上述脈沖編譯碼方案雖然可以大幅減少系統中的干擾脈沖數量，但是卻很難克服多徑干擾，這主要是因為多徑干擾無論是載頻、重復頻率、脈沖寬度還是脈沖數目和間隔都與有效信號完全一致。
多徑干擾對脈沖測距系統的影響主要為多徑成分經隨機延遲后在有效信號的脈沖波形上疊加，使波形產生畸變，從而影響測距的準確性。DME系統通常工作在LOS環境下，一般采用高斯波形或準高斯波形，其仿真波形如圖3所示。圖中幅值較大的波形為有效信號，幅值較小的波形為多徑成分，根據其第二徑延遲與直達路徑的關系可以分為三種情況，即第二徑小于脈沖間隔，與脈沖間隔相當以及大于脈沖間隔。
顯然第二種情況由于存在脈沖混疊現象，導致前沿發生變化，測距的基準取樣點前移，因而對于脈沖測距準確性的影響最為嚴重；其余兩種情況的干擾基本可以采用傳統的譯碼方案或文獻[5]中的譯碼方案以及脈沖測距“截獲”和“搜索”過程將其濾除。本文所討論的多徑干擾主要針對與脈沖間隔相當的情況。
3 延遲譯碼消除多徑干擾原理分析
文獻[5]中提到的譯碼方案和傳統的譯碼方案被稱為第二脈沖譯碼方案，這主要是因為譯碼輸出的波形前沿，即距離測算電路的計時基準點通常取決于第二脈沖的前沿時刻，當系統受到多徑分量的影響時，測距的準確性會大大降低。
在LOS傳輸環境中，多徑延遲必然出現在有效信號的第一脈沖之后[3，4]，因此采用第一脈沖前沿作為距離測算電路計時的基準就可以消除多徑干擾所引入的誤差，提高測距的準確性，這就是基于第一脈沖延遲譯碼消除多徑干擾原理。圖4給出了DME系統X模式下，第一脈沖延遲譯碼的原理波形圖。圖中A為原始脈沖波形，B為整形后的方波，C和E為不同延遲的波形，D為B和C相與并展寬后的波形，F為D和E相與波形，即譯碼輸出波形。顯然，F脈沖相比B波形第一脈沖的延遲是固定的，不受多徑的影響。
4 第一脈沖延遲譯碼的FPGA實現
4.1 基于FPGA的第一脈沖譯碼方案
譯碼電路是脈沖測距系統接收機的重要組成部分，在設計時應該遵循“譯碼電路能夠檢測并識別接收脈沖編碼對所有信息”，具體可以總結為以下幾點原則：
(1)能夠識別系統規定的脈沖寬度，在規定技術指標要求下，自動濾除不符合要求的脈沖；
(2)根據系統規定的脈沖間隔，識別編碼脈沖組中每一個脈沖的空間位置，濾除不符合規定間隔的脈沖對；
(3)譯碼電路輸出單脈沖，其前沿作為計時基準；
(4)對于第一脈沖譯碼而言，還需注意譯碼輸出脈沖前沿與第一脈沖前沿間隔是固定值。
本方案基于設計靈活、調試方便的FPGA進行開發，根據上述原則設計的電路組成主要包括：波形整形、脈沖寬度譯碼、脈沖間隔譯碼和波形合成整形電路，其功能分別是將采樣的脈沖波形整理成方波；濾除過寬和過窄的脈沖；脈沖編碼相關檢測和譯碼輸出脈沖整形。其中脈沖間隔譯碼電路包括：第一脈沖檢測、波形延遲和第二脈沖檢測和編碼對間隔譯碼四個單元，如圖5所示。
4.2 FPGA實現
顯然，上述方案中脈沖間隔譯碼電路是核心單元，設計中采用了狀態機的設計思想，設置了S0~S5共6種狀態，分別代表譯碼電路不同的工作狀態，箭頭代表狀態跳轉的方向，狀態轉移圖如圖6所示。其中S0：系統的初始狀態；①無條件；S1：判斷方波中“0”的持續時間；②根據DME系統實際情況，設置為當“0”持續40 μs即轉換；S2：判斷方波中“1”的持續時間，也即脈沖寬度的大小；③根據DME系統中脈沖寬度不小于3.2 μs，此處設置為脈寬大于1.6 μs即轉換，小于1.6 μs的脈沖信號被視為干擾自動濾除；S3：判斷第一脈沖到下一個脈沖的間隔時間；④根據DME系統不同的工作狀態，可以靈活設置轉換時間，但每個DME工作狀態下該時間是固定的；S4：判斷第二脈沖是否出現，寬度是否滿足要求；⑤脈寬達到1.6 μs或以上時，轉換到S5，同時輸出譯碼后的波形；S5：判斷波形的是否再次回“0”；⑥第二脈沖沒有在系統規定的位置處出現，此時跳轉回S0初始狀態，重新判斷；⑦當完成一次譯碼后，在第二脈沖的后沿，狀態跳轉回S0，準備下一次譯碼。
4.3 仿真結論
本文在QuartusII環境下使用Signaltap工具進行了設計方案抗多徑延遲的仿真，針對DME系統X模式下（脈沖間隔為12 μs，-3 dB處脈沖寬度為3.5 μs），采樣時鐘100 MHz，采樣深度為16 K，“同步數字方波信號digital_pulse”信號上升沿觸發。
圖7給出了第二徑位于不同位置時，譯碼電路各節點輸出的波形，其中①同步方波脈沖信號；②采用正交采樣所得到的原始波形；③-6 dB取樣進行波形整形后的方波；④經過脈沖寬度譯碼及第一脈沖檢測電路輸出波形；⑤延遲單元1對原始波形延遲了12 μs后的波形，用來進行第二脈沖位置檢測；⑥延遲單元2對原始波形延遲13 μs的波形，用來進行編碼對間隔檢測；⑦經過編碼對間隔檢測后，譯碼電路輸出的譯碼脈沖。表1給出了不同延遲情況下，多徑對脈沖間隔的影響和該方案延遲譯碼后時間基準取樣點的延遲。
由圖7和表1，不難得出以下結論：
(1)觀察圖7中①-⑦信號的波形說明，該設計方案滿足了第一脈沖譯碼方案的設計原則，對脈沖寬度、脈沖間隔和所有脈沖位置進行了準確的檢測或識別，符合設計需求。
(2)對比觀察表1第4行和第5行，在不同多徑延遲影響條件下，圖7中信號③和④脈沖間隔發生了變化，但是信號⑦脈沖的位置，其相比第一脈沖的延遲量恒為定值；
(3)基于第二條結論，選取譯碼電路輸出脈沖前沿作為時間基準取樣點，取樣點不受多徑的影響，能夠克服多徑的干擾，測距精度能夠保證。
5 結論
由于采用第二脈沖譯碼的方式，所以多徑延遲分量若接近第二脈沖的位置，則容易對脈沖測距系統準確性造成影響。據此本文采用第一脈沖延遲譯碼方案，該方案可有效地克服多徑干擾對脈沖測距系統準確性的影響；論文中對該方案采用FPGA予以實現，仿真測試結果表明，基于第一脈沖延遲譯碼電路有效地消除了多徑的干擾，提高了數字化脈沖測距系統的測距精度。
參考文獻
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