CN102916719A - 多通道、多模式、多功能的l波段无线电收发机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及多通道、多模式、多功能的L波段无线电收发机。用于提供改进的多无线电***的***和方法。示例性***包括第一和第二天线及第一接收机,第一接收机接收来自第一天线的信号,基于与空中防撞***、应答机以及通用访问收发机相关联的带宽对接收到的信号滤波;该***将滤波后的信号数字化并将数字化的信号数字下变频。第二接收机接收来自第二天线的信号,基于TCAS、应答机、UAT以及测距设备对从第二天线接收的信号滤波,将滤波后的信号分成具有与TCAS、应答机、UAT以及DME RF波段的下半部相关联的带宽的第一信号,和具有与DME RF波段的上半部相关联的带宽的第二信号,将第一和第二信号数字化,并将数字化的第一和第二信号数字下变频。
Description
背景技术
目前,需要多达4个无线电***来实现飞机上的空中防撞***(TCAS)、空中交通管制(ATC)应答机(transponder)、测距设备(DME)以及通用访问收发机(UAT)航空电子功能。这将需要4个不同的收发机。这一实现在重量、成本、体积以及功耗方面不是最理想的。
一些***已经尝试去解决这个问题。在L波段接收机***的一个当前实施例中,DME接收机连同用于TCAS、应答机和UAT的接收机一起被包括在内。该现有技术的设计仍然包括用于为TCAS、应答机以及UAT中频(IF)输出生成三个单独的窄带信号的所有模拟电路。DME IF输出被单独地生成。
发明内容
本发明将所有四个无线电设备(空中防撞***(TCAS)、空中交通管制(ATC)应答机、测距设备(DME)以及通用访问收发机(UAT))的发射与接收功能组合成单个无线电设备。这将发射机的数量从四个减为一个。这还将接收机、电源以及数字模块的数量从四个减为一个。这降低了重量、成本、体积以及功耗。
附图说明
结合附图,以下将详细描述本发明的优选和可替代实施例:
图1图示了根据本发明的实施例的在飞机中包括的组件的示意图;
图2是由图1中示出的***组件所执行的示例性过程的流程图;以及
图3、4-1、4-2和4-3图示了根据本发明实施例而形成的示例性***的组件。
具体实施方式
本发明包括能够接收从962MHz至1213MHz的频率范围内的多种信号的宽带接收机。其同时解码四种不同的格式——在1090MHz的空中防撞***(TCAS),在1030MHz的空中交通管制(ATC)应答机,在978MHz的通用访问收发机(UAT),以及在962MHz至1213MHz的DME波段内的1MHz通道中的测距设备(DME)。
本发明还包括能够发射多种信号格式的宽带发射机。即:在1030MHz的TCAS,在1090MHz的ATC应答机以及在1025MHz至1150MHz内的1MHz通道中的DME。
尽管满足了所需的信噪比,但是模数转换器(ADC)在宽带宽上的限制妨碍了作为整合方案的宽带多通道无线电的直接变换(直接在L波段频率采样)实现。本发明使用子带化技术以及块-下变频来覆盖整个L波段的航空电子无线电频谱,从而使得宽带ADC可应用。宽带无线电设备的另一实践限制是在模拟前端的高输入信号电平的线性度。通过限制模拟前端的增益以及块下变频来将下变频信号的谐波置于采样和数字滤波的带宽之外的明智的实现来克服该限制。通过使用单个多模式调制器或者可切换的模式特定调制器,发射机覆盖了多个L波段功能。使用宽带功率放大器来放大整个L波段频谱。通过使用模式选择信息和自适应地改变功率放大器的偏置,达到DME功能的更高的功率电平和效率。
传统地,在模数转换中,使用第一奈奎斯特采样区。例如,当将采样时钟频率Fc(例如320MHz)用于ADC时,待数字化的模拟频率被选择为少于采样时钟频率的1/2(160MHz)。如果在宽带无线电设备中采用该方法,则接收到的下变频信号的谐波对其他期望通道产生干扰。
例如,为了将962MHz到1100MHz块下变频到使用320MHz的Fc的第一奈奎斯特区域,可以使用1112MHz的LO频率。该块下变频产生从12MHz至150MHz的信号。然而,当接收机接收到1090MHz处的强TCAS信号时,将其下变频至22MHz,并且该强信号在44MHz、66MHz...处产生谐波。如果在1068MHz处存在弱DME信号,则使用相同的1122MHz处的LO将其下变频到44MHz。由于TCAS接收而生成的谐波,将污染DME通道,导致宽带无线电设备不可用。
但是,如果LO频率被选择为使得将经块下变频的信号的谐波置于使用第二奈奎斯特区域的模数采样带宽之外,则避免了该问题。例如,如果将LO频率选择为1265MHz,则会将1090处的TCAS信号下变频到175MHz。它的谐波落在该宽带无线电设备实现中使用的任意通道的最大频率之外。
图1图示了包括多通道、多模式、多功能的L波段无线电收发机***的飞机20。收发机***包括与相应的接收机34、36以及发射机(未示出)信号通信的顶部和底部天线30、32。接收机34、36对天线30、32接收到的射频(RF)信号进行块下变频,使用高速ADC对所得到的宽带中频(IF)频谱进行数据化,并发送数字信号到数字下变频器(DDC)38。DDC 38对多通道数字信号应用数字信号处理,包括但不限于滤波和抽取(decimation),其中,DDC 38将多通道数字信号变换成接着发送到四个无线电信号处理器的单个功能数据流:TCAS40、应答机(XPDR)42、UAT 44以及DME 46。图3示出了接收机34、36的示例性内容。
图2图示了由图1中示出的收发机***执行的示例性过程80。首先,在框82处,顶部和底部天线30、32接收第一和第二无线电信号。接着,在框84处,根据与TCAS 40、应答机42以及UAT 44相关联的第一带宽,对第一接收信号进行滤波。在框86处,将滤波后的第一信号转换为第一数字信号。在框88处,对第二接收信号进行滤波并将其分成低和高波段信号。低波段信号与TCAS 40、应答机42、以及UAT 44和DME RF波段的下半部相关联。高波段信号与DME46RF波段的上半部相关联。在框90处,将低和高波段信号转换为第二和第三数字信号。在框88和90处执行的步骤可以与在框84和86处执行的步骤同时执行。接下来,在框94处,基于第一和第二数字信号,生成TCAS、应答机以及UAT解码器输入信号。在框96处,基于第二和第三数字信号,生成DME解码器输入信号。最后,在框98处,将生成的解码器输入信号发送到相应的解码器(TCAS 40、应答机42、UAT44以及DME46)
图3、4-1以及4-2图示了示例性收发机***130的接收机部分的模拟和数字组件。收发机***130包括顶部和底部天线160、162,第一和第二带通滤波器(BPF)166、168,第一和第二环形器(circulator)150、152,发射/接收开关154、发射机140、顶部天线模拟接收机组件144、底部天线模拟接收机组件146以及多个数字下变频器(DDC)300。
第一BPF 166与顶部天线160和第一环形器150信号通信。第一环形器150还与发射机开关154以及顶部天线的模拟接收机组件144信号通信。第二BPF168与底部天线162和第二环形器152信号通信。环形器152与发射机开关154和底部天线的模拟接收机组件146信号通信。在这一实施例中,滤波器166、168对962~1213MHz带宽中的信号进行滤波。BPF 166、168所滤波的带宽仅仅包括与TCAS 40、应答机42、UAT 44以及DME 46相关联的那些无线电信号。环形器150、152提供信号方向性,使得由发射机140生成的信号被传送到相应的天线160、162,并且由相应的天线160、162接收的信号被传送到相应的接收机组件144、146。
顶部接收机组件144包括T/R开关(限制器(limiter))172,其从第一环形器150接收带宽受限的信号。第一低噪声放大器(LNA)174接收T/R开关(限制器)172的输出,从而产生第一放大信号。当在天线处出现高功率信号时,T/R开关(限制器)172防止对LNA 174过激励(overdriving),其中,高功率信号包括发射机输出。图像滤波和第二LNA组件176接收第一LNA 174的输出,从而产生具有962~1100MHz带宽的射频(RF)信号。在混频器180处,将图像滤波和第二LNA组件176的输出与本地振荡器(LO)信号182组合。BPF 186和放大器188接收混频器180的输出,从而产生具有165~303MHz带宽的中频(IF)。然后,将放大器188输出的信号发送到模数转换器(ADC)190。
底部天线的模拟接收机组件146包括T/R开关(限制器)200,其经由环形器152和BPF 168接收由底部天线162接收的信号。第一LNA202接收T/R开关(限制器)200的输出,其产生被发送到解复用器/分离器204的放大的信号。解复用器/分离器204将从第一LNA 202接收的放大信号分成低波段(RF962~1100MHz)和高波段(RF 1101~1213MHz)。将低波段RF发送到第一图像滤波和第二LNA组件206,其生成在混频器208处与LO信号210组合的信号。将混频器208的输出发送到BPF 214,并且然后发送到放大器216,从而产生具有165~303MHz带宽的IF信号。将放大器216的输出发送到ADC 218。
将从解复用器/分离器204输出的高波段RF发送到图像滤波和LNA 222,其输出信号到混频器224,该信号与LO信号226组合。混频器224的输出被BPF 230滤波,然后由放大器232放大,从而产生具有176~288MHz带宽的IF。将放大器232的输出发送到ADC 234。
如图4-1和4-2中所示,将ADC 190、218和234的输出发送到DDC 300。将由ADC 190和218产生的低波段数字信号发送到两个TCAS DDC 310、两个应答机(XPDR)DDC 320以及两个UAT DDC 330。图4-1仅示出了TCAS、应答机以及UAT DDC中每一者中的一个。将来自ADC 234和218的高和低波段输出发送到DME DDC 340。
TCAS DDC 310在两个混频器处接收ADC 190、218之一的输出。第一混频器将接收到的数字IF信号与零相位的复(complex)LO信号混合,并且第二混频器将接收到的数字IF信号与90°相移的复LO信号组合。复LO产生频率和振幅相同并且之间具有90°相位差(即:代表实和虚部的同相(I)和正交(Q))的两个输出。TCAS DDC的复LO的频率值是175MHz。接下来,将混频器的输出发送到相应的CIC抽取LPF,所述LPF是级联积分梳状滤波器,其是具有抽取因子R、差分阶数(differential stage)M#和阶数(stage)N#的抽取滤波器结构。抽取通过所述抽取因子来降低输入速率。如果输入以Fs=320Mhz计时(clock)并且R=4,则输出以Fs2=80Mhz计时。将CIC抽取LPF的输出发送到具有截止频率FC、输入时钟频率FS2的相应的有限冲激响应滤波器(FIR)-抽取LPF。接下来,组件接收FIR-抽取LPF的输出从而确定幅度以及相位值。
应答机DDC 320的组件与TCAS DDC 310的那些组件相同,除了复LO工作在235MHz的频率。数据缓冲器、上(up)和下(down)采样器以及内插FIR提供了重采样电路,用于将输出数据速率变为与解码器的输入数据速率要求相匹配。在相位输出以解调DPSK(差分相移键控)数据后,存在延迟/倍增器(multiplier)。
UAT DDC 330包括其他的DDC 310、320的所有组件,除了其不包括用来生成通过FIR-抽取LPF产生的信号的幅度和相位的组件。此外,UAT DDC 330包括工作在287MHz的复LO,以及配置成产生同相信号(I)和正交相位信号(Q)的各种其他组件。数据缓冲器、上和下采样器以及内插FIR提供了重采样电路,以用于将输出数据速率变为与解码器的输入数据速率要求相匹配。
高和低波段AGC(自动增益控制)电路控制驱动ADC输入的外部可变增益放大器的增益。这确保了对ADC的输入不超过它们的最大线性范围。
DME DDC包括与TCAS DDC 310的电路组件相似的电路组件,除了复LO的频率为155~303MHz。
虽然如上所述,已经说明和描述了本发明的优选实施例,但是在不脱离本发明的精神和范围的情况下能够作出众多改变。相应地,本发明的范围不限于优选实施例的公开。相反,应参考下面的权利要求书来完整地确定本发明。
按照如下来定义其中要求了排他权或特权的本发明的实施例。
Claims (9)
1.一种方法,包括:
在连接到第一天线(30)的第一接收机(34)处,
接收来自第一天线的信号;
基于与空中防撞***(TCAS)(40)、应答机(42)以及通用访问收发机(UAT)(44)相关联的带宽来对接收到的信号滤波;
使用第一模数转换器(ADC)(190)来对滤波后的信号进行数字化;以及
将数字化的信号数字下变频成编码的TCAS信号、应答机信号以及UAT信号;以及
在连接到第二天线(32)的第二接收机(36)处,
接收来自第二天线的信号;
基于与TCAS、应答机、UAT以及DME相关联的带宽来将接收到的信号分离成具有与TCAS、应答机、UAT以及DME RF波段的下半部相关联的带宽的第一信号,以及具有与DME RF波段的上半部相关联的带宽的第二信号;
使用第二和第三ADC(218,234)来对第一和第二信号进行数字化;以及
将数字化的第一和第二信号数字下变频成编码的TCAS信号、应答机信号、UAT信号以及DME信号。
2.如权利要求1所述的方法,其中第一天线位于飞机机身的顶部并且第二天线位于飞机机身的底部。
3.如权利要求1所述的方法,进一步包括:
在第二接收机处,
基于与TCAS、应答机、UAT以及DME RF波段的下半部相关联的带宽来对第一信号滤波;以及
基于与DME RF波段的上半部相关联的带宽来对第二信号滤波。
4.如权利要求3所述的方法,其中滤波包括:
使用被配置成产生具有ADC波段外的谐波的预定义本地振荡器信号来外差信号。
5.一种***,包括:
第一天线(30);
第二天线(32);
连接至第一天线的第一接收机(34),第一接收机被配置成:
接收来自第一天线的信号;
基于与空中防撞***(TCAS)(40)、应答机(42)以及通用访问收发机(UAT)(44)相关联的带宽来对接收到的信号滤波;
对滤波后的信号进行数据化;以及
将数字化的信号数字下变频成编码的TCAS信号、应答机信号以及UAT信号;以及
连接至第二天线的第二接收机(36),该第二接收机被配置成:
接收来自第二天线的信号;
基于与TCAS、应答机、UAT以及测距设备(DME)(46)相关联的带宽来对从第二天线接收到的信号滤波;
基于与TCAS、应答机、UAT以及DME相关联的带宽将滤波后的信号分离成具有与TCAS、应答机以及DME RF波段的下半部相关联的带宽的第一信号,以及具有与DME RF波段的上半部相关联的带宽的第二信号;
对第一和第二信号进行数字化;以及
将数字化的第一和第二信号数字下变频成编码的TCAS信号、应答机信号、UAT信号以及DME信号。
6.如权利要求5所述的***,其中,第一天线位于飞机机身的顶部并且第二天线位于飞机机身的底部。
7.如权利要求5所述的***,其中第二接收机被配置成:
基于与TCAS、应答机、UAT以及DME RF波段的下半部相关联的带宽来对第一信号滤波;以及
基于与DME RF波段的上半部相关联的带宽来对第二信号滤波。
8.如权利要求7所述的***,其中第一接收机包括用于执行数字化的模数转换器(ADC)(190),其中第一接收机使用被配置成产生具有ADC波段外的谐波的预定义本地振荡器信号来外差接收到的信号。
9.如权利要求7所述的***,其中第二接收机包括用于执行数字化的第一和第二ADC(218,234),其中第二接收机使用被配置成产生具有第一和第二ADC波段外的谐波的预定义本地振荡器信号来外差接收到的第一和第二信号。
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