CN106959431A - 一种基于fpga的无线电罗盘的方位角解调方法 - Google Patents

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李志鹏
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Abstract

本发明属于无线电导航领域，具体涉及一种基于FPGA的无线电罗盘的方位角解调方法。它包括：模拟信号源产生模块、载波同步模块以及方位角解调模块，这三个模块都是在FPGA内部构造的。其中，模拟信号源产生模块可以根据设定的载波频率以及方位角来在FPGA中模拟生成已进行过模数转换的数字中频信号，该数字中频信号进入由FPGA构造的载波同步模块后，进行锁频和锁相处理，输出的信号被送入由FPGA构造的方位角解调模块，根据该模块所设定的方位角解调算法来实时计算出方位角的大小。本发明是一种基于FPGA的数字化无线电罗盘方位角解调的全新方法，此方法将数字控制技术、频率合成技术等先进技术应用在无线电罗盘***中，可以提高无线电罗盘解调的速度，提升其定向的精度，以及增强其抗干扰能力。

Description

一种基于FPGA的无线电罗盘的方位角解调方法
技术领域
本发明属于无线电导航领域，具体涉及一种基于FPGA的无线电罗盘的方位角解调方法。
背景技术
无线电罗盘是飞机的基本导航设备，作为指示飞机航向的无线电导航仪表，它能根据无线电导航台、仪表着陆导航台，甚至广播电台发出的无线电信号来自动测出飞机纵轴与电波来向之间的夹角(相对方位角)，引导飞机准确飞行。目前无线电罗盘大多采用模拟、数字混合技术状态，但在信号处理方面仍沿用老式的模拟处理，并未实现真正的数字化处理，普遍存在精度低，可靠性差、成品率低等缺点。随着高性能FPGA器件的不断出现和数字信号处理技术的不断进步，实现基于FPGA技术的数字化无线电罗盘势在必行，其将显著地改善罗盘的性能，提高设备的可靠性、维修性、抗干扰性和可操作性。
发明内容
本发明提供一种基于FPGA的无线电罗盘的方位角解调方法，旨在解决现有的无线电罗盘解调速度较慢，精度较低以及可操作性不高等缺点，来提升解调的精度和速度，增大其数字化集成度。
本发明的技术方案如下：在FPGA内构造模拟信号源产生模块、载波同步模块以及方位角解调模块。模拟信号源产生模块能在FPGA内产生一种全新的数字信号源，它可以根据设定的载波频率以及方位角来模拟产生已进行过模数转换的数字中频信号，与传统的外部信号源相比，此信号源的误差更小，稳定性更高，可操作性更强。该数字中频信号被送入在FPGA内构造的载波同步模块，此载波同步模块包含一个全新的消除符号模糊的鉴相器。与传统的载波同步模块相比，它能鉴别更大的方位角范围，即-180°～180°。载波同步模块完成锁频、锁相处理后，输出的信号被送入由FPGA产生的方位角解调模块， 该模块能实现一种全新的方位角解调算法，与传统的解调算法相比，它的解调速度更快，解调精度更高，可操作性更好，由此可以实时地解调出方位角的大小。
具体的，模拟信号源产生模块是一套全新的组合，它包括两个直接数字式频率合成器、一个乘法器以及一个加法器。
具体的，载波同步模块采用的具有消除符号模糊功能的二阶锁相环，即全新数字化costas环，其组合结构包括一个NCO数控振荡器、两个乘法器、两个低通滤波器，一个消除符号模糊鉴相器以及一个环路滤波器。
具体的，方位角解调模块采用了一种全新的解调算法，它是一种全新的组合方式，具体包括CIC抽取模块、带通FIR模块、CIC内插模块、限幅模块、DDS模块以及计算模块。
本发明充分利用了FPGA(Field－Programmable Gate Array)平台的可编程性强，数字化集成度高以及运算速度快等优点，以及全新的方位角解调算法的优势，提高了无线电罗盘的方位角的解调速度和方位角的解调精度，同时也增大了无线电罗盘的灵活性、可靠性和抗干扰性。
附图说明
图1为本发明提供的无线电罗盘的方位解调方法的结构框图；
图2为本发明中的模拟信号源产生模块的结构框图；
图3为本发明中的载波同步模块的结构框图；
图4为本发明中的方位角解调模块的结构框图；
图5为使用本发明方法与***解调出的方位角30.1°；
图6为使用本发明方法与***解调出的方位角60.2°；
图7为使用本发明方法与***解调出的方位角135.1°。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施例和附图，对本发明进一步详细说明。
实施例：如图1所示，基于FPGA的无线电罗盘的方位角解调方法的结构包含3个主要部分，分别为：模拟信号源产生模块、载波同步模块以及方位角解调模块。
对于模拟信号源产生模块，其内部构造如图2所示，它是在FPGA内构造的，它是一种全新的生成数字信号源的功能模块，它是一种全新的组合方式，它包括两个直接数字式频率合成器、一个乘法器以及一个加法器。它可以根据设定的载波频率以及方位角来模拟产生已进行过模数转换的数字中频信号，其数学推导公式为： E=E d E m sin(ΩnT+θ)coswnT+ E n sinwn′。
其中，DDS1是利用ISE中的IPCore来生成含有方位角θ的sin(ΩnT+θ)信号，DDS2则同样由IPcore来生成coswnT和sinwnT两个载波信号，而乘法器和加法器也是由Verilog语言来实现的，根据图2的结构，在FPGA中将所生成的各个信号组合起来，即可以得到如上述公式中所示的数字中频信号。在本实施例中，选定Ω为100Hz，w为20KHz，为试验本发明的方位角解调方法及***，此处方位角θ选为30°、60°和135°等等。
对于载波同步模块，其内部构造如图3所示，其各个小模块是在FPGA内实现的，它采用的是具有消除符号模糊功能的二阶锁相环，它包含一种具有消除符号模糊功能的鉴相器。从图3可以看出，E为经模拟信号源产生模块后输出的数字中频信号，NCO(numericallycontrolled oscillator)是由ISE的IPCore来生成，它能够产生本地载波信号和E1和E2是经过乘法器后输出的信号，而所用到的乘法器也可以有乘法器IPCore来实现。LPF(Low Pass Filter)是低通滤波器，此处是通过叠加的方法来达到低通滤波的效果，滤除E1和E2中的高频成分。输出的E11和E22则是仅含有100Hz和直流成分的信号。PD是一种鉴相器，此处为消除符号模糊鉴相器，其运算原理为：Ve＝E11*sign[E22]，其输出的信号Ve被送入LF(Loop Filter)环路滤波器中，进行滤波处理，滤除倍频波后，所输出的信号送入NCO中，调节本地载波的频率和相位，使其与输入的数字中频信号同频同相，即完成了锁频和锁相，此载波同步模块的锁相范围因为鉴相器PD的特殊设计而有了较大的扩增，可以鉴别-180°～180° 的任意方位角。
对于方位角解调模块，其内部构造如图4所示，其各个小模块也是在FPGA内实现的。E22经载波同步模块输出后，进入CIC抽取、带通FIR以及CIC内插模块，这3个小模块都是由ISE的IPCore来生成的，其功能是将100Hz频率带外的信号全部滤除干净，以使得解调的结果更精确。经CIC内插输出的E4则是仅含100Hz的信号sin(Ωt+θ)，它包含了方位角θ信息。DDS同样是由IPCore来生成，通过设置IP核的参数，可以产生100Hz的本地波形E6，即为sin(Ωt)，E4和E6都经过限幅处理，此处限幅模块是取各个采样点的符号位作为输出，由于E4和E6都是正弦信号，则取符号位后，即变成了方波信号，即为频率相同，相位差为θ的E5和E7方波信号，最后E5和E7经过异或、同或计算得出方位角的大小。
图5、图6、图7所示的是设定不同的方位角后，利用Chipscope软件将FPGA内部的方位角数据抓取出来后显示的结果，由于FPGA不能显示小数，所以将解调出的方位角扩大了10倍。分别设置是方位角为30°、60°和135°，而由图5、6、7可知，解调出来的方位角分别为30.1°、60.2°以及135.1°，其解调所用的时间约为0.1s，通过对比可以发现，基于FPGA的无线电罗盘的方位角解调方法对于方位角解调的速度有了明显的提升，精度也能控制在0.5°之内，极大地提升了无线电罗盘的性能。
尽管已经详细描述了本发明的实施方式，但并非是对本发明的限制,本发明也并不限于上述举例,本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、添加,也应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于FPGA的无线电罗盘的方位角解调方法，其特征在于：此方位角解调方法是在FPGA内实现的，即在FPGA内部构造三个模块，包括模拟信号源产生模块、载波同步模块以及方位角解调模块。此三个模块是一种全新的组合方式，具体表现为模拟信号源产生模块输出端与载波同步模块的输入端相连，载波同步模块的输出端与方位角解调模块的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的无线电罗盘的方位角解调方法，其特征在于：所述模拟信号源产生模块是在FPGA内实现的，它能在FPGA内产生一种全新的数字信号源，它可以根据设定的载波频率以及方位角来任意模拟产生已进行过模数转换的数字中频信号。与传统的外部输入信号源相比，它所产生的信号源的误差更小，稳定性更高，可操作性更强。它是一套全新的组合，具体包括两个直接数字式频率合成器、一个乘法器以及一个加法器。
3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的无线电罗盘的方位角解调方法，其特征在于：所述载波同步模块是在FPGA内实现的，它采用的是具有消除符号模糊功能的二阶锁相环，与传统的载波同步模块相比，它包含一种全新的消除符号模糊鉴相器，这使得能鉴别的方位角的范围扩大至-180°～180°。其组合结构包括一个NCO数控振荡器、两个乘法器、两个低通滤波器、一个消除符号模糊鉴相器以及一个环路滤波器。
4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的无线电罗盘的方位角解调方法，其特征在于：所述方位角解调模块是在FPGA内实现的，与传统的解调模块相比，它的解调速度更快，解调精度更高，可移植性更强。它是一种全新的组合方式，具体包括CIC抽取模块、带通FIR模块、CIC内插模块、限幅模块、DDS模块以及计算模块。
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