ILS雙載波干擾測試的處理方法

賀 星，王 濤，吳秀明，李 闊

ILS雙載波干擾測試的處理方法

賀 星，王 濤，吳秀明，李 闊

（中電科星河北斗技術（西安）有限公司，西安 710068）

描述了針對RTCA/DO-195（Radio Commission for Aeronautics/Document-195）標準要求中提到的雙載波測試干擾問題所采取的措施方法。重點介紹了在頻域內如何處理帶內信號干擾并提高解算精度的過程，這種設計方法為類似的無線電帶內信號干擾問題提供了一種有效實用的解決方案。

雙載波測試；信號干擾；帶內信號

0 引言

儀表著陸系統（Instrument Landing System，ILS）由地面和機載兩部分組成，它被國際民航組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）采納為飛機進場著陸引導的標準設備。地面設備提供進近過程中引導飛機到跑道所必須的航向和下滑信號。機載設備接收該信號并解調出航向偏差和下滑偏差信息，用于引導飛機著陸。

無線電接收信號的抗干擾技術廣泛應用于通信、導航、監視和雷達接收機等技術領域，是數據接收處理的重要組成部分。ILS機載設備是民用航空器上十分重要的組成部分，有效的抗干擾技術對航空器的安全性、可靠性以及其它功能的完成和保障起著十分重要的作用，它們直接關系和影響著民用航空器的飛行安全。

1 調制度差解算原理

1.1 航向角檢測

航向發射臺裝置于著陸方向跑道端頭的外側，它發射兩個沿跑道中心線的有一邊相互重疊的相同形狀的波束，如圖1所示。

在跑道中心線的左側波束是用90 Hz音頻信號調制的調幅載波，右側的波束是用150 Hz音頻信號調制的調幅載波，其調幅度均為20%。兩種音頻調制度差值（Difference of Degree of Modulation，DDM）的變化是根據兩個波束彼此場強而變化的。

圖1 航向道波束

1.2 下滑角檢測

下滑發射臺裝置于近跑道入口的一側，它發射兩個沿一定仰角的有一邊相互重疊的相同形狀的波束，如圖2所示。波束上下分布，上方的波束載波用90 Hz音頻信號調制的調幅載波，下方的波束載波用150 Hz音頻信號調制的調幅載波，其調幅度均為40%。

圖2 下滑道波束

1.3 DDM值計算

在儀表著陸系統中，最關鍵的就是DDM值的計算。90 Hz和150 Hz的調制度和在航向和下滑通道上分別是40%和80%，根據調幅（Amplitude-Modulated，AM）信號的產生公式如式（1）所示

以及AM信號解調后的信號公式如式（2）所示

可以看出，解調信號中交流部分的幅值與調制度是成正比的，根據儀表著陸系統信號的特點，利用其調制度和是固定不變的這一特性，可以在不需要知道載波信號強度而僅僅根據90 Hz與150 Hz信號比例的情況下求出調制度差，因此可以通過計算90 Hz與150 Hz信號的幅度差來得到歸一化的調制度差，因為調制度和是已知的，以航向為例，實際的調制度差可以通過式（3）求得

2 ILS雙載波測試要求及設計方法

2.1 ILS雙載波測試要求

在RTCA/DO-195《航空ILS航向接收設備工作頻率范圍108～112 MHz的最低性能標準》中2.2.2.3章節，對于航向信號接收性能測試，提出了雙載波測試的基本要求，其測試條件和指標要求匯總如表1所示。

表1 雙載波干擾測試要求

雙載波測試要求在三個不同的條件下，同時加入兩個載波調制信號，削弱其中之一的低功率電平的載波調制信號對接收信號解調精度的影響，以使DDM計算值滿足DO-195標準中要求的指標范圍。

2.2 信號干擾處理措施及設計方法

2.2.1 信號干擾處理措施的原理

在傳統的時域處理流程中，增加快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，FFT）頻域信號處理模塊，在頻域當中將帶內所不希望的干擾信號，進行剔除，然后再將剔除干擾的頻域信號恢復到時域當中進行信號處理，恢復之后的處理過程與傳統的時域處理流程保持一致。增加FFT頻域信號處理模塊的流程圖如圖3所示。

圖3中虛線框內的部分是在原有ILS信號處理流程的基礎上所增加的信號處理步驟。0±5 kHz的雙載波信號首先通過射頻前端下變頻到 21.4 MHz±5 kHz的中頻信號，A/D模數轉換器以12.5 MHz的頻率對中頻信號進行欠采樣，并通過帶通濾波器濾出3.6 MHz±5 kHz的中頻信號，其數據率為12.5 MHz；之后3.6 MHz±5 kHz的中頻信號與3.580 MHz本地載波進行混頻，再次通過帶通濾波器，濾出所需的中頻信號頻率為20 kHz± 5 kHz左右，數據率抽取為50 kHz；最后正式進入設計好的FFT頻域處理模塊進行相應的數據處理；通過FFT頻域處理模塊之后的信號，將恢復為已剔除干擾的時域信號，送入AM解調器進行幅度解調，選用截止頻率為6 kHz的低通濾波器，得到90 Hz和150 Hz信號的復包絡，然后分別經過帶寬為 20 Hz的帶通濾波器進行濾波，再經過級聯積分梳狀（Cascaded Integrator Comb，CIC）濾波器進行平滑濾波，進行DDM的計算及數據的后處理。

圖3 增加FFT頻域信號處理的ILS信號處理流程

2.2.2 FFT頻域處理流程

FFT信號處理過程主要作用是將時域信號轉換成頻域信號，在頻域當中可以很容易剔除帶內信號的干擾，剔除干擾后的頻域信號再恢復到時域信號并保持原有的數據速率，以便于后續信號的解調和DDM值的計算。其處理流程如圖4所示。

圖4 FFT信號處理流程

具體步驟如下：

1）經過二次下變頻的20 kHz±5 kHz中頻信號，數據速率為50 kHz，輸入到256個存儲單元的雙口隨機存取存儲器（Random Access Memory，RAM）進行緩存。

2）雙口RAM1的緩存數據存滿后，啟動FFT，將變換后的實部和虛部數據進行暫存。

3）通過FFT后的數據計算其幅度譜值，并存儲幅度譜數據。

4）查找存儲的幅度譜的最大峰值，并確定最大峰值對應的數據的位置。

5）在最大峰值所確定的數據范圍之外，查找存儲的幅度譜的次峰值，并確定次峰值對應的數據的位置。

6）剔除次峰值位置及附近范圍內的FFT后的數據，將其置為0。

7）將剔除次峰值所對應FFT后數據，輸入到快速傅里葉逆變換（Inverse Fast Fourier Transform，IFFT）模塊，進行IFFT。

8）將IFFT后的數據存儲到雙口RAM進行 緩存。

9）雙口RAM2的緩存數據按照50 kHz固有數據速率，輸出恢復的時域數據，進行后續的信號解調及DMM值計算。

3 測試仿真

根據DO-195測試要求，在三種不同的測試條件下，仿真設計中選用信號功率-50 dBm、波道1（108.1 MHz）的信號，加入FFT頻域處理過程與不加入FFT的時域處理過程進行DDM值的比較結果如圖5～圖7所示。圖中紅色曲線代表經過FFT處理后的DDM值，藍色曲線代表未經過FFT處理后的DDM值。

從仿真測試結果可以得出結論，未做FFT處理的DDM值超出了精度范圍要求；經過FFT處理后的DDM值能夠滿足0±0.005 812的要求。

圖6 測試條件2的仿真結果對比圖

從仿真測試結果可以得出結論，未做FFT處理的DDM值超出了精度范圍要求；而經過FFT處理后的DDM值能夠滿足0.155±0.009 3的要求。

圖7 測試條件3的仿真結果對比圖

從仿真測試結果可以得出結論，DDM值精度要求相對寬松，未做FFT處理和經過FFT處理后DDM計算值均能滿足≥0.155的要求。

4 結語

本文介紹了ILS系統雙載波干擾情況下信號頻率的處理措施，在傳統信號處理流程的基礎上，重點研究了頻域中帶內干擾信號的剔除方法。仿真結果顯示，相對于傳統的時域處理方法，經過頻域處理的DDM值受干擾信號的影響小，輸出結果穩定，精度滿足DO-195標準的誤差要求。

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Processing Method of ILS Dual-Carrier Interference Test

HE Xing, WANG Tao, WU Xiuming, LI Kuo

Due to the problem of dual-carrier test interference mentioned in the RTCA/DO-195 (Radio Commission for Aeronautics/Document-195) standard requirements. How to deal with the in-band signal interference in frequency domain and how to improve the accuracy of the solution are focused on. An effective and practical solution for similar in-band signal interference problems are provided by design method.

Dual Carrier Test; Signal Jamming; In-Band Signal

V243

A

1674-7976-(2023)-06-405-05

2023-08-09。

賀星（1984.01—），山西太原人，高級工程師，主要研究方向為民用航空電子技術。

科技部國家重點研發計劃（2020YFB0505601）資助