基于凌華科技PCI-9846 的航空導(dǎo)航VOR信號綜測儀設(shè)計

• 應(yīng)用領(lǐng)域

航空導(dǎo)航設(shè)備測試應(yīng)用，信號產(chǎn)生與采集。

• 挑戰(zhàn)

航空電子設(shè)備的測試要求利用有限的資源，構(gòu)建功能多樣化的自動測試系統(tǒng)。機(jī)載電子設(shè)備的信號多且復(fù)雜，涵蓋了低頻和高頻信號、連續(xù)和離散信號，同時還包括一些非電信號。傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)采用分立儀器搭建，這種方法成本高，測量自動化程度低，擴(kuò)展性差。隨著民用航空運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，大部分機(jī)載飛行電子設(shè)備高度數(shù)字化、集成化，已不可能靠人工手動對其進(jìn)行測試檢查，傳統(tǒng)的儀器也難以滿足需求。與之相比，基于軟件無線電的信號處理機(jī)制由于它所具有的靈活性、開放性等特點(diǎn)，有著突出的優(yōu)勢，更加適應(yīng)需要。同時，這也將為相關(guān)的教學(xué)研究提供便利。

• 解決方案

以航空導(dǎo)航VOR信號為例。研究VOR導(dǎo)航原理，對其合成信號進(jìn)行分析和建模。波形的時域數(shù)據(jù)可以方便地用公示表達(dá)和計算，得到的數(shù)據(jù)輸入到DAC，即可生成模擬波形，再經(jīng)過上變頻達(dá)到所需頻率。對于已有的模擬信號，調(diào)用PCI-9846高速數(shù)字化儀進(jìn)行采集，采集的數(shù)據(jù)可以實(shí)時顯示，也可以存儲為文件方便日后調(diào)用和分析。經(jīng)驗(yàn)證，軟件無線電在自動測試系統(tǒng)的應(yīng)用可以大大節(jié)約成本，簡化系統(tǒng)，并提高效率。數(shù)字化儀的性能指標(biāo)可以滿足需要。

基于凌華科技PCI-9846 的航空導(dǎo)航VOR信號綜測儀設(shè)計

摘要：以航空導(dǎo)航VOR(Very High Frequency Omnidirectional Range，甚高頻全向信標(biāo))信號為例，用凌華科技PCI-9846高速數(shù)字化儀進(jìn)行采集，并完成時域及頻域的分析，解調(diào)后可以還原出方位信息，以此快捷地檢驗(yàn)信號準(zhǔn)確性。經(jīng)驗(yàn)證，軟件無線電在自動測試系統(tǒng)的應(yīng)用可以大大節(jié)約成本，簡化系統(tǒng)，并提高效率。數(shù)字化儀的相關(guān)性能指標(biāo)可以滿足需要。

引言:航空電子設(shè)備的測試要求利用有限的資源，構(gòu)建功能多樣化的自動測試系統(tǒng)。機(jī)載電子設(shè)備的信號多且復(fù)雜，涵蓋了低頻和高頻信號、連續(xù)和離散信號，同時還包括一些非電信號。傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)采用分立儀器搭建，這種方法成本高，測量自動化程度低，擴(kuò)展性差。隨著民用航空運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，大部分機(jī)載飛行電子設(shè)備高度數(shù)字化、集成化，已不可能靠人工手動對其進(jìn)行測試檢查。所以目前世界各發(fā)達(dá)國家均采用自動測試設(shè)備完成此類工作。[1][2]

軟件無線電的基本思想是以一個通用、標(biāo)準(zhǔn)、模塊化的硬件平臺為依托，通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)無線電臺的各種功能，從基于硬件、面向用途的電臺設(shè)計方法中解放出來[3]。自動測試系統(tǒng)對信號源的靈活性和全面性提出了更高的要求，傳統(tǒng)的信號發(fā)生器難以滿足需求[4]。與之相比，基于軟件無線電的信號發(fā)生器由于它所具有的靈活性、開放性等特點(diǎn)，有著突出的優(yōu)勢，更加適應(yīng)需要。同時，這也將為相關(guān)的教學(xué)研究提供便利。

將凌華科技PCI-9846H運(yùn)用于自動測試系統(tǒng)信號源的測試和校準(zhǔn)中，以航空導(dǎo)航VOR信號為例，對信號進(jìn)行采集和處理，還原出基本信息。證明數(shù)字化儀的性能指標(biāo)可以滿足需要。

1.VOR信號

甚高頻全向信標(biāo)的基本功用是為機(jī)載VOR接收機(jī)提供一個復(fù)雜的無線電信號，經(jīng)機(jī)載VOR接收機(jī)解調(diào)后，測出地面甚高頻全向信標(biāo)臺相對于飛機(jī)的磁方位即 VOR方位[5]。機(jī)載接收機(jī)接收到的空間合成VOR信號包括基準(zhǔn)相位信號和可變相位信號，通過對兩種信號相位的比較來實(shí)現(xiàn)定向。VOR工作頻率范圍 108MHz~117.95MHz，波道間隔0.05MHz。

1.1 VOR基準(zhǔn)相位信號

VOR基準(zhǔn)相位信號(Reference Phase Signal)包括射頻載波和9960Hz的副載波。射頻載波的頻率范圍從108MHz~117.95MHz。9960Hz的副載波被30Hz基準(zhǔn)信號調(diào)頻，調(diào)制系數(shù)16，表達(dá)式為：

式中

是副載波對射頻載波的調(diào)幅系數(shù)，

為副載波頻率，

為對副載波的調(diào)制系數(shù)，

為基帶信號頻率，

為射頻頻率。

基準(zhǔn)相位信號在空間0°~360°各徑向方位上輻射信號的強(qiáng)度和所含30Hz信號的相位都不變，輻射場的水平方向性圖為一個圓。

1.2 VOR可變相位信號

可變相位信號(Variable Phase Signal)只包含單純的射頻載波，頻率范圍108MHz~117.95MHz。兩對正交的邊帶天線分別輻射正弦調(diào)制邊帶波和余弦調(diào)制邊帶波，場強(qiáng)均按 30Hz的規(guī)律變化，這樣在空間就生成了一個30Hz正弦規(guī)律改變的調(diào)幅波，表達(dá)式為：

(2)

式中

是當(dāng)前VOR徑向方位角。

1.3 合成信號

空間接收到的合成信號(Composite Signal)包括基準(zhǔn)相位信號和可變相位信號的疊加，如圖1所示，表達(dá)式為：

(3)

接收機(jī)通過解調(diào)和比較二者的相位差得到方向信息。[5,6]

圖1空間合成信號

2.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

采用以GPP(General-Purpose Processor，通用處理器)為基礎(chǔ)的體系結(jié)構(gòu)，直接用工控機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號處理。對于這種無線電系統(tǒng)，從實(shí)體上無法觀察到一個真正的電臺，它完全從軟件角度解決無線電通信問題。由于通用機(jī)不是一個實(shí)時的同步系統(tǒng)，不適于嚴(yán)格定時采樣信號的實(shí)時處理，只能通過中斷來保持一定的同步。但是因其開放性、靈活性、可編程性和人機(jī)界面方面的優(yōu)勢，最接近理想的軟件無線電，也更適于測試、教學(xué)和研究。

系統(tǒng)選用流水線形式進(jìn)行連接，與信號流方向一致，具有很高的效率，時延短，處理數(shù)率高，可以一定程度上彌補(bǔ)GPP信號處理速度慢的不足。但是由于各模塊之間采用實(shí)際電路互聯(lián)，模塊間耦合緊密，獨(dú)立程度不高。如果系統(tǒng)功能改變，需要增加、去除或修改某一模塊，牽扯到相應(yīng)的模塊變動，甚至總體結(jié)構(gòu)的改變。因?yàn)樵O(shè)計目的是針對測試系統(tǒng)信號源的測試和校準(zhǔn)，信號相對固定，不需要頻繁變動，所以選用流水式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示[7]。信號的產(chǎn)生和處理由工控機(jī)完成，任意波形發(fā)生模塊(Arbitrary Waveform Generator，AWG)實(shí)現(xiàn)波形輸出(高頻時需要用到數(shù)字上變頻卡)，如果做無線發(fā)射和接收時需要附加天線和射頻放大器。信號的采集和數(shù)模轉(zhuǎn)換由凌華科技PCI-9846高速數(shù)字化儀完成，轉(zhuǎn)換結(jié)果可以實(shí)時顯示，也可以保存成波形文件以便后續(xù)處理。

圖2 系統(tǒng)框圖

2.1 信號源

中頻信號用PXI-5421產(chǎn)生。這是一款可進(jìn)行板載信號處理(OSP)的任意波形發(fā)生器，具有16位分辨率和-91 dBc封閉式無寄生動態(tài)范圍(SFDR)，可為要求數(shù)字上變頻和基帶插值的應(yīng)用提供儀器質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。作為一款功能齊全的AWG，PXI-5421還能夠生成通用的電子測試信號，其最大輸出范圍為12Vpp，50Ω電阻載荷，最高頻率43MHz[8]。上變頻卡采用NI PXI-5610，其內(nèi)有2.7 GHz上變頻器，具有高實(shí)時帶寬和穩(wěn)定的時基，其精度可達(dá)±50ppb。在射頻生成應(yīng)用中，與模塊化函數(shù)發(fā)生器緊密集成，可產(chǎn)生頻率范圍50kHz到 2.7GHz的信號，可調(diào)增益范圍130dB[9]。PXI-5421產(chǎn)生高頻VOR信號送至PXI-5610做上變頻處理，變頻到需要的甚高頻波段。

PXI板卡安裝在NI PXI-1402控制箱內(nèi)。采用NI PXI-PCI833x 套件，可使用通過銅纜連接的完全透明的MXI-4網(wǎng)絡(luò)在計算機(jī)上控制PXI模塊。MXI-4通過在PCI-PCI高帶寬連接上搭建橋路，通過計算機(jī)的 PCI接口對PXI系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

2.2 數(shù)據(jù)采集

用凌華科技PCI-9846高速數(shù)字化儀完成數(shù)據(jù)采集。凌華科技PCI-9846是具有40MHz采樣頻率的16位4通道數(shù)字化儀，專為高頻率、大動態(tài)范圍信號設(shè)計，最高輸入頻率可達(dá)20MHz。模擬輸入量程可以通過軟件設(shè)定為±1V或±0.2V，可選擇50歐輸入阻抗，以適應(yīng)高速、高頻信號。裝有4通道高線性16位A/D轉(zhuǎn)換器，可以理想地適應(yīng)諸如雷達(dá)、超聲波及軟件無線電等大動態(tài)范圍信號。

配合高達(dá)512MB的板載內(nèi)存，PCI-9846可以記錄更長時間的波形而不受限于PCI總線的傳輸速率。數(shù)字化的信號數(shù)據(jù)在傳輸?shù)街鞔鎯ζ饕郧跋缺淮鎯Φ桨遢d內(nèi)存。數(shù)據(jù)傳輸采用SG-DMA(Scatter-gather Direct Memory Access，分散-聚集直接內(nèi)存讀取)方式，可以提供更高的數(shù)據(jù)傳輸率，并可更有效的利用系統(tǒng)內(nèi)存。如果數(shù)字化儀的數(shù)據(jù)傳輸速率低于可用的PCI總線帶寬，PCI-9846還設(shè)有一個板載取樣點(diǎn)先進(jìn)先出存儲器，以實(shí)現(xiàn)繞過板載內(nèi)存而實(shí)時直接將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)內(nèi)存。

PCI-9846具有靈活的觸發(fā)選項(xiàng)，包括軟件觸發(fā)、外部數(shù)字觸發(fā)、任意模擬通道的模擬觸發(fā)以及PXI總線觸發(fā)。多樣的觸發(fā)方式使其更適應(yīng)需求。后觸發(fā)、延遲觸發(fā)、前觸發(fā)及中觸發(fā)模式可以采集觸發(fā)事件附近的數(shù)據(jù)。PCI-9846也可以重復(fù)觸發(fā)采集，以便對極短時間間隔的多個數(shù)據(jù)段進(jìn)行采集。PXI背板提供的多種觸發(fā)選項(xiàng)使PCI-9846可以簡便地實(shí)現(xiàn)多模塊同步。利用PXI觸發(fā)總線，PCI-9846可以在設(shè)置為“主”時向PXI觸發(fā)總線輸出觸發(fā)或時基信號，在設(shè)置為“從”時從PXI觸發(fā)控制槽接收觸發(fā)或時基信號。PXI背板提供精準(zhǔn)的10MHz信號也可以用作一個時基信號源。

PCI-9846包含一個精確的低溫度漂移板載基準(zhǔn)。這不但可以提供一個穩(wěn)定的校準(zhǔn)源，亦能保證在較大溫度變化范圍的數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定性。自動校準(zhǔn)過程通過軟件完成，不需要任何手動調(diào)整。一旦校準(zhǔn)過程完成，校準(zhǔn)信息將被存儲在板載EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，電可擦除可編程只讀存儲器)，需要時校準(zhǔn)值可從板上加載。[10]

2.3 軟件部分

LabVIEW是NI(National Instruments，美國國家儀器公司)的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，其全稱是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)，是一款基于G語言(Graphics Language，圖形化編程語言)的測試系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺[11]。信號產(chǎn)生、數(shù)字化儀調(diào)用和數(shù)字信號處理在LabVIEW2010環(huán)境下進(jìn)行。

由于機(jī)器性能有限，程序分為產(chǎn)生、采集和處理三部分。根據(jù)信號建模的結(jié)果(參考“1.3 合成信號”)，計算得出波形數(shù)據(jù)并保存到文件。在波形的產(chǎn)生程序中，先把波形數(shù)據(jù)讀出并寫入任意波形發(fā)生器，調(diào)用其產(chǎn)生所需要的信號。調(diào)用 DAQPilot相關(guān)模塊控制數(shù)字化儀進(jìn)行信號采集，并存儲到文件以便后續(xù)調(diào)用。解調(diào)程序調(diào)用此波形文件，進(jìn)行相關(guān)解調(diào)及運(yùn)算，完成信號分析。信號的產(chǎn)生與采集程序框圖如圖3所示，解調(diào)和運(yùn)算程序框圖如圖4所示。

圖3 信號產(chǎn)生與采集程序

圖4 信號解調(diào)程序

3.運(yùn)行結(jié)果

按照設(shè)計的硬件結(jié)構(gòu)連接好硬件，設(shè)置波形信息，基帶信號為30Hz正弦波，調(diào)頻副載波9960Hz，頻偏480Hz，調(diào)制系數(shù)0.3?？紤]機(jī)器性能及運(yùn)行時間，VOR信號以1MHz為例。計算得出的波形存儲到文件中，以便在波形產(chǎn)生程序里調(diào)用。在波形產(chǎn)生程序中，先對設(shè)備進(jìn)行初始化和參數(shù)調(diào)整，設(shè)定板卡地址，功率為-10dBm，中心頻率1MHz，模式為“Arb Waveform”。調(diào)用時候采用IQ調(diào)制，I路為調(diào)制信號，Q路為0。寫入數(shù)據(jù)時選擇與生成時相同的采樣率，才能保證生成信號的頻譜正確。[12]

信號產(chǎn)生模塊持續(xù)運(yùn)行，并調(diào)用數(shù)字化儀進(jìn)行采集。同樣需要設(shè)置虛擬通道，量程±1V，信號類型“AI Voltage”，采樣頻率須滿足乃奎斯特定理，此處選為8MHz，采樣時鐘設(shè)定為“Continuous Samples”，持續(xù)時間1秒。采樣后的數(shù)據(jù)可以實(shí)時在波形圖表中顯示，并通過“寫入波形數(shù)據(jù)到文件.vi”存入文件，以便后續(xù)調(diào)用。

為實(shí)現(xiàn)對信號的測量和驗(yàn)證，需要對采集的波形進(jìn)行解調(diào)并還原出相應(yīng)的信息。采集到的VOR空間合成信號經(jīng)過相干解調(diào)后得到空間合成信號的外包絡(luò)，包括 30Hz的可變相位信號，和9960Hz的調(diào)頻副載波。30Hz可變相位信號經(jīng)過30Hz濾波器直接得到，前面板可見其時域、頻域波形以及頻率、相位和幅值等信息;9960Hz副載波經(jīng)過濾波后鑒頻，得到30Hz基準(zhǔn)相位信號，前面板可見其相應(yīng)參數(shù)?；鶞?zhǔn)相位信號與可變相位信號的相位差可指示當(dāng)前的方位信息，讀書為VOR方位角。運(yùn)行后的前面板如圖5所示。程序運(yùn)行時，其中的各個標(biāo)簽頁可以輪流顯示，按下右下方的“暫停”鈕可以鎖定當(dāng)前標(biāo)簽頁。

圖5 綜測儀前面板

4.結(jié)論

軟件無線電技術(shù)目前在軍用、民用通信領(lǐng)域已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用?；诖思夹g(shù)的測試設(shè)備因?yàn)槠溟_放性和靈活性，比傳統(tǒng)設(shè)備有更加廣闊的應(yīng)用前景。而數(shù)字化儀正是實(shí)現(xiàn)模擬信號向數(shù)字信號過渡的關(guān)鍵。經(jīng)驗(yàn)證，凌華科技PCI-9846高速數(shù)字化儀安裝簡便，操作界面人性化，可以在LabVIEW環(huán)境下方便地調(diào)用，勝任復(fù)雜模擬信號的準(zhǔn)確采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換，并能存儲成波形文件便于后續(xù)調(diào)用。限于技術(shù)水平和電腦性能，不能做更高頻率的采樣和信號處理實(shí)驗(yàn)，有待今后工作中繼續(xù)研究改進(jìn)。

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