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

摘要：以航空導(dǎo)航VOR(Very High Frequency Omnidirectional Range，甚高頻全向信標(biāo))信號(hào)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(shí)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(hào)準(zhǔn)確性。經(jīng)驗(yàn)證，軟件無線電在自動(dòng)測(cè)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。

關(guān)鍵詞：VOR信號(hào) PCI-9846 綜測(cè)儀

引言

航空電子設(shè)備的測(cè)試要求利用有限的資源，構(gòu)建功能多樣化的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。機(jī)載電子設(shè)備的信號(hào)多且復(fù)雜，涵蓋了低頻和高頻信號(hào)、連續(xù)和離散信號(hào)，同時(shí)還包括一些非電信號(hào)。傳統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)采用分立儀器搭建，這種方法成本高，測(cè)量自動(dòng)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(dòng)對(duì)其進(jìn)行測(cè)試檢查。所以目前世界各發(fā)達(dá)國家均采用自動(dòng)測(cè)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(gè)通用、標(biāo)準(zhǔn)、模塊化的硬件平臺(tái)為依托，通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)無線電臺(tái)的各種功能，從基于硬件、面向用途的電臺(tái)設(shè)計(jì)方法中解放出來[3]。自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)信號(hào)源的靈活性和全面性提出了更高的要求，傳統(tǒng)的信號(hào)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(hào)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(shì)，更加適應(yīng)需要。同時(shí)，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(dòng)測(cè)試系統(tǒng)信號(hào)源的測(cè)試和校準(zhǔn)中，以航空導(dǎo)航VOR信號(hào)為例，對(duì)信號(hào)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(hào)

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(gè)復(fù)雜的無線電信號(hào)，經(jīng)機(jī)載VOR接收機(jī)解調(diào)后，測(cè)出地面甚高頻全向信標(biāo)臺(tái)相對(duì)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(hào)包括基準(zhǔn)相位信號(hào)和可變相位信號(hào)，通過對(duì)兩種信號(hào)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(hào)

VOR基準(zhǔn)相位信號(hào)(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(hào)調(diào)頻，調(diào)制系數(shù)16，表達(dá)式為：

1.2 VOR可變相位信號(hào)

可變相位信號(hào)(Variable Phase Signal)只包含單純的射頻載波，頻率范圍108MHz~117.95MHz。兩對(duì)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(chǎng)強(qiáng)均按30Hz的規(guī)律變化，這樣在空間就生成了一個(gè)30Hz正弦規(guī)律改變的調(diào)幅波，表達(dá)式為：

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(hào)處理。對(duì)于這種無線電系統(tǒng)，從實(shí)體上無法觀察到一個(gè)真正的電臺(tái)，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(gè)實(shí)時(shí)的同步系統(tǒng)，不適于嚴(yán)格定時(shí)采樣信號(hào)的實(shí)時(shí)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(shì)，最接近理想的軟件無線電，也更適于測(cè)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(hào)流方向一致，具有很高的效率，時(shí)延短，處理數(shù)率高，可以一定程度上彌補(bǔ)GPP信號(hào)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(dòng)，甚至總體結(jié)構(gòu)的改變。因?yàn)樵O(shè)計(jì)目的是針對(duì)測(cè)試系統(tǒng)信號(hào)源的測(cè)試和校準(zhǔn)，信號(hào)相對(duì)固定，不需要頻繁變動(dòng)，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(hào)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(shí)需要用到數(shù)字上變頻卡)，如果做無線發(fā)射和接收時(shí)需要附加天線和射頻放大器。信號(hào)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(shí)顯示，也可以保存成波形文件以便后續(xù)處理。

2.1 信號(hào)源

中頻信號(hào)用PXI-5421產(chǎn)生。這是一款可進(jìn)行板載信號(hào)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(dòng)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(cè)試信號(hào)，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(shí)帶寬和穩(wěn)定的時(shí)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(hào)，可調(diào)增益范圍130dB[9]。PXI-5421產(chǎn)生高頻VOR信號(hào)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(jì)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(jì)算機(jī)的PCI接口對(duì)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(dòng)態(tài)范圍信號(hào)設(shè)計(jì)，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(hào)。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(dòng)態(tài)范圍信號(hào)。

配合高達(dá)512MB的板載內(nèi)存，PCI-9846可以記錄更長時(shí)間的波形而不受限于PCI總線的傳輸速率。數(shù)字化的信號(hào)數(shù)據(jù)在傳輸?shù)街鞔鎯?chǔ)器以前先被存儲(chǔ)到板載內(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(gè)板載取樣點(diǎn)先進(jìn)先出存儲(chǔ)器，以實(shí)現(xiàn)繞過板載內(nèi)存而實(shí)時(shí)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(duì)極短時(shí)間間隔的多個(gè)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(shí)向PXI觸發(fā)總線輸出觸發(fā)或時(shí)基信號(hào)，在設(shè)置為“從”時(shí)從PXI觸發(fā)控制槽接收觸發(fā)或時(shí)基信號(hào)。PXI背板提供精準(zhǔn)的10MHz信號(hào)也可以用作一個(gè)時(shí)基信號(hào)源。

PCI-9846包含一個(gè)精確的低溫度漂移板載基準(zhǔn)。這不但可以提供一個(gè)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(dòng)校準(zhǔn)過程通過軟件完成，不需要任何手動(dòng)調(diào)整。一旦校準(zhǔn)過程完成，校準(zhǔn)信息將被存儲(chǔ)在板載EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器)，需要時(shí)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(tái)(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)，是一款基于G語言(Graphics Language，圖形化編程語言)的測(cè)試系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái)[11]。信號(hào)產(chǎn)生、數(shù)字化儀調(diào)用和數(shù)字信號(hào)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(hào)建模的結(jié)果(參考“1.3 合成信號(hào)”)，計(jì)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(hào)。調(diào)用DAQPilot相關(guān)模塊控制數(shù)字化儀進(jìn)行信號(hào)采集，并存儲(chǔ)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(hào)分析。信號(hào)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。

3. 運(yùn)行結(jié)果

按照設(shè)計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)連接好硬件，設(shè)置波形信息，基帶信號(hào)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(shí)間，VOR信號(hào)以1MHz為例。計(jì)算得出的波形存儲(chǔ)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(duì)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(shí)候采用IQ調(diào)制，I路為調(diào)制信號(hào)，Q路為0。寫入數(shù)據(jù)時(shí)選擇與生成時(shí)相同的采樣率，才能保證生成信號(hào)的頻譜正確。[12]

信號(hào)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(hào)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(shí)鐘設(shè)定為“Continuous Samples”，持續(xù)時(shí)間1秒。采樣后的數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)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(duì)信號(hào)的測(cè)量和驗(yàn)證，需要對(duì)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(hào)經(jīng)過相干解調(diào)后得到空間合成信號(hào)的外包絡(luò)，包括30Hz的可變相位信號(hào)，和9960Hz的調(diào)頻副載波。30Hz可變相位信號(hào)經(jīng)過30Hz濾波器直接得到，前面板可見其時(shí)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(hào)，前面板可見其相應(yīng)參數(shù)?；鶞?zhǔn)相位信號(hào)與可變相位信號(hào)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(shí)，其中的各個(gè)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。

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。基于此技術(shù)的測(cè)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(hào)向數(shù)字信號(hào)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(hào)的準(zhǔn)確采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換，并能存儲(chǔ)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(hào)處理實(shí)驗(yàn)，有待今后工作中繼續(xù)研究改進(jìn)。