基于凌華科技PCI-9846 的航空導航VOR信號綜測儀設計

?應用領(lǐng)域
航空導航設備測試應用，信號產(chǎn)生與采集。
?挑戰
航空電子設備的測試要求利用有限的資源，構建功能多樣化的自動(dòng)測試系統。機載電子設備的信號多且復雜，涵蓋了低頻和高頻信號、連續和離散信號，同時(shí)還包括一些非電信號。傳統的測試系統采用分立儀器搭建，這種方法成本高，測量自動(dòng)化程度低，擴展性差。隨著(zhù)民用航空運輸業(yè)的發(fā)展，大部分機載飛行電子設備高度數字化、集成化，已不可能靠人工手動(dòng)對其進(jìn)行測試檢查，傳統的儀器也難以滿(mǎn)足需求。與之相比，基于軟件無(wú)線(xiàn)電的信號處理機制由于它所具有的靈活性、開(kāi)放性等特點(diǎn)，有著(zhù)突出的優(yōu)勢，更加適應需要。同時(shí)，這也將為相關(guān)的教學(xué)研究提供便利。
?解決方案
以航空導航VOR信號為例。研究VOR導航原理，對其合成信號進(jìn)行分析和建模。波形的時(shí)域數據可以方便地用公示表達和計算，得到的數據輸入到DAC，即可生成模擬波形，再經(jīng)過(guò)上變頻達到所需頻率。對于已有的模擬信號，調用PCI-9846高速數字化儀進(jìn)行采集，采集的數據可以實(shí)時(shí)顯示，也可以存儲為文件方便日后調用和分析。經(jīng)驗證，軟件無(wú)線(xiàn)電在自動(dòng)測試系統的應用可以大大節約成本，簡(jiǎn)化系統，并提高效率。數字化儀的性能指標可以滿(mǎn)足需要。

基于凌華科技PCI-9846 的航空導航VOR信號綜測儀設計

摘要：以航空導航VOR（Very High Frequency Omnidirectional Range，甚高頻全向信標）信號為例，用凌華科技PCI-9846高速數字化儀進(jìn)行采集，并完成時(shí)域及頻域的分析，解調后可以還原出方位信息，以此快捷地檢驗信號準確性。經(jīng)驗證，軟件無(wú)線(xiàn)電在自動(dòng)測試系統的應用可以大大節約成本，簡(jiǎn)化系統，并提高效率。數字化儀的相關(guān)性能指標可以滿(mǎn)足需要。

引言:航空電子設備的測試要求利用有限的資源，構建功能多樣化的自動(dòng)測試系統。機載電子設備的信號多且復雜，涵蓋了低頻和高頻信號、連續和離散信號，同時(shí)還包括一些非電信號。傳統的測試系統采用分立儀器搭建，這種方法成本高，測量自動(dòng)化程度低，擴展性差。隨著(zhù)民用航空運輸業(yè)的發(fā)展，大部分機載飛行電子設備高度數字化、集成化，已不可能靠人工手動(dòng)對其進(jìn)行測試檢查。所以目前世界各發(fā)達國家均采用自動(dòng)測試設備完成此類(lèi)工作。[1][2]

軟件無(wú)線(xiàn)電的基本思想是以一個(gè)通用、標準、模塊化的硬件平臺為依托，通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現無(wú)線(xiàn)電臺的各種功能，從基于硬件、面向用途的電臺設計方法中解放出來(lái)[3]。自動(dòng)測試系統對信號源的靈活性和全面性提出了更高的要求，傳統的信號發(fā)生器難以滿(mǎn)足需求[4]。與之相比，基于軟件無(wú)線(xiàn)電的信號發(fā)生器由于它所具有的靈活性、開(kāi)放性等特點(diǎn)，有著(zhù)突出的優(yōu)勢，更加適應需要。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運用于自動(dòng)測試系統信號源的測試和校準中，以航空導航VOR信號為例，對信號進(jìn)行采集和處理，還原出基本信息。證明數字化儀的性能指標可以滿(mǎn)足需要。

1.VOR信號

甚高頻全向信標的基本功用是為機載VOR接收機提供一個(gè)復雜的無(wú)線(xiàn)電信號，經(jīng)機載VOR接收機解調后，測出地面甚高頻全向信標臺相對于飛機的磁方位即VOR方位[5]。機載接收機接收到的空間合成VOR信號包括基準相位信號和可變相位信號，通過(guò)對兩種信號相位的比較來(lái)實(shí)現定向。VOR工作頻率范圍108MHz~117.95MHz，波道間隔0.05MHz。

1.1 VOR基準相位信號

VOR基準相位信號（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基準信號調頻，調制系數16，表達式為：

式中是副載波對射頻載波的調幅系數，為副載波頻率，為對副載波的調制系數，為基帶信號頻率，為射頻頻率。

基準相位信號在空間0°~360°各徑向方位上輻射信號的強度和所含30Hz信號的相位都不變，輻射場(chǎng)的水平方向性圖為一個(gè)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(xiàn)分別輻射正弦調制邊帶波和余弦調制邊帶波，場(chǎng)強均按30Hz的規律變化，這樣在空間就生成了一個(gè)30Hz正弦規律改變的調幅波，表達式為：

（2）

式中是當前VOR徑向方位角。

1.3 合成信號

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

（3）

接收機通過(guò)解調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.系統實(shí)現

采用以GPP(General-Purpose Processor，通用處理器)為基礎的體系結構，直接用工控機進(jìn)行數字信號處理。對于這種無(wú)線(xiàn)電系統，從實(shí)體上無(wú)法觀(guān)察到一個(gè)真正的電臺，它完全從軟件角度解決無(wú)線(xiàn)電通信問(wèn)題。由于通用機不是一個(gè)實(shí)時(shí)的同步系統，不適于嚴格定時(shí)采樣信號的實(shí)時(shí)處理，只能通過(guò)中斷來(lái)保持一定的同步。但是因其開(kāi)放性、靈活性、可編程性和人機界面方面的優(yōu)勢，最接近理想的軟件無(wú)線(xiàn)電，也更適于測試、教學(xué)和研究。

系統選用流水線(xiàn)形式進(jìn)行連接，與信號流方向一致，具有很高的效率，時(shí)延短，處理數率高，可以一定程度上彌補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，獨立程度不高。如果系統功能改變，需要增加、去除或修改某一模塊，牽扯到相應的模塊變動(dòng)，甚至總體結構的改變。因為設計目的是針對測試系統信號源的測試和校準，信號相對固定，不需要頻繁變動(dòng)，所以選用流水式結構，結構框圖如圖2所示[7]。信號的產(chǎn)生和處理由工控機完成，任意波形發(fā)生模塊（Arbitrary Waveform Generator，AWG）實(shí)現波形輸出（高頻時(shí)需要用到數字上變頻卡），如果做無(wú)線(xiàn)發(fā)射和接收時(shí)需要附加天線(xiàn)和射頻放大器。信號的采集和數模轉換由凌華科技PCI-9846高速數字化儀完成，轉換結果可以實(shí)時(shí)顯示，也可以保存成波形文件以便后續處理。

圖2 系統框圖

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(wú)寄生動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)，可為要求數字上變頻和基帶插值的應用提供儀器質(zhì)量標準。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，其內有2.7 GHz上變頻器，具有高實(shí)時(shí)帶寬和穩定的時(shí)基，其精度可達±50ppb。在射頻生成應用中，與模塊化函數發(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。采用NI PXI-PCI833x 套件，可使用通過(guò)銅纜連接的完全透明的MXI-4網(wǎng)絡(luò )在計算機上控制PXI模塊。MXI-4通過(guò)在PCI-PCI高帶寬連接上搭建橋路，通過(guò)計算機的PCI接口對PXI系統進(jìn)行遠程控制。

2.2 數據采集

用凌華科技PCI-9846高速數字化儀完成數據采集。凌華科技PCI-9846是具有40MHz采樣頻率的16位4通道數字化儀，專(zhuān)為高頻率、大動(dòng)態(tài)范圍信號設計，最高輸入頻率可達20MHz。模擬輸入量程可以通過(guò)軟件設定為±1V或±0.2V，可選擇50歐輸入阻抗，以適應高速、高頻信號。裝有4通道高線(xiàn)性16位A/D轉換器，可以理想地適應諸如雷達、超聲波及軟件無(wú)線(xiàn)電等大動(dòng)態(tài)范圍信號。

配合高達512MB的板載內存，PCI-9846可以記錄更長(cháng)時(shí)間的波形而不受限于PCI總線(xiàn)的傳輸速率。數字化的信號數據在傳輸到主存儲器以前先被存儲到板載內存。數據傳輸采用SG-DMA(Scatter-gather Direct Memory Access，分散－聚集直接內存讀?。┓绞?，可以提供更高的數據傳輸率，并可更有效的利用系統內存。如果數字化儀的數據傳輸速率低于可用的PCI總線(xiàn)帶寬，PCI-9846還設有一個(gè)板載取樣點(diǎn)先進(jìn)先出存儲器，以實(shí)現繞過(guò)板載內存而實(shí)時(shí)直接將數據傳輸到主機內存。

PCI-9846具有靈活的觸發(fā)選項，包括軟件觸發(fā)、外部數字觸發(fā)、任意模擬通道的模擬觸發(fā)以及PXI總線(xiàn)觸發(fā)。多樣的觸發(fā)方式使其更適應需求。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)事件附近的數據。PCI-9846也可以重復觸發(fā)采集，以便對極短時(shí)間間隔的多個(gè)數據段進(jìn)行采集。PXI背板提供的多種觸發(fā)選項使PCI-9846可以簡(jiǎn)便地實(shí)現多模塊同步。利用PXI觸發(fā)總線(xiàn)，PCI-9846可以在設置為“主”時(shí)向PXI觸發(fā)總線(xiàn)輸出觸發(fā)或時(shí)基信號，在設置為“從”時(shí)從PXI觸發(fā)控制槽接收觸發(fā)或時(shí)基信號。PXI背板提供精準的10MHz信號也可以用作一個(gè)時(shí)基信號源。

PCI-9846包含一個(gè)精確的低溫度漂移板載基準。這不但可以提供一個(gè)穩定的校準源，亦能保證在較大溫度變化范圍的數據采集穩定性。自動(dòng)校準過(guò)程通過(guò)軟件完成，不需要任何手動(dòng)調整。一旦校準過(guò)程完成，校準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(shí)校準值可從板上加載。[10]