馮翔，張斌

（空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，西安710077）

基于GUI和矢量信號(hào)源的微波著陸信號(hào)模擬器設(shè)計(jì)*

馮翔，張斌

（空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，西安710077）

提出了基于GUI和矢量信號(hào)源的微波著陸信號(hào)模擬器設(shè)計(jì)方法。首先利用MATLAB圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)了集信號(hào)參數(shù)設(shè)置、干擾模擬和基帶數(shù)據(jù)生成于一體的基帶波形仿真功能；其次提出了一種改進(jìn)的掃描波束模擬方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微波著陸掃描信號(hào)的精確模擬；最后利用矢量信號(hào)源MG3700A對(duì)基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行混合調(diào)制。測(cè)試結(jié)果表明，該信號(hào)模擬器達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

微波著陸系統(tǒng)，信號(hào)模擬器，信號(hào)參數(shù)，圖形用戶界面，矢量信號(hào)源

0 引言

微波著陸系統(tǒng)（MLS）是新一代飛機(jī)精密引導(dǎo)著陸系統(tǒng)，為等待著陸的飛機(jī)提供方位、仰角和距離信息，是我軍最重要的精密著陸系統(tǒng)［1］。靈活可靠的信號(hào)模擬器對(duì)于微波著陸系統(tǒng)的測(cè)試和校準(zhǔn)有著重要的意義。

當(dāng)前信號(hào)模擬器的設(shè)計(jì)方法大致可分為以下兩類。一類是專用的信號(hào)模擬器，國(guó)外對(duì)這種模擬器的研究比較成熟，已經(jīng)有型號(hào)產(chǎn)品提供，例如美國(guó)IFR公司生產(chǎn)的MLS-800，但是價(jià)格昂貴［2］。另一類是信號(hào)邊界固定的信號(hào)模擬器，這類信號(hào)模擬器先由計(jì)算機(jī)完成目標(biāo)信號(hào)的計(jì)算，形成數(shù)據(jù)文件，再將數(shù)據(jù)文件通過PCI總線等方式傳入FPGA與DSP，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的實(shí)時(shí)模擬［3］。這種方法設(shè)計(jì)的信號(hào)模擬器成本低，應(yīng)用廣泛。但也存在以下3個(gè)問題：一是快速靈活的基帶數(shù)據(jù)生成對(duì)人機(jī)交互提出了比較高的要求，人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)成為該類信號(hào)模擬器設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)；二是由于不同設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)思路和硬件實(shí)現(xiàn)方法不同，使得設(shè)計(jì)的產(chǎn)品難以維護(hù)，測(cè)試方法難以通用，這成為MLS測(cè)試中需要解決的實(shí)際問題；三是在硬件電路設(shè)計(jì)好后，信號(hào)的邊界已經(jīng)固定，使得難以在今后的使用中根據(jù)實(shí)際情況添加擴(kuò)展功能。

本文介紹的信號(hào)模擬器設(shè)計(jì)方法充分利用了GUI將人機(jī)交互和MATLAB強(qiáng)大的仿真功能結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)，使得基帶數(shù)據(jù)的生成和波形仿真完全由人機(jī)交互界面獨(dú)立實(shí)現(xiàn)，再利用矢量信號(hào)源實(shí)現(xiàn)基帶數(shù)據(jù)的混合調(diào)制，有效克服了前述信號(hào)模擬器設(shè)計(jì)中的缺點(diǎn)。不僅具有成本低，參數(shù)設(shè)置靈活，人機(jī)交互性能良好的優(yōu)點(diǎn)，而且由于基帶數(shù)據(jù)的生成完全依靠軟件實(shí)現(xiàn)，使得可以根據(jù)實(shí)際需要添加各種擴(kuò)展功能，大大縮短了系統(tǒng)調(diào)試的周期和成本。另外，采用專業(yè)儀器儀表公司生產(chǎn)的矢量信號(hào)源MG3700A代替FPGA實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制，既保證了信號(hào)模擬的精度，又便于配發(fā)和維護(hù)。

1 矢量信號(hào)源MG3700A簡(jiǎn)介

1.1MG3700A主要性能指標(biāo)

安立公司生產(chǎn)的矢量調(diào)制信號(hào)源M3700A在標(biāo)準(zhǔn)配置情況下不僅能產(chǎn)生目前第2代和第3代移動(dòng)通信所需要的信號(hào)，而且能產(chǎn)生第4代移動(dòng)通信和無(wú)線局域網(wǎng)系統(tǒng)所需要的信號(hào)，它為基站、無(wú)線電話等無(wú)線設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)提供了快速有效的解決方案［4］。其主要性能指標(biāo)如表1所示。可見，該矢量信號(hào)源完全滿足MLS信號(hào)模擬的要求。

表1 M3700A主要指標(biāo)

1.2MG3700A基本操作流程

MG3700A具有自帶的波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換文件IQproducer，為矢量信號(hào)源的使用提供了許多方便。在MLS信號(hào)模擬過程中使用MG3700A的基本操作流程為：首先實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和MG3700A的配置連接；然后利用IQproducer將基帶波形文件轉(zhuǎn)換為波形數(shù)據(jù)文件，并在time domain選項(xiàng)中查看峰值是否超限，波形是否削頂；最后將生成的波形數(shù)據(jù)文件下載到MG3700A內(nèi)，完成對(duì)基帶數(shù)據(jù)的調(diào)制。

2 系統(tǒng)工作原理

2.1MLS基本工作原理

MLS依據(jù)時(shí)間基準(zhǔn)波束掃描原理工作，由地面設(shè)備和機(jī)載設(shè)備組成［5］。MLS為待著陸飛機(jī)提供航向信息、下滑信息和距離信息，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的著陸引導(dǎo)［6］。MLS的測(cè)角通過時(shí)基掃描波束（TRSB）技術(shù)實(shí)現(xiàn)。MLS的地面設(shè)備的相控陣天線輻射一個(gè)很窄的扇狀波束，在覆蓋區(qū)內(nèi)以恒定速度進(jìn)行“往”、“返”掃描，機(jī)載設(shè)備接收“往”掃脈沖與“返”掃脈沖，通過測(cè)量“往”掃脈沖與“返”掃脈沖的時(shí)間差就可獲得相應(yīng)的角度信息。制導(dǎo)角度值與脈沖間隔時(shí)間差之間的關(guān)系為：

式中，θ為角度值；t為飛機(jī)接收的往返脈沖時(shí)間差；T0為0角度進(jìn)近時(shí)飛機(jī)接收到往返脈沖時(shí)間差；V為掃描速率。MLS測(cè)距算法為詢問應(yīng)答雙程脈沖測(cè)距，由獨(dú)立的測(cè)距設(shè)備精密測(cè)距器（DME/P）測(cè)量，在系統(tǒng)固定時(shí)延確定的情況下，測(cè)出詢問信號(hào)與回答信號(hào)之間的時(shí)間間隔就可解算出距離信息。

2.2MLS信號(hào)格式

MLS信號(hào)是一個(gè)時(shí)分發(fā)射的信號(hào)，采用了混合調(diào)制方式。MLS的方位信號(hào)、仰角信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)在統(tǒng)一頻率上時(shí)分發(fā)播，不同功能的信號(hào)占有各自的發(fā)射時(shí)隙［1］。調(diào)制方式上，MLS既有幅度調(diào)制還有BPSK調(diào)制和脈沖調(diào)制方式，可見MLS信號(hào)具有一定的復(fù)雜性。MLS信號(hào)格式如圖1所示。本信號(hào)模擬器設(shè)計(jì)中所有MLS基帶信號(hào)的生成，包括功能識(shí)別碼，基本數(shù)據(jù)字內(nèi)容，輔助數(shù)據(jù)字內(nèi)容及地址完全按照ICAO附件10［7］的要求完成。

圖1 MLS信號(hào)格式

2.3IQ調(diào)制原理

IQ調(diào)制原理又稱為正交調(diào)制原理，它表明一個(gè)調(diào)制信號(hào)可以等價(jià)為兩路相互正交的信號(hào)分別與cos（ωct）和sin（ωct）調(diào)制后的信號(hào)合成，即：

實(shí)際上I（t）和Q（t）是與s（t）有關(guān)的兩路相互正交的基帶信號(hào)，設(shè)s（t）的基帶信號(hào)為sb（t），則sb（t）可表示為：

本信號(hào)模擬器在生成MLS基帶信號(hào)時(shí)I路是基帶數(shù)據(jù)信號(hào)，Q路是與I路等長(zhǎng)的全0信號(hào)，這樣做不但保證了I路與Q路的正交性，而且簡(jiǎn)化了信號(hào)的生成。

3 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

3.1主界面布局

MATLAB的GUIDE中提供了多種設(shè)計(jì)模板，可以快速實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面的搭建，同時(shí)在添加好所用元素后會(huì)自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的M文件框架，是一種高效的面向?qū)ο蟮慕缑嬖O(shè)計(jì)方法。在界面的布局上，按不同的功能劃分不同的模塊，盡量做到簡(jiǎn)潔明了，整個(gè)主界面主要?jiǎng)澐譃橹鞑ㄊO(shè)置，多徑波束設(shè)置，數(shù)據(jù)字設(shè)置，干擾模擬這幾個(gè)模塊。

3.2主波束設(shè)置模塊

MLS的相控陣天線生成掃描波束的質(zhì)量直接影響到MLS的角度測(cè)量精度。主波束設(shè)置模塊中的參數(shù)設(shè)置項(xiàng)主要根據(jù)影響主波束質(zhì)量的因素進(jìn)行設(shè)置。角度設(shè)置項(xiàng)主要用來(lái)模擬掃描波束的角度；電平設(shè)置項(xiàng)主要用來(lái)模擬掃描信號(hào)的功率；波束寬度設(shè)置項(xiàng)用來(lái)設(shè)置掃描波束的寬度，它是影響掃描波束質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

3.3多徑波束設(shè)置模塊

多徑信號(hào)會(huì)對(duì)角度信號(hào)產(chǎn)生比較明顯的干擾，機(jī)場(chǎng)在選址和建設(shè)時(shí)對(duì)多徑信號(hào)有多種防范措施，但遠(yuǎn)處的山體或機(jī)場(chǎng)中的建筑物（主要是表面較光滑的大型的機(jī)棚），仍然會(huì)形成多徑干擾，不過產(chǎn)生的多徑信號(hào)的徑數(shù)已經(jīng)很少。多徑設(shè)置模塊主要通過多徑延遲和多徑信號(hào)強(qiáng)度這兩個(gè)參數(shù)模擬單徑的多徑角度信號(hào)，用于測(cè)試機(jī)載設(shè)備對(duì)多徑信號(hào)的可容忍度，如果后續(xù)應(yīng)用中需要加強(qiáng)多徑干擾的模擬，可以進(jìn)行擴(kuò)展，只要增加相應(yīng)選項(xiàng)和代碼即可。

3.4干擾模擬模塊

干擾模擬模塊主要模擬兩種干擾，一種是背景噪聲，主要測(cè)試機(jī)載接收機(jī)的靈敏度；另一種是螺旋槳調(diào)制干擾。所謂螺旋槳調(diào)制是指對(duì)于帶有螺旋槳的飛機(jī)，如果機(jī)載接收機(jī)天線裝在螺旋槳的后側(cè)，則由于螺旋槳對(duì)電波的周期性阻斷，使得接收機(jī)收到的信號(hào)成為一個(gè)調(diào)幅信號(hào)，對(duì)接收機(jī)的處理產(chǎn)生不利影響。由于現(xiàn)在基本都是噴氣式飛機(jī)，螺旋槳調(diào)制干擾的模擬作為擴(kuò)展項(xiàng)，按實(shí)際情況選定是否添加該功能。

3.5數(shù)據(jù)字設(shè)置模塊及界面中的參數(shù)傳遞

由于MLS的數(shù)據(jù)字種類較多，內(nèi)容也各不相同，考慮到界面設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)潔性，數(shù)據(jù)字設(shè)置采用調(diào)用子界面的方法實(shí)現(xiàn)，用戶只要點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕就會(huì)彈出相應(yīng)的數(shù)據(jù)字設(shè)置界面，設(shè)置完成后關(guān)閉即可。采用這種方法可以提供比較好的人機(jī)交互，但也使得界面之間的參數(shù)傳遞變得十分關(guān)鍵，單一的參數(shù)傳遞方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。結(jié)合GUI的特點(diǎn)，同一界面內(nèi)采用GUI數(shù)據(jù)（handles結(jié)構(gòu)體）傳遞數(shù)據(jù)，handles結(jié)構(gòu)體在GUIDE生成界面時(shí)會(huì)自動(dòng)生成。對(duì)于需要在界面之間快速傳遞的變量數(shù)據(jù)，統(tǒng)一采用全局變量的方法傳遞，對(duì)于需要實(shí)時(shí)保存的變量數(shù)據(jù)采用調(diào)用save與load函數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)保存和加載。

4 基帶數(shù)據(jù)生成

4.1程序設(shè)計(jì)

基帶數(shù)據(jù)生成采用模塊化的編程思想，按照主界面、數(shù)據(jù)字設(shè)置子界面、波形顯示子界面3部分編寫。MLS基帶數(shù)據(jù)的生成和波形仿真統(tǒng)一在波形顯示子界面中編程實(shí)現(xiàn)，主界面通過調(diào)用子界面完成相應(yīng)功能，程序流程圖如圖2所示。

圖2 基帶數(shù)據(jù)生成流程圖

4.2改進(jìn)的掃描波束模擬方法

掃描波束模擬是方位和仰角信號(hào)模擬中的關(guān)鍵部分，實(shí)際測(cè)試中要求掃描波束的波束寬度可調(diào)，這成為波束模擬中的難點(diǎn)。波束寬度是指掃描波束主波束-3 dB處的寬度。以往的文獻(xiàn)中采用sinx/x的形式模擬掃描波束，這種方法雖然可以形象地模擬掃描波束的主瓣和旁瓣，但是這種方法不適合快速模擬寬度可調(diào)的掃描波束［13］。

針對(duì)這一問題，本文提出了改進(jìn)的掃描波束模擬方法，即利用主瓣等效替代模型對(duì)掃描波束進(jìn)行建模。主瓣等效替代模型為：

其中，B為3 dB主瓣波束寬度。

主瓣等效替代模型一般用于多徑條件下測(cè)角誤差的分析，它用同等寬度的高斯鐘形脈沖替代掃描波束的主瓣，可以快速分析多徑條件下接收機(jī)的測(cè)角誤差［11-13］。根據(jù)MLS機(jī)載接收機(jī)原理，機(jī)載接收機(jī)并不是利用整個(gè)掃描波束來(lái)完成角度的解算，而是先檢出峰值電平，再以此電平為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置3 dB門限，高于該門限的部分才能進(jìn)入接收機(jī)，用于解算角度信息。所以對(duì)于機(jī)載接收機(jī)來(lái)說，波束主瓣中高于3 dB門限的部分才是有用信號(hào)，天線副瓣和主瓣中低于3 dB門限的部分可以不做考慮。MLS信號(hào)源作為MLS機(jī)載接收機(jī)的測(cè)試設(shè)備，用這種方法對(duì)掃描波束建模，在原理上是可行的。

假設(shè)掃描波束寬度為3，兩種形式的掃描波束對(duì)比及誤差仿真如圖3所示。

圖3 采用主瓣替代后的誤差仿真

分析圖3可知，在3 dB門限以上的范圍內(nèi)，采用主瓣等效替代后的誤差幾乎為0。因此，在不考慮波束旁瓣影響的情況下，用主瓣等效替代的方法模擬掃描波束是一種準(zhǔn)確有效的波束模擬方法。

4.3基帶波形仿真

設(shè)置方位模擬角度為16°，仰角模擬角度為10°，波束寬度為3，前導(dǎo)碼和數(shù)據(jù)字電平為1 dB，掃描波束電平為9 dB，多路徑波束電平為0.05 dB，基帶信噪比為30 dB，多徑時(shí)延為500 us的基帶仿真波形如圖4所示。

圖4 MLS基帶信號(hào)

5 矢量信號(hào)源輸出信號(hào)分析

5.1掃描信號(hào)分析

設(shè)置方位信號(hào)角度為16°，將生成的基帶信號(hào)導(dǎo)入矢量信號(hào)源，用示波器測(cè)量往返掃描脈沖之間的時(shí)間間隔Δt。示波器測(cè)試圖如圖5所示。

圖5 實(shí)測(cè)方位掃描信號(hào)

根據(jù)MLS信號(hào)格式，飛機(jī)以零角度進(jìn)近時(shí)收到的方位信號(hào)往返掃描脈沖間的時(shí)間差為6.8 ms［1］，天線波束的掃描速度為20 000°/s，示波器測(cè)得的往返掃描脈沖間的時(shí)間差為5.20 ms，根據(jù)2.1節(jié)式（1）計(jì)算得到的制導(dǎo)角度值：

可見實(shí)測(cè)值與預(yù)設(shè)值是相符的，說明該信號(hào)模擬器角度的模擬是準(zhǔn)確的。

5.2多徑信號(hào)分析

設(shè)置多徑時(shí)延為500 us，矢量信號(hào)源輸出的多徑信號(hào)波形如圖6所示。

圖6 實(shí)測(cè)多徑信號(hào)

用示波器測(cè)得的方位掃描脈沖和多徑信號(hào)脈沖之間的時(shí)間間隔也為500 us，可見多徑時(shí)延的預(yù)設(shè)值與實(shí)測(cè)值完全相符。

6 結(jié)論

本文提出的基于GUI和矢量信號(hào)源的信號(hào)模擬器設(shè)計(jì)方法，有效解決了MLS信號(hào)模擬中信號(hào)參數(shù)難以快速、靈活設(shè)置以及人機(jī)交互不便的問題，并且采用改進(jìn)的掃描波束模擬方法，大大簡(jiǎn)化了掃描波束的建模，實(shí)現(xiàn)了掃描波束寬度的快速精確模擬。經(jīng)過試驗(yàn)，該信號(hào)模擬器可以靈活快速地模擬MLS信號(hào)，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。這種信號(hào)模擬器的設(shè)計(jì)方法還可用于其他導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)模擬器的設(shè)計(jì)。

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Design of Microwave Landing Signal Simulator Based on GUI and Vector Signal Generator

FENG Xiang，ZHANG Bin
（School of Information and Navigation，Air Force Engineering University，Xi’an 710077，China）

A design method of microwave landing signal simulator based on GUI and vector signal generator is proposed in this paper.First，a human-computer interaction interface with the function of signal parameters setting，interference simulation and baseband data generation is designed by MATLAB GUIDE.Second，an improved method of the scanning beam simulation which can realize accurate simulation of the microwave landing scanning single is proposed.Finally，baseband data is hybrid modulated by using vector signal generator MG3700A.The test results show that the signal simulator meets requirements of design.

microwavelandingsystem，signalsimulator，signalparameter，GUI，vectorsignal generator

TN955

A

1002-0640（2016）11-0158-05

2015-10-11

2015-11-02

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61273048）

馮翔（1991-），男，甘肅天祝人，碩士研究生。研究方向：軍用無(wú)線電導(dǎo)航。