張震，張光山

（中國電子科技集團公司第四十一研究所，山東青島，266555）

0 引言

無線電羅盤又稱為自動定向機(ADF)，是一種非自主式的振幅測向近程導(dǎo)航設(shè)備，其對應(yīng)的地面無線電導(dǎo)航臺為無方向信標(NDB)，ADF—NDB是第一個用于航空的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，由于它具有結(jié)構(gòu)簡單、使用維護方便、價格低廉等優(yōu)點，至今仍廣泛用于飛機導(dǎo)航，并成為目前包括直升機在內(nèi)的各種飛機的一種常備導(dǎo)航設(shè)備。無線電羅盤信號模擬器為便于機載無線電羅盤設(shè)備的檢測與維修而開發(fā)，是眾多無線電導(dǎo)航設(shè)備模擬器中的一種。各種無線電導(dǎo)航設(shè)備現(xiàn)場維護保障模式通常采用針對特定設(shè)備的多個模擬器來分別完成各個設(shè)備的現(xiàn)場檢測。為了滿足各種不同型號設(shè)備現(xiàn)場維護保障的需求，要配備大量的模擬器，造成現(xiàn)場維護保障規(guī)模龐大，不方便隨飛機轉(zhuǎn)場。

為解決模擬器小型化問題，本文提出一種基于PXI總線合成儀器和軟件無線電架構(gòu)的無線電羅盤信號模擬器，通過全數(shù)字合成無線電羅盤模擬信號，達到減小體積、方便集成的目的，可以很好適應(yīng)航空無線電導(dǎo)航設(shè)備的外場維修檢測。

1 軟件無線電思想以及無線電羅盤結(jié)構(gòu)

軟件無線電是一種無線電廣播通信技術(shù)，基本思想是以一個固定的硬件平臺為基礎(chǔ)，通過軟件來實現(xiàn)無線電臺的各項功能。

圖1 模擬器硬件方案原理框圖

無線電羅盤通過組合天線接收地面導(dǎo)航臺發(fā)射的中波信號，并從中解析出飛機縱軸相對于導(dǎo)航臺的方位角度信息，從而實現(xiàn)對飛機的正確導(dǎo)航。目前大多數(shù)無線電羅盤系統(tǒng)主要有接收機、控制臺、方位指示器以及組合天線構(gòu)成，其中羅盤接收機用于解析調(diào)相或者調(diào)幅羅盤信號，控制盒用于轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的工作轉(zhuǎn)臺，方位指示器用于指示飛機、電臺的相對方位。組合天線是由兩個環(huán)形天線和一個垂直天線以及天線信號變換電路部件組成，其中的兩個環(huán)形天線分別叫做正弦環(huán)形天線和余弦環(huán)形天線。環(huán)形天線是一種方向性天線，其方向性是在水平面以環(huán)形天線為中心的“8”字圖形，在垂直方向沒有方向性。而垂直天線則是一種無方向性天線，將環(huán)形天線和垂直天線組合后其方向性是一種“心”形圖形，具有單值定向的特性，利用這一特性可以是實現(xiàn)對飛機方位的精確導(dǎo)航。

1.1 PXI總線無線電羅盤信號模擬器硬件總體方案

PXI總線無線電羅盤信號模擬器硬件方案原理框圖如圖1所示。

硬件方案包括音頻調(diào)制信號采集電路、模擬信號生成電路、FPGA控制及信號合成、PLL+DDS時鐘產(chǎn)生電路、PXI接口電路以及相關(guān)電源等幾大部分組成。

音頻調(diào)制信號采集電路主要用來采集來自于無線電羅盤接收機輸出的頻率為350Hz～1400Hz，幅度為11Vpp的兩路正交音頻調(diào)制信號。采集到的數(shù)字信號傳送到FPGA中進行調(diào)制處理。

模擬信號生成電路主要用于將FPGA產(chǎn)生的數(shù)字信號經(jīng)過DAC轉(zhuǎn)換電路、低通濾波電路、放大以及衰減電路以輸出頻率為150kHz～1750 kHz，信號幅度為1μV～100mV的模擬信號。

FPGA控制及信號合成主要用于數(shù)字控制以及內(nèi)部數(shù)字信號處理。

PLL+DDS時鐘產(chǎn)生電路主要用來產(chǎn)生ADC的12.288MHz工作時鐘信號。其中PLL電路以10MHz時鐘為參考產(chǎn)生100MHz的時鐘信號，而DDS電路再以100MHz為參考時鐘產(chǎn)生12.288MHz的時鐘信號。

PXI接口電路主要實現(xiàn)與上位機的通信，將上位機軟件設(shè)置的模擬方位以及控制信號等參數(shù)傳送到FPGA中。

本設(shè)計采用全數(shù)字方式合成無線電羅盤信號模擬信號，信號的數(shù)字處理以及合成全部在FPGA中完成，因此FPGA是本設(shè)計的核心，F(xiàn)PGA信號處理流程如圖2所示。

圖2 模擬器信號處理流程圖

FPGA利用直接數(shù)字合成技術(shù), 產(chǎn)生羅盤工作頻段150kHz～1750kHz的信號，由此信號產(chǎn)生三路信號e1、e2、e3， e1作為垂直天線信號，e2和e3進行方位角度調(diào)制后得到環(huán)天線信號e4和e5。e4和e5再經(jīng)幅度控制分別與調(diào)制信號采集電路獲得的正弦調(diào)制信號e6和余弦調(diào)制信號e7進行平衡調(diào)制，調(diào)制信號e10疊加垂直天線信號e1后輸出至DAC芯片，轉(zhuǎn)換為模擬天線信號。此信號提供給機載無線電羅盤，完成無線電羅盤的性能指標測試。

1.2 PXI總線無線電羅盤信號模擬器軟件方案

無線電羅盤信號模擬器軟件功能包括輸出頻率設(shè)置、模擬方位角度設(shè)置、輸出幅度設(shè)置以及調(diào)制深度設(shè)置。軟件功能框圖如圖3所示。

圖3 軟件功能框圖

具體軟件設(shè)計要求如下：

（1）輸出頻率設(shè)置

根據(jù)無線電羅盤工作頻段，設(shè)置DDS相應(yīng)參數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)頻率的載波信號，頻率步進1Hz。

（2）模擬方位角度設(shè)置

模擬方位角度范圍0°～359.9°，角度步進0.1°。通過對FPGA傳送角度正、余弦值來設(shè)置模擬方位角度信息。

（3）輸出幅度設(shè)置

輸出幅度為1μV～100mV，通過控制多級數(shù)字衰減器實現(xiàn)信號幅度的控制。

（4）調(diào)制度設(shè)置

調(diào)制度0%～80%，通過對調(diào)制信號幅度控制來控制調(diào)制度。

無線電羅盤信號模擬器軟件界面如圖4所示。

圖4 軟件主界面

軟件可以實現(xiàn)如下功能：

（1）輸出頻率設(shè)置；

可以設(shè)置無線電羅盤信號模擬器的輸出頻率，范圍為150kHz～1750kHz。根據(jù)用戶設(shè)置的輸出頻率顯示對應(yīng)的輸出頻率。

（2）模擬角度設(shè)置；

可設(shè)置模擬方位角度，范圍為0°～359.9°。

（3）輸出幅度設(shè)置；

（4）調(diào)制度設(shè)置。

2 PXI總線無線電羅盤信號模擬器輸出結(jié)果分析

根據(jù)上述方案設(shè)計的無線電羅盤信號模擬器各項指標均滿足設(shè)計要求。采用Kesight公司N9030A信號分析儀對輸出信號進行分析，結(jié)果如下：

表1 模擬方位角度（°）測量結(jié)果

表2 輸出幅度（mV）測量結(jié)果

表3 輸出頻率（kHz）測量結(jié)果

表1～表3的實測結(jié)果充分驗證了本文提出的基于PXI總線無線電羅盤信號模擬方案的可行性。依據(jù)該方案設(shè)計的無線電羅盤信號模擬器已經(jīng)在航電自動測試系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

3 結(jié)論

本文提出一種基于PXI總線合成儀器的無線電羅盤信號模擬器設(shè)計方法，采用軟件無線電和標準總線的開放式體系架構(gòu)，實現(xiàn)對無線電羅盤導(dǎo)航信號的模擬。該導(dǎo)航模擬器具有體積小、成本低與適合外場應(yīng)用等優(yōu)點，可用于航電自動測試系統(tǒng)的搭建以及便攜式外場導(dǎo)航模擬器平臺的構(gòu)建，提高無線電羅盤設(shè)備的外場保障能力。