基于矢量信號發生器的微波著陸信號模擬

董建濤　胡麗娟

摘 要： 針對當前微波著陸裝備測試的迫切需要，提出一種基于矢量信號發生器硬件架構的微波著陸模擬器的實現方式，并提出了一種基于FPGA的微波著陸系統基帶信號設計方法。對微波著陸信號的格式和信號時序進行了仿真，并對各種角功能信號和數據字結構進行了實際測試，證明了該模擬器性能達到裝備測試要求。

關鍵詞： 微波著陸系統； FPGA； 信號格式仿真； 數據字

中圖分類號： TN965.3?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）09?0053?03

0 引 言

微波著陸系統（MLS）是一種新型的飛機著陸引導設備，能提供精確的方位角、俯仰角以及距離等引導信息。微波著陸系統的信號編碼格式采用時分多路復用技術，各種導航功能和數據傳輸功能在統一頻率上工作，方位信息、俯仰角信息和數據字在同一信號格式里各自占有一定的發射時隙。信號編碼以不同的前導碼區別不同功能的信號，各種功能信號隨機發射，提高信號抗同步干擾能力。微波著陸系統信號可以根據不同的需要增加或者刪除某些功能，具備靈活的適應性，也給信號的擴展留有了余地。

1 微波著陸系統基本原理

微波著陸信號采用了時分多路復用（TDM）技術，不同功能的導航信號及數據字占有不同的發射時隙，在每一個功能發射時隙前部用前導碼來區分不同的功能塊。

微波著陸系統的測角算法基于時基掃描波束技術。在比例制導區內，飛機接收地面導航設備的掃描天線發射的“往”掃描脈沖與“返”掃描脈沖，脈沖以恒定的速度掃描，從一個端點掃描到另一端點，測出這兩個掃描脈沖之間的時間差。根據掃描速度計算得到飛機所處的位置相對于跑道中心線的方位角度。圖1為方位計算示意圖。

圖1 微波著陸系統方位計算原理圖

2 整機設計

整機采用基于現代計算機技術的智能化儀器平臺，選用Windows XP多任務操作系統，在設計中遵循模塊化選項化的設計理念，把整機硬件和軟件分成多個功能相對獨立的模塊。

其硬件平臺主要由主控計算機、基帶信號發生單元、信號調制單元、本振發生單元、功率控制及穩幅單元六個部分組成，如圖2所示，整機主控平臺為所有整機功能單元提供工作環境支撐，并根據微波著陸信號模擬過程中實際的需求，發送相應的指令。

圖2 微波著陸模擬器的整機框架

2.1 頻率合成單元

頻率合成單元采用單環設計產生5 031～5 091 MHz的低噪聲連續波信號，信號利用Hittite公司的HMC833LP6GE設計，可提供頻率范圍是25～6 000 MHz，相位噪聲是-110 dBc/Hz@10 kHz，并通過24 b的數字信號控制，實現3 Hz的頻率分辨率，可以極好地滿足微波著陸信號的模擬。

頻率合成單元的參考信號由恒溫晶振產生，產生的參考信號功分兩路后，一路作為本振信號的鑒相頻率，一路作為基帶單元DA采樣時鐘的鑒相頻率，保證微波著陸信號的載波信號與基帶信號同源。

2.2 基帶單元

基帶單元電路包括存儲芯片、FPGA及其附屬電路、DA以及重構濾波器電路，主要功能是實現方位引導信號、仰角引導信號和數據字信號的基帶信號。采用了Altera公司的Stratix IV系列的FPGA，該款FPGA的內部資源以及管腳數量能夠完全滿足微波著陸信號模擬器的設計，完成全功能設計使用了69%的資源。

微波著陸基帶信號格式在FPGA中產生。根據微波著陸的信號格式，FPGA內部調用相應的程序模塊，產生相應格式的基帶信號后進行模數轉換，并同時產生功能信號的同步信號。基帶信號發生單元產生滿足指標要求的方位角信號、俯仰角信號、數據字等IQ信號，輸入至信號調制單元，并根據溫度的變化進行時間精度的補償。

2.3 調制單元

調制單元的主要組成是IQ調制器、帶通濾波器以及功率調理電路組成。在微波著陸信號中最復雜的是DPSK信號，可通過設置基帶信號的0°和180°實現相位的180°旋轉，因此只使用IQ調制器一路，另一路置0值的偏置電壓；帶通濾波器主要是濾除調制和傳輸過程中的干擾信號。

2.4 功率控制及穩幅單元

功率控制及穩幅單元主要實現微波著陸的寬功率范圍，及提高功率的精度，主要由衰減器和開關組成。衰減器采用了Peregrine公司的PE43703，每個可提供最大30 dB的范圍，一般使用4就可提供-110～0 dB的范圍，精度是0.25 dB；穩幅部分主要由壓控衰減器、通道放大、功分/耦合電路、檢波電路、積分求和電路、參考預置電路等組成。由于前端衰減器的高精度，穩幅環路將在0.5 dB的范圍內穩幅，極大的提高了功率的精度。ALC環路的實現方案如下，定向耦合器與檢波器從RF通路中耦合出檢波信號，將其轉化成一個直流電壓。耦合出的信號是按照已知的比例從RF信號中得到，因此利用檢波器轉化出來的直流檢波電壓是實時反映RF通路中功率大小。檢波電壓經過放大與環路提供的參考電壓相比較進行積分，攜帶誤差信息的積分電壓用來驅動調制電路，通過調節調制器的衰減來控制RF功率。因此，在ALC環路閉合時，輸出信號電平能夠一直被監控，通過調節調制二極管，輸出所需的RF電平信號。參考電壓是由CPU根據設置的RF輸出功率電平及各種參數計算后，控制DAC電路產生的。

3 基于FPGA的微波著陸基帶信號模擬

3.1 模擬信號格式

微波著陸信號的各種功能字在同一信號格式里，各自占有一定的發射時隙。各功能時隙都分成寬波束的扇區信號向全部覆蓋扇區內發射。微波著陸系統每個周期的功能信號，主要由前導碼和掃描信號兩部分組成。

前導碼部分由無調制的載波脈沖、5位基準巴克碼及7位功能識別碼等三部分組成。各功能的前導部分都占有相同的時間1.6 ms，其余部分的時間視功能不同而相異。

掃描信號部分主要有測試脈沖、掃描脈沖、干擾脈沖和多徑信號共四種信號形式。掃描信號頻譜分布規律符合[sin xx]的函數關系。多徑干擾模式分為單獨信號模式、單獨多徑1信號模式、單獨多徑2信號模式、掃描脈沖和多徑1信號模式、掃描脈沖和多徑2信號模式、掃描信號和多徑1信號還有多徑2信號模式共五種。

3.2 基帶模擬信號產生流程

FPGA是微波著陸基帶信號模擬的核心部分，各個程序模塊都在FPGA內部使用硬件描述語言Verilog產生，這樣設計保證了程序的實時性以及可靠性。

微波著陸系統基帶模擬信號的參數控制信息在上位機產生，并通過PCI總線接口傳輸給以FPGA為核心的基帶信號發生單元硬件電路；微波著陸系統基帶模擬數字信號程序通過JTAG口下載到FPGA的配置芯片中，經FPGA處理后得到所需微波著陸系統信號數據傳輸給機載接收設備。

程序總共開發了20個基本功能模塊，分別是：時序模塊、方位（AZ）信號模塊、反方位（BAZ）信號模塊、仰角（EL）信號模塊、拉平（FL）信號模塊、反向方位 （BAZ）模塊、高速進場方位（HAZ）信號模塊、基本數據字1～6信號模塊、輔助數據字1～6模塊和螺旋槳干擾及6.75 Hz干擾信號模塊。通過這20個基本的程序模塊控制組成產生序列1信號模塊、序列2信號模塊、高速序列1信號模塊、高速序列2信號模塊、全周期信號模塊、高速全周期信號模塊。

圖3是全周期信號的程序流程圖，全周期信號包括序列1信號和序列2信號，對于不用的或地面沒有的功能，保留相應的時隙，以保證所擁有的功能的時隙不變，基本數據字在序列1與序列2之間的空隙。

圖3 MLS全功能發射序列流程圖

軟件初始化后，上位機通過PCI總線將模式選擇指令，發送FPGA，進行模式選擇，可以有六種模式選擇，根據不同的模式以及模式內部不同的信號模塊，時基模塊內部調整不同的工作時基。當選擇全周期模塊后，確定好時基之后，進入序列1和序列2信號處理，分別調用不同的信號模塊，如方位信號模塊、仰角信號模塊等，在最終輸出時，根據不同的時基需要，將各信號疊加，最后實現全周期信號微波著陸信號的輸出。

依據圖3的流程，生成了模擬信號，如圖4所示，上圖是全周期信號的部分基帶模擬信號，下圖是相應的基帶模擬信號調制到載波上的波形。

4 結 語

針對機載微波著陸設備在生產及測試和維修保障過程中的模擬測試信號產生的需求，本文設計了一種基于通用矢量信號發生器硬件平臺的導航信號模擬器。通過電路設計驗證，該導航信號模擬器能夠實現高精度地模擬微波著陸系統的各種導航信號和基本數據字信號。目前，該模擬器已經在實際機載微波著陸設備測試中得到應用，操作簡便，配置靈活，滿足實際需要，可實現角精度為0.005°，方位角范圍為-62°～62°，俯仰角范圍為-1.5°～29.5°。以該矢量信號發生器硬件通用平臺為基礎，通過加載不同的FPGA基帶信號發生程序，該導航信號模擬器平臺可實現多種導航信號的模擬，具有廣闊的應用前景。

圖4 實測微波著陸系統方位信號時域圖

參考文獻

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[11] 張輝，曹麗娜.現代通信原理與技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2001.

前導碼部分由無調制的載波脈沖、5位基準巴克碼及7位功能識別碼等三部分組成。各功能的前導部分都占有相同的時間1.6 ms，其余部分的時間視功能不同而相異。

掃描信號部分主要有測試脈沖、掃描脈沖、干擾脈沖和多徑信號共四種信號形式。掃描信號頻譜分布規律符合[sin xx]的函數關系。多徑干擾模式分為單獨信號模式、單獨多徑1信號模式、單獨多徑2信號模式、掃描脈沖和多徑1信號模式、掃描脈沖和多徑2信號模式、掃描信號和多徑1信號還有多徑2信號模式共五種。

3.2 基帶模擬信號產生流程

FPGA是微波著陸基帶信號模擬的核心部分，各個程序模塊都在FPGA內部使用硬件描述語言Verilog產生，這樣設計保證了程序的實時性以及可靠性。

微波著陸系統基帶模擬信號的參數控制信息在上位機產生，并通過PCI總線接口傳輸給以FPGA為核心的基帶信號發生單元硬件電路；微波著陸系統基帶模擬數字信號程序通過JTAG口下載到FPGA的配置芯片中，經FPGA處理后得到所需微波著陸系統信號數據傳輸給機載接收設備。

程序總共開發了20個基本功能模塊，分別是：時序模塊、方位（AZ）信號模塊、反方位（BAZ）信號模塊、仰角（EL）信號模塊、拉平（FL）信號模塊、反向方位 （BAZ）模塊、高速進場方位（HAZ）信號模塊、基本數據字1～6信號模塊、輔助數據字1～6模塊和螺旋槳干擾及6.75 Hz干擾信號模塊。通過這20個基本的程序模塊控制組成產生序列1信號模塊、序列2信號模塊、高速序列1信號模塊、高速序列2信號模塊、全周期信號模塊、高速全周期信號模塊。

圖3是全周期信號的程序流程圖，全周期信號包括序列1信號和序列2信號，對于不用的或地面沒有的功能，保留相應的時隙，以保證所擁有的功能的時隙不變，基本數據字在序列1與序列2之間的空隙。

圖3 MLS全功能發射序列流程圖

軟件初始化后，上位機通過PCI總線將模式選擇指令，發送FPGA，進行模式選擇，可以有六種模式選擇，根據不同的模式以及模式內部不同的信號模塊，時基模塊內部調整不同的工作時基。當選擇全周期模塊后，確定好時基之后，進入序列1和序列2信號處理，分別調用不同的信號模塊，如方位信號模塊、仰角信號模塊等，在最終輸出時，根據不同的時基需要，將各信號疊加，最后實現全周期信號微波著陸信號的輸出。

依據圖3的流程，生成了模擬信號，如圖4所示，上圖是全周期信號的部分基帶模擬信號，下圖是相應的基帶模擬信號調制到載波上的波形。

4 結 語

針對機載微波著陸設備在生產及測試和維修保障過程中的模擬測試信號產生的需求，本文設計了一種基于通用矢量信號發生器硬件平臺的導航信號模擬器。通過電路設計驗證，該導航信號模擬器能夠實現高精度地模擬微波著陸系統的各種導航信號和基本數據字信號。目前，該模擬器已經在實際機載微波著陸設備測試中得到應用，操作簡便，配置靈活，滿足實際需要，可實現角精度為0.005°，方位角范圍為-62°～62°，俯仰角范圍為-1.5°～29.5°。以該矢量信號發生器硬件通用平臺為基礎，通過加載不同的FPGA基帶信號發生程序，該導航信號模擬器平臺可實現多種導航信號的模擬，具有廣闊的應用前景。

圖4 實測微波著陸系統方位信號時域圖

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前導碼部分由無調制的載波脈沖、5位基準巴克碼及7位功能識別碼等三部分組成。各功能的前導部分都占有相同的時間1.6 ms，其余部分的時間視功能不同而相異。

掃描信號部分主要有測試脈沖、掃描脈沖、干擾脈沖和多徑信號共四種信號形式。掃描信號頻譜分布規律符合[sin xx]的函數關系。多徑干擾模式分為單獨信號模式、單獨多徑1信號模式、單獨多徑2信號模式、掃描脈沖和多徑1信號模式、掃描脈沖和多徑2信號模式、掃描信號和多徑1信號還有多徑2信號模式共五種。

3.2 基帶模擬信號產生流程

FPGA是微波著陸基帶信號模擬的核心部分，各個程序模塊都在FPGA內部使用硬件描述語言Verilog產生，這樣設計保證了程序的實時性以及可靠性。

微波著陸系統基帶模擬信號的參數控制信息在上位機產生，并通過PCI總線接口傳輸給以FPGA為核心的基帶信號發生單元硬件電路；微波著陸系統基帶模擬數字信號程序通過JTAG口下載到FPGA的配置芯片中，經FPGA處理后得到所需微波著陸系統信號數據傳輸給機載接收設備。

程序總共開發了20個基本功能模塊，分別是：時序模塊、方位（AZ）信號模塊、反方位（BAZ）信號模塊、仰角（EL）信號模塊、拉平（FL）信號模塊、反向方位 （BAZ）模塊、高速進場方位（HAZ）信號模塊、基本數據字1～6信號模塊、輔助數據字1～6模塊和螺旋槳干擾及6.75 Hz干擾信號模塊。通過這20個基本的程序模塊控制組成產生序列1信號模塊、序列2信號模塊、高速序列1信號模塊、高速序列2信號模塊、全周期信號模塊、高速全周期信號模塊。

圖3是全周期信號的程序流程圖，全周期信號包括序列1信號和序列2信號，對于不用的或地面沒有的功能，保留相應的時隙，以保證所擁有的功能的時隙不變，基本數據字在序列1與序列2之間的空隙。

圖3 MLS全功能發射序列流程圖

軟件初始化后，上位機通過PCI總線將模式選擇指令，發送FPGA，進行模式選擇，可以有六種模式選擇，根據不同的模式以及模式內部不同的信號模塊，時基模塊內部調整不同的工作時基。當選擇全周期模塊后，確定好時基之后，進入序列1和序列2信號處理，分別調用不同的信號模塊，如方位信號模塊、仰角信號模塊等，在最終輸出時，根據不同的時基需要，將各信號疊加，最后實現全周期信號微波著陸信號的輸出。

依據圖3的流程，生成了模擬信號，如圖4所示，上圖是全周期信號的部分基帶模擬信號，下圖是相應的基帶模擬信號調制到載波上的波形。

4 結 語

針對機載微波著陸設備在生產及測試和維修保障過程中的模擬測試信號產生的需求，本文設計了一種基于通用矢量信號發生器硬件平臺的導航信號模擬器。通過電路設計驗證，該導航信號模擬器能夠實現高精度地模擬微波著陸系統的各種導航信號和基本數據字信號。目前，該模擬器已經在實際機載微波著陸設備測試中得到應用，操作簡便，配置靈活，滿足實際需要，可實現角精度為0.005°，方位角范圍為-62°～62°，俯仰角范圍為-1.5°～29.5°。以該矢量信號發生器硬件通用平臺為基礎，通過加載不同的FPGA基帶信號發生程序，該導航信號模擬器平臺可實現多種導航信號的模擬，具有廣闊的應用前景。

圖4 實測微波著陸系統方位信號時域圖

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