無(wú)線電導(dǎo)航中頻信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅政元

摘 要 DME/P和塔康是目前流行的兩種無(wú)線電導(dǎo)航方式。DME/P與塔康系統(tǒng)在工作原理上基本相同。本文設(shè)計(jì)一套能夠產(chǎn)生DME/P和塔康中頻信號(hào)的模擬器系統(tǒng)，其可以通過(guò)上位機(jī)軟件控制產(chǎn)生信號(hào)的各相參數(shù)。使用效果顯示其可以在很大程度上提升無(wú)線電導(dǎo)航信號(hào)研發(fā)和校準(zhǔn)檢測(cè)人員的工作效率。

【關(guān)鍵詞】精密測(cè)距 塔康導(dǎo)航中頻

1 引言

目前國(guó)際流行的無(wú)線電導(dǎo)航方式中，精密測(cè)距（DME/P）系統(tǒng)和戰(zhàn)術(shù)空中導(dǎo)航系統(tǒng)（Tactical Air Navigation System，簡(jiǎn)稱塔康或TACAN）是兩種主要的技術(shù)手段。它們?yōu)槊考苓M(jìn)場(chǎng)飛機(jī)提供相對(duì)于引導(dǎo)點(diǎn)的飛機(jī)三維位置信息，保障飛機(jī)按要求軌跡進(jìn)場(chǎng)、著陸和滑跑，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)場(chǎng)著陸。

其中精密測(cè)距DME/P采用雙模式工作，按飛機(jī)距地面臺(tái)的遠(yuǎn)近分為初始進(jìn)場(chǎng)模式（IA）和最后進(jìn)場(chǎng)模式（FA）。DME/P的初始進(jìn)場(chǎng)模式與塔康系統(tǒng)的測(cè)距完全相同，最后進(jìn)場(chǎng)模式也基于相同的工作原理，僅在脈沖波形和編碼上有所差別。

因此，從理論上可以設(shè)計(jì)一套能夠產(chǎn)生DME/P和塔康中頻信號(hào)的模擬器系統(tǒng)。這樣可以在很大程度上提升無(wú)線電導(dǎo)航信號(hào)研發(fā)和校準(zhǔn)檢測(cè)人員的工作效率。

2 無(wú)線電導(dǎo)航中頻信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本無(wú)線電導(dǎo)航信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)主要包含以下幾個(gè)單元，分別是DME/P模擬中頻信號(hào)生成單元、塔康模擬中頻信號(hào)生成單元、開(kāi)關(guān)切換單元和輸出接口。如圖1所示。

2.1 DME/P模擬中頻信號(hào)生成單元

該單元可生成符合DME/P標(biāo)準(zhǔn)的模擬中頻信號(hào)，該單元產(chǎn)生的信號(hào)將送往開(kāi)關(guān)切換單元進(jìn)行選擇。此外，還在此單元預(yù)留了校準(zhǔn)接口，可完成對(duì)DME/P信號(hào)相關(guān)參數(shù)的溯源。

DME/P模擬中頻信號(hào)的產(chǎn)生主要通過(guò)DDS芯片和FPGA來(lái)完成。如圖2所示，DDS芯片是用來(lái)生成70MHz中頻載波信號(hào)，此正弦波波形一般達(dá)不到設(shè)計(jì)的要求，需要在之后進(jìn)行濾波處理，再送到下一級(jí)操作。FPGA 作為控制核心，用來(lái)完成與上位機(jī)通信、DDS芯片控制和產(chǎn)生符合DME/P信號(hào)要求的脈沖序列，而其中的脈沖序列與之前的中頻載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，得到我們需要的中頻DME/P模擬信號(hào)。再通過(guò)電平控制單元得到我們需要的電平輸出。

模擬中頻信號(hào)生成單元的輸出分為了兩路。一路作為輸出信號(hào)送往開(kāi)關(guān)切換單元中去；另一路作為溯源信號(hào)送入接口轉(zhuǎn)換模塊，作為校準(zhǔn)裝置溯源的一部分。激勵(lì)信號(hào)是被測(cè)直接傳輸給信號(hào)生成單元，當(dāng)接收到激勵(lì)信號(hào)后開(kāi)始工作，生成DME/P模擬中頻信號(hào)。

生成DME/P模擬中頻信號(hào)時(shí)，載波的產(chǎn)生使用的是DDS芯片。由于DDS的固有特點(diǎn)，正弦波幅度值存在量化誤差、相位截?cái)嗾`差。通過(guò)DA轉(zhuǎn)換后的輸出正弦波波形達(dá)不到后續(xù)的要求。所以需要將輸出波形進(jìn)行濾波處理。

根據(jù)方案中信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)和濾波器本身的傳輸特性，選擇了截止特性較好的橢圓函數(shù)濾波器進(jìn)行濾波電路的搭建。為了解決系統(tǒng)初始信號(hào)在濾波后信號(hào)幅度會(huì)隨頻率的增加而減少這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了由電阻和LC并聯(lián)諧振回路構(gòu)成的校正電路。經(jīng)過(guò)校正電路與濾波器后，可得到較為理想的信號(hào)，具體電路如圖3所示。

2.2 塔康模擬中頻信號(hào)生成單元

塔康信號(hào)生成單元可生成符合塔康標(biāo)準(zhǔn)的模擬中頻信號(hào)，這個(gè)信號(hào)中包含了塔康信號(hào)特有的方位信息。該單元產(chǎn)生的信號(hào)將送往開(kāi)關(guān)切換單元進(jìn)行選擇。此外，還在此單元預(yù)留了校準(zhǔn)接口，可完成對(duì)塔康信號(hào)相關(guān)參數(shù)的溯源。

塔康模擬中頻信號(hào)生成單元主要包括控制電路、載波信號(hào)產(chǎn)生電路、15Hz和135Hz包絡(luò)信號(hào)產(chǎn)生電路、調(diào)制電路和電平控制電路這五個(gè)部分。

如圖4所示，我們采用FPGA做為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。用來(lái)完成與上位機(jī)通信、DDS芯片控制、脈沖信號(hào)控制、包絡(luò)信號(hào)DDS產(chǎn)生這幾個(gè)功能。載波信號(hào)電路采用DDS芯片來(lái)產(chǎn)生70MHz中頻載波信號(hào)，該信號(hào)需要進(jìn)行濾波之后才能達(dá)到后續(xù)的使用要求。在TACAN系統(tǒng)中，信號(hào)的包絡(luò)由15Hz信號(hào)和135Hz信號(hào)疊加而成。擬采用DDS技術(shù)，使用FPGA進(jìn)行正弦波相位值的累加，送往DAC，由DAC輸出得到所需要的波形。此信號(hào)也需濾波之后才能后續(xù)使用。在調(diào)制電路中，我們需要進(jìn)行兩次調(diào)制。先對(duì)70MHz載波信號(hào)與脈沖信號(hào)進(jìn)行第一級(jí)調(diào)制，再將調(diào)制后形成的信號(hào)與外包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行第二級(jí)調(diào)制，即可得到塔康模擬中頻信號(hào)。再通過(guò)電平控制單元得到我們需要的電平輸出。

與DME/P信號(hào)不同，塔康信號(hào)除能測(cè)量距離外，還包含有相位信息。塔康系統(tǒng)地面信標(biāo)發(fā)射的脈沖信號(hào)都是以脈沖對(duì)編碼（按照脈沖對(duì)內(nèi)脈沖之間的間隔不同編碼）構(gòu)成單元脈沖。由這樣的單元脈沖按照一定規(guī)則組成主基準(zhǔn)群、輔助基準(zhǔn)群、臺(tái)識(shí)別信號(hào)、應(yīng)該和隨機(jī)填充脈沖。

在塔康發(fā)射的復(fù)雜信號(hào)中，方位測(cè)量信號(hào)由主基準(zhǔn)脈沖群、15Hz方位粗測(cè)信號(hào)、輔基準(zhǔn)脈沖群和135Hz方位精測(cè)信號(hào)組成。主基準(zhǔn)脈沖群和15Hz信號(hào)用來(lái)區(qū)別360°全方位中40°的扇形區(qū)，而輔基準(zhǔn)脈沖群和135Hz信號(hào)則是用來(lái)確定一個(gè)40°扇形區(qū)之內(nèi)的精確的方位。

塔康信號(hào)的函數(shù)為：s（t）=A0+A1 sin（2πft）+A2 sin（9×2πft）。式中：f=15Hz，A0為直流成分，A1、A2分別為大包絡(luò)和小包絡(luò)的調(diào)制度。經(jīng)調(diào)制后的信號(hào)攜帶方位信息，測(cè)方位時(shí)，根據(jù)主、輔基準(zhǔn)脈沖，計(jì)算出基準(zhǔn)與包絡(luò)相位斜率過(guò)零點(diǎn)之間的相位差，便完成定位工作。

15Hz/135Hz的包絡(luò)由FPGA控制DAC來(lái)具體實(shí)現(xiàn)。采用DDS技術(shù)，使用FPGA進(jìn)行正弦波相位值的累加，通過(guò)相位累加器的輸出，尋址正弦波幅值ROM表，最后把幅度值送到DAC，由DAC輸出得到所需要的波形。此波形需要進(jìn)行低通濾波后才能供后續(xù)使用。

對(duì)于塔康信號(hào)的生成來(lái)說(shuō)，除了需要上面的載波濾波電路外，還需要對(duì)15Hz和135Hz外包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行濾波。這里考慮采用集成運(yùn)算放大器AD817，結(jié)合適當(dāng)?shù)耐鈬鶵C電路，搭建三階巴特沃斯低通濾波器，截止頻率為200Hz，具體電路如圖5所示。

2.3 開(kāi)關(guān)切換單元

該單元的輸入通路是DME/P模擬中頻信號(hào)和塔康模擬中頻信號(hào)，通過(guò)軟件配置選擇切換通路來(lái)進(jìn)行輸出。

3 結(jié)論

依照本文所述思路，搭建了無(wú)線電導(dǎo)航中頻信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)，該系統(tǒng)可通過(guò)軟件設(shè)置產(chǎn)生DME/P或塔康導(dǎo)航中頻信號(hào)，且導(dǎo)航參數(shù)亦可通過(guò)軟件設(shè)置進(jìn)行調(diào)整。

實(shí)際使用證明，該導(dǎo)航信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)可以很好的滿足日常科研和檢定校準(zhǔn)工作需要。

參考文獻(xiàn)

[1]朱延軍.DME/P精密測(cè)距技術(shù)研究[J].導(dǎo)航，2002（04）：73-77.

[2]劉江庭.數(shù)字化精密測(cè)距技術(shù)的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（07）：161-163.

作者單位

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所 陜西省西安市 710068