基于PXI總線的無線電羅盤信號模擬器設計

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航設備，其對應的地面無線電導航臺為無方向信標(NDB)，ADF—NDB是第一個用于航空的無線電導航系統，由于它具有結構簡單、使用維護方便、價格低廉等優點，至今仍廣泛用于飛機導航，并成為目前包括直升機在內的各種飛機的一種常備導航設備。無線電羅盤信號模擬器為便于機載無線電羅盤設備的檢測與維修而開發，是眾多無線電導航設備模擬器中的一種。各種無線電導航設備現場維護保障模式通常采用針對特定設備的多個模擬器來分別完成各個設備的現場檢測。為了滿足各種不同型號設備現場維護保障的需求，要配備大量的模擬器，造成現場維護保障規模龐大，不方便隨飛機轉場。

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的無線電羅盤信號模擬器，通過全數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，可以很好適應航空無線電導航設備的外場維修檢測。

1 軟件無線電思想以及無線電羅盤結構

軟件無線電是一種無線電廣播通信技術，基本思想是以一個固定的硬件平臺為基礎，通過軟件來實現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航臺發射的中波信號，并從中解析出飛機縱軸相對于導航臺的方位角度信息，從而實現對飛機的正確導航。目前大多數無線電羅盤系統主要有接收機、控制臺、方位指示器以及組合天線構成，其中羅盤接收機用于解析調相或者調幅羅盤信號，控制盒用于轉換系統的工作轉臺，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，其中的兩個環形天線分別叫做正弦環形天線和余弦環形天線。環形天線是一種方向性天線，其方向性是在水平面以環形天線為中心的“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對飛機方位的精確導航。

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時鐘產生電路、PXI接口電路以及相關電源等幾大部分組成。

音頻調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的兩路正交音頻調制信號。采集到的數字信號傳送到FPGA中進行調制處理。

模擬信號生成電路主要用于將FPGA產生的數字信號經過DAC轉換電路、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字控制以及內部數字信號處理。

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

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

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

圖2 模擬器信號處理流程圖

FPGA利用直接數字合成技術, 產生羅盤工作頻段150kHz～1750kHz的信號，由此信號產生三路信號e1、e2、e3， e1作為垂直天線信號，e2和e3進行方位角度調制后得到環天線信號e4和e5。e4和e5再經幅度控制分別與調制信號采集電路獲得的正弦調制信號e6和余弦調制信號e7進行平衡調制，調制信號e10疊加垂直天線信號e1后輸出至DAC芯片，轉換為模擬天線信號。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置、模擬方位角度設置、輸出幅度設置以及調制深度設置。軟件功能框圖如圖3所示。

圖3 軟件功能框圖

具體軟件設計要求如下：

（1）輸出頻率設置

根據無線電羅盤工作頻段，設置DDS相應參數產生相應頻率的載波信號，頻率步進1Hz。

（2）模擬方位角度設置

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、余弦值來設置模擬方位角度信息。

（3）輸出幅度設置

輸出幅度為1μV～100mV，通過控制多級數字衰減器實現信號幅度的控制。

（4）調制度設置

調制度0%～80%，通過對調制信號幅度控制來控制調制度。

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

軟件可以實現如下功能：

（1）輸出頻率設置；

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

（2）模擬角度設置；

可設置模擬方位角度，范圍為0°～359.9°。

（3）輸出幅度設置；

（4）調制度設置。

2 PXI總線無線電羅盤信號模擬器輸出結果分析

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

表1 模擬方位角度（°）測量結果

表2 輸出幅度（mV）測量結果

表3 輸出頻率（kHz）測量結果

表1～表3的實測結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。依據該方案設計的無線電羅盤信號模擬器已經在航電自動測試系統中得到應用。

3 結論

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計方法，采用軟件無線電和標準總線的開放式體系架構，實現對無線電羅盤導航信號的模擬。該導航模擬器具有體積小、成本低與適合外場應用等優點，可用于航電自動測試系統的搭建以及便攜式外場導航模擬器平臺的構建，提高無線電羅盤設備的外場保障能力。