基于矢量信號發生器的MLS信號產生與校準研究

劉云飛，舒軼昊，張建明，臧傳蕾

（1.海軍航空大學青島校區，山東青島，266041；2.中國人民解放軍91001部隊，北京，100036 ；3.中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西西安，710068）

0 引言

微波著陸（MLS）是精密引導系統，為飛機提供相對于著陸點的方位、仰角及距離信息，微波著陸信號的模擬對地面設備和機載設備測試起著至關重要的作用，傳統方法是應用模擬器實現微波著陸信號的生成，為地面設備和機載設備提供方位、仰角、數據及射頻電平等定標指示，當模擬器設計完成后，其信號邊界已經確定，如果需要對掃描信號波束寬度、波束間隔及數據碼速率、相位調制等特性進行調整，這種情況下模擬器就顯得無能為力。

微波著陸信號體制基于時分多路復用技術（TDM），各種制導功能和數據傳輸功能在同一頻率上工作，各自占有一定時隙，信號中既有數字信號，也有模擬信號，數字信號采用DPSK調制，模擬信號主要包括覆蓋區外指示信號(OCI)及用于角度測量的“往”、“返”掃描脈沖。

微波著陸信號模擬、校準是微波著陸系統的重要環節，直接影響地面、機載設備的功能、性能測試。目前通常應用微波著陸模擬器實現信號模擬，而角精度的校準是通過對功率放大的模擬信號進行模擬檢波，應用示波器測量檢波信號掃描波束之間的時間間隔，經計算得到角精度，DPSK性能，將微波著陸信號下變頻，分別存儲相位變化前后的兩個中頻信號，通過比較兩個波形的相位和幅度變化實現。

隨著矢量信號的產生與分析、研究的不斷深入，矢量信號產生器、矢量信號分析儀（Vector signal analysis，VSA）已廣泛應用于雷達、導航、通信等各領域，矢量信號產生器基于IQ調制，結合適當的編程工具，實現MLS信號的調制輸出，通過調整信號源可對輸出功率、包絡和脈內調制等作精確控制，基于高速數字示波器采集矢量信號發生器輸出的掃描波束信號，可實現微波著陸角度信號校準；應用矢量信號分析儀測試矢量信號發生器輸出數據信號的EVM特性，可實現數據信號相位誤差、矢量幅度誤差（EVM）的等性能標校，最終完成瞬變MLS信號的快速、準確、高效測量及校準。

1 MLS信號格式

1.1 MLS信號特性

微波著陸地面設備由方位制導設備、仰角制導設備和精密測距儀及基本數據傳送系統組成，MLS數據傳輸系統向飛機提供用于精密進近和著陸的必要信息，分為基本數據和輔助數據，基本數據包括地面設備識別、信號覆蓋范圍、可用最低下滑道、MLS設備性能級別和所用頻道等與著陸有關的數據，而輔助數據一般包括地面設備的安裝狀況、航空氣象情報、跑道狀況和其他輔助信息。

MLS地面臺信號的發射采用了時分多路復用技術，全部角度制導信息和數據都在同一頻率上發射，不同功能的信號都占有自己的發射時隙，在每個發射時隙前部用差動相移鍵控（DPSK）調制的前導碼來區分不同的模塊。圖1是微波著陸高速方位功能信號的構成。

圖1 高速方位制導功能的信號格式

前導信號包括載波截獲段、巴克碼和功能識別碼三部分，全部信號在±42o(對于高速方位制導功能)的比例覆蓋區中發射，載波截獲段中有段同步頭，它是一段未經調制的純載波，接著是用差分相移鍵控（DPSK）調制的編碼，共占832us.差分相移鍵控是利用前后碼元之間載波相位的相對變化來傳遞信息的一種編碼方式。

接收機基準時間碼即同步碼，采用5位Barker碼，其固定形式為11101，其功能是使接收機產生一個基準時間，各個功能格式中的其他碼均嚴格按照基準時間而產生。

對于不同的功能來說，扇區信號的內容也有所不同，對方位制導功能而言，由地面設備識別碼、機載天線選擇脈沖、覆蓋區外指示（OCI）信號和接收處理器檢查脈沖組成。

1.2 角度測量原理

MLS的測角基于時基掃描波束技術，MLS地面設備輻射一個很窄的扇狀波束，在相應的覆蓋區域內進行往返掃描，對方位臺而言，掃描波束在水平范圍內的順時針和逆時針掃描，對仰角臺則相對于向上和向下掃描。接收機在接收到“往”掃和“返”掃兩次掃描波束后，測定其時間差，這個時間差值的大小與飛機在空中相對于跑道的角位置有直接關系，由此得到飛機在空中的角位置。

其中: θ——方位（或仰角）制導角度值（o）；

t——任意進近角時飛機接收到“往”和“返”脈沖之間的時間差；

T0——以零角度進近飛機時接收到“往”和“返”脈沖之間的時間差；

以高速方位為例，此時最大掃描角度為-42o～+42o，掃描速度v=20o/ms，往返掃描兩次經過中心0o之間的時間T0=4.8ms。

2 基于矢量發生器的MLS信號產生

Agilent E4438C矢量信號產生器頻率覆蓋范圍為250KHz～6GHz,可以產生各種復雜的調制信號，具有優良的輸出功率、低相位噪聲、精確的頻率穩定性，滿足MLS接收機從中頻到射頻調試的需要。

2.1 IQ調制原理

矢量信號產生器是基于IQ調制輸出矢量信號的，IQ調制又稱正交調制，矢量調制信號可等效為兩路基帶信號與相互正交載波信號調制后的信號合成，即：

2.2 N5182A矢量信號發生器性能

Agilent N5182A是目前工程上常用的矢量信號發生器，其主要技術性能如表1所示。

表1 Agilent N5182A矢量信號發生器性能

2.3 軟件工具及編程

2.3.1 MATLAB

應用MATLAB作為PSG的波形編碼程序，可以將數字波形從MATLAB移入PSG矢量信號產生器內的任意波形發生器。

2.3.2 Download Assistant

Agilent公司Download Assistant程序將IQ波形送入任意波形發生器內。此外，Download Assistant還將MATLAB的關鍵詞添加到數據控制程序上，并將數據數組通過GPIB或LAN借口送入信號發生器。

2.3.3 Agilent IO Libraries Suite

應用Agilent IO Libraries Suite程序，可以很方便的把計算機與測試儀器連接起來，這個程序包含PC機與儀器相連需要的庫函數，使計算機編程控制儀器、發出指令并接收相應的數據。

2.3.4 應用LAN借口實現計算機與儀器之間連接

LAN接口提供了一種計算機與儀器之間廉價高速的連接方式，通過該網口可以實現計算機與測試儀器的可靠通信，另外Agilent IO Libraries Suite 可以自動掃描，識別并配置測試儀器與計算機，當計算機與測試儀器連接正常后，該軟件可以自動監測到所連接儀器類型與連接狀態。

2.4 編程中的一些問題

由于MLS信號中包含有多種調制方式，既有簡單的脈沖調制還有比較復雜的幅度調制，還包含DPSK數字調制，對幅度及相位的調制精度都有很高的要求，在一般的測試儀器中很難模擬出來，而現在通過對矢量信號產生器進行編程可以很方便的實現。

2.4.1 時鐘設定

Agilent N5182A矢量信號產生器中任意波形發生器的時鐘頻率設置范圍從1Hz到100MHz,為了對提高調制精度，時鐘頻率設置為smplclk=100MHz,這便使時間與波形中的每一點都聯系起來，此時波形中的每一點占據10ns.

2.4.2 數據信號中前后沿的控制

為了合理控制脈沖的上升時間和下降時間，避免在數據信號前后沿產生不必要的過沖信號，還能滿足數據信號上升下降沿的需要，在程序中將脈沖分成四個部分：上升(rise)、工作(on)、下降(fall)和切斷（off），脈沖的工作和切斷應用ones和zeros函數來進行填充。

脈沖的上升沿和下降沿利用升余弦函數特性，為了構建兩個預選波形，程序中利用函數ramp=-1:2/n:1-2/n形成-1線性斜升到+1啟動，對于斜坡函數，若線性斜升繼續下去，則跟在數組中最末點之后的點將精確為1，斜坡函數常常乘以作為函數一部分的π的某一倍數，以形成正弦波。

在脈沖上升沿，將斜坡乘以±π/2，然后取結果的正弦，這將給出具有第一點為-1，最末點接近+1的正弦波的中心，向結果加1并除2便給出所需波形，最終方程有下列形式：

rise=(1+sin(ramp*pi/2))/2

同理，數據信號的下降沿也同上設置。

2.4.3 控制輸出功率

信號發生器的輸出脈沖功率，由MATLAB來控制是很方便的，當時，信號發生器輸出脈沖功率等于面板功率點平，MATLAB設定輸出功率的命令（應用Download Assistant）為：

[status,status_description]=age_sendcommand(io,’power-60’)。

2.4.4 碼元之間的相移

由于MLS數據信號為DPSK調制，碼元寬度為64us，在程序中可以利用am(調幅)波形乘以pm（調相）波型的正弦或余弦來完成IQ變換，碼元之間的相差為0o則pm相位為0，若為π，則pm相位為π，這樣就形成碼元之間的相移，輸出DPSK調制信號。

2.4.5 掃描波束的編程輸出

根據天線的方向圖，這里我們可以很方便的應用MATLAB語言編輯出sinc函數描述的幅度調制波形，波形函數為abs(sinc(1*(10e-5)*(n1-20000))),再與相位調制相乘得出掃描波形，此時既有主瓣信號，也有旁瓣信號輸出，與實際掃描波形非常接近。

3 MLS信號測試校準

3.1 角度測試

以往MLS角度測量，首先是對信號進行功率放大，然后檢波變成視頻信號，應用數字示波器測量角度信號掃描波束之間的時間間隔，經計算得到角度，這種方法不但需要的儀器較多，包括功率放大器、射頻檢波器和數字示波器，而且，經過這些器件后，信號可能會存在一定失真，影響測量精度。隨著測試儀器功能、性能的不斷提高，應用高速數字示波器對MLS信號進行直接采樣，通過數學運算即可實現MLS角度測量。這里采用Tek公司的DPO71254B數字示波器，其允許輸入信號頻率為12GHz，最高采樣率為50GHz，以高速方位為例說明MLS角度的測量方法。

標校過程如下：

矢量信號發生器生成波束寬度為100μs（相當于天線掃描波束寬度2°），高速方位角為0°（“往”、“返”掃描脈沖時間間隔為4.8ms）的微波著陸信號。計算機控制下，應用數字示波器采集矢量信號發生器輸出射頻信號，經過Hilbert變換獲得信號包絡。

由于“往”“返”兩掃描波束的時間間隔表征MLS角度，應用示波器測量“往”掃描波束的上升和下降沿的70%點至“返”掃描波束的上升和下降沿的70%點之間的時間間隔t升、t降（如圖2所示），測試結果：t升=4.8002564ms，σ升=345.3ns，t降=4.8002039ms，σ降=313.4ns。

圖2 MATLAB基帶波形

圖3 微波著陸角度信號標校示意圖

圖4 微波著陸方位信號測試示意圖

圖5 數字示波器MLS信號測試

按以下公式計算往、返掃描波束時間間隔；

按以下公式計算角度：

式中：θ0——角度測量值，（°）；

T——角度為0時，往、返掃描波束的時間間隔，高速方位為4800μs；

t——往、返掃描波束時間間隔，μs；

V——掃描速度比例常數，為0.02°/μs。

3.2 DPSK調制特性測試

由于MLS信號采用了IQ正交調制技術，數字調制信號可以用IQ兩路來表示，為了衡量這種IQ正交調制信號質量，把這個信號當作一個矢量來分析，這個矢量信號可以映射到星座圖(Constellation)的I軸（橫軸）Q軸（縱軸）上，可以分別對IQ兩路信號進行分析，測試出矢量調制的信號質量。應用Agilent 89601矢量信號分析儀可以對Agilent N5182AC輸出的DPSK數據信號進行各項指標測試，其中包括EVM、幅度誤差、相位誤差及星座圖等等。

3.2.1 EVM

EVM為誤差矢量信號平均功率的平方根值和參考信號平均功率的平方根值之間的比值，實際也就是誤差矢量信號和參考信號的均方根值（RMS：Root Mean Square）之間的比值，并把這種比值以百分比的形式表示。其中，參考信號為被測信號經過測試儀器理想的解調恢復出來的，誤差信號為測量信號和參考信號的矢量之差。實際測量EVM=3.85%。

3.2.2 幅度誤差

幅度誤差為測量信號和參考信號幅度之差的均方根值與參考信號幅度的均方根值之間的比值，并以百分比的形式表示，實際測量Mag Error=3.76%。

3.2.3 相位誤差

相位誤差為測量信號和參考信號相位之差的均方根值，實際測量Phase Error=482.84mdeg。

3.2.4 星座圖

數字系統采用了IQ正交調制器，信號被分成了相互正交的兩部分 I（In- phase）路和 Q（Quadrature）路信號。在坐標軸上，以I路為橫軸和Q路為縱軸，任何IQ調制信號都可以映射為一系列信號點，這些信號點就組成了星座圖。信號點的幅度和相位就相當于信號的幅度和相位，所以星座圖對于分析信號誤差是一個非常有用的工具。有關測試的星座圖、頻譜、眼圖及相關的測試數據如圖6。

4 結論

通過對微波著陸系統簡要分析，提出了應用矢量信號發生器產生MLS信號方法，及基于高速數字示波器和矢量信號分析對MLS信號角度、DPSK特性的校準方法，并且進行了仿真及實際測試，與傳統應用MLS模擬器方法相比MLS信號特性調整靈活，并且MLS信號的EVM、幅度誤差、相位誤差、角精度等各項指標都有較大提高。