一種近距導航模擬器的設計方案

劉祥水

（國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241000）

1 引言

近距導航系統是飛機重要的導航設備，在該型裝備維護、維修、大修過程中，需要對該系統的接收、發射性能進行檢查，這就需要一種裝置能夠發射系統所需的導航信號，同時也需要該裝置能夠接收近距導一般系統發來的呼叫信號同時轉換發射功能。所以該模擬器是近距導航系統修理的必要裝備。

2 主要功能

通過對該型近距導航系統性能進行分析，總結出需要模擬器具備如下功能：①模擬地面近距導航定位信標臺發出“35”“36”基準信號、方位信號和距離回答信號，用于檢查近距導航系統在導航狀態下各工作波道的測位和測距能力在導航、著陸狀態和沿地面顯示應答通道工作能力；②模擬地面近距導航定位信標臺發出的地面顯示詢問信號、無線信標呼叫信號，用于檢查近距導航系統在地面顯示應答、信標識別和飛機識別能力；③模擬地面近距導航定位信標臺發出航向信標、下滑信標和距離回答信號，用于檢查近距導航系統著陸引導能力；④模擬器具備自檢功能。

3 硬件設計

3.1 總體構成

模擬器共分為三部分：嵌入式計算機系統、射頻收發系統、電源系統，如圖1所示。

圖1 模擬器整體架構圖

計算機系統與射頻收發系統之間通過RS232接口總線進行數據交換。

模擬器采用主-從操作的分布式控制，一體化嵌入式計算機進行人機交互和顯示輸出，通過RS232等外部總線控制收發射頻電路的工作狀態、模式和參數，并接受基帶信號處理器電路的狀態和解算距離值。一體化嵌入式計算機的采用I7四代低功耗處理器，集成4G的DDR3內存，通過LVDS接口連接顯示器。一體化嵌入式計算機和寬溫顯示器為一體，固定在前面板。

射頻收發系統由射頻發射板、射頻接收板和基帶信號數字處理板，以及收發天線組成，射頻發射板、射頻接收板和基帶信號數字處理板之間通過模板進行電源、接口和數據信號的交聯，射頻接收板的解調信號通過同軸電纜傳輸到基帶信號處理板。射頻發射板的調制射頻信號與天線之間，以及來自天線的射頻接收信號之間，通過射頻同軸電纜連接。

模擬器采用專用的加固機箱，一體化嵌入式計算機及顯示器從前面板安裝，前部安裝AC/DC和DC/DC電源，后部安裝射頻接收、發射的3塊電路板母板，減少電源和計算機系統的輻射干擾。機箱上部安裝天線，前面板安裝帶觸摸屏的顯示器，射頻測試插座、電源開關、計算機按鈕等。

3.2 射頻接收模塊

該板件接收726～813 MHz的射頻信號，經過一次下變頻，再經過濾波、衰減放大、脈沖檢測，最后提供精確的視頻檢波信號輸出，主要由以下功能模塊組成：下變頻器、窄帶帶通濾波器、高速頻率合成器、數字脈沖功率自動增益控制，對數檢波視放、比較整形、控制、通信等電路。

接收板組件的工作原理由天線接收726～813 MHz的射頻信號，輸入的信號幅度為﹣52～+30 dBm，經過帶通濾波器，以及功分器分成兩路信號，一路進入大動態脈沖功率檢測支路，測量窄脈沖幅度，提供衰減控制信號；另一路經過衰減器、數控衰減器、放大器進入混頻器，與來自跳頻本振源的本振信號混頻，通過濾波器生成600 MHz的中頻信號，再經過DLVA，高速比較器，整形電路輸出TTL脈沖信號。

3.3 基帶信號數字處理模塊

設計基帶信號板由32位單片機和FPGA器件以及外圍電路組成。

主要功能如下：①與主板的PC機通信，接收控制數據包，回傳狀態數據和接收脈沖編碼參數。②根據PC的控制數據包和默認控制數據形成脈沖編碼信號，控制發射電路的工作狀態和輸出頻率、幅度。③對射頻接收電路的檢波輸出進行檢測，測量脈沖寬度和脈沖間隔；判斷近距導航系統發射的距離詢問、呼叫識別等編碼脈沖，根據設置的數據進行自動應答。④對檢測的脈沖進行分組和狀態識別。

3.4 射頻發射模塊

近距導航模擬器有三種基本工作模式：導航、著陸、空空。在三種基本工作模式下，模擬器采用分時的方式工作，每種狀態只有兩種或一種發射信號和一種接收信號，因此可采用兩套頻率綜合產生器、兩套調制和功率放大器、射頻調制信號經射頻合路器綜合，由一個發射天線輻射。為便于進行復雜的脈沖編碼調制和著陸狀態的調制幅度準確控制，并簡化調制電路，使用高速射頻開關和數控衰減器，實現射頻信號的編碼調制和調制信號的相對幅度開展。

3.5 電源模塊設計

根據模擬器的使用場景不同，其工作時可使用機上24 V電源和外部交流220 V市電，外部交流經AC/DC模塊轉換為27 V，通過內部DC/DC和濾波器形成模擬器電路所需+12 V和+5 V，控制電路和射頻電路單獨供電，減少相互之間的干擾。電源模塊如圖2所示。

圖2 電源模塊框圖

4 軟件設計

軟件設計包含FPGA、單片機和人機交互三個子模塊。模擬器的FPGA設計采用XILINX公司的FPGA開發平臺XILINX ISE8.2i；32位單片機開發系統選用集成開發軟件。應用程序在linux系統下進行人機交互，作為主控和顯示軟件，對應的32位單片機系統為從機。

單片機軟件是連接PC機人機交互和模擬器輸出信號產生與輸入信號處理的橋梁，軟件包含四部分：單片機和接口初始化、通信接口軟件、FPGA和信號產生控制軟件、數據采集和處理軟件。

單片機和接口初始化主要完成CPU存儲空間的分配和工作始終的配置以及中斷向量設置和任務調度分配。

通信軟件包括：數據接收緩存、接收數據包提取、接收數據包處理、發送數據獲取、發送數據緩存與封裝。對于單片機FPGA請求事件和突發事件的處理、突發數據的接收緩存是至關重要的，而接收數據包的解包和處理、發送數據的輸出等任務是可滯后的，程序設計中要保證數據不被丟失，不導致內存沖突而導致軟件崩潰。

FPGA電路控制軟件主要任務為：啟動編碼和解碼電路的工作，編碼格式設置、脈沖寬度和脈沖隔時間設置，編碼脈沖重復輸出控制，編碼和解碼電路工作狀態讀取，解碼數據實時處理。信號產生控制軟件主要對頻率綜合產生器的參數計算和設置，射頻電路的選擇，輸出射頻衰減量的控制。數據采集軟件包含中斷處理軟件和狀態輪詢軟件，接收機和FPGA解碼器形成的射頻有效碼型變化信號都需要通過中斷響應的方式，單片機實時進行處理，對測距應答的處理延時偏差不超過0.1 ms。

5 結論

本文介紹了某型模擬器的必要性、可行性、實施步驟和各功能模塊的功能，并設計了測試軟件程序保證了模擬器的操作性，通過對各功能模塊及外圍電路的設計，提出了模擬器的整體設計方案，并通過工程化實現最終實現的該型控制臺的設計制造。