高精度微波引導設備角度數據檢測系統設計與實現

謝洪森，王 鼎，劉云飛，張建明

(1.海軍航空大學 青島校區，山東 青島 266041；2.中國電子科技集團公司 第二十研究所，西安 710068)

0 引言

微波引導設備主要是用于機場或移動平臺實施全天候引導飛機安全起降重要的精密導航設備[1]。設備主要為飛機提供方位、仰角及距離引導信息，機載設備通過接收、處理和數據解算地面臺站發射的角度(方位和仰角)引導信息，直觀顯示出飛機實時偏離規定的下滑航道畫面，飛行員操縱飛機按照正確下滑道降落[2]。當前，保障特種飛機起降的高精度微波引導設備通常安裝在固定機場或海上移動平臺，安裝位置、環境條件以及周邊電磁干擾等多種因素會影響設備技術性能，對飛行安全造成嚴重影響制約，對設備發射的角度數據信息定期檢測是非常必要的。國內早期研發的微波引導設備專用測角檢測設備，采用的技術相對落后，體積重量大，角度測量精度低(精度劣于0.50°)，無法滿足特種飛機對高精度微波引導設備的角度數據檢測需求[3]。

高精度微波引導設備角度數據檢測系統主要基于ARM+DSP+FPGA的硬件架構設計，綜合運用了高精度角度測量、嵌入式微處理器顯示控制、costas數字鎖相環載波跟蹤與恢復等技術方法[4]，設計實現了數字信號處理、模塊控制和基于ARM_Linux的顯示控制功能；軟件設計主要基于C/C++語言編程、VHDL或Verilog硬件描述語言方式，在不同要求的運行環境下進行開發測試，實現了顯示控制、信號處理、數據解算等軟件設計功能[6]。通過綜合調試實驗以及與實裝設備對接測試，試驗結果表明，檢測系統可以實現對高精度微波引導設備角度數據信息的檢測要求，為保障特種飛機飛行起降安全發揮重要作用。

1 系統結構

系統設計主要包括主機、射頻饋線以及喇叭口接收天線，其中主機由C波段接收模塊、信號處理模塊、顯控組件、電源模塊、電池組成，系統基本構成如圖1所示。

喇叭口天線[7]接收C波段微波引導信號，通過二次變頻輸出兩路信號，一路為對數視頻，用于幅度解調，與數據通道配合，完成角度數據等參數測量；另一路為70 MHz中頻信號，用于數據信號的解調。信號處理模塊輸出30 MHz的微波引導中頻信號，經C波段接收模塊完成檢測系統自檢；輸出波道和衰減控制信號對C波段接收模塊的接收通道實施有效選取與控制。顯控組件采用防護玻璃表面鍍高透低反膜(AR)的LCD液晶顯示器對接收機測試數據進行顯示。供電方式采取交流220 V /50 Hz或電池或外接直流電供電。系統主機對外接口設計了天線RF輸入接口完成喇叭口天線接收微波引導空間信號；同步輸出接口完成角度同步和數據同步信號輸出[8]；對數視頻輸出接口用于輸入信號監測；USB口完成外接鼠標及測試數據的導出；LAN口完成對檢測系統的在線調試；電源接口用于220 VAC交流電源和直流電的輸入。

圖1 角度數據檢測系統主機組成框圖

2 系統硬件設計

系統硬件電路設計主要包括信號處理模塊、C波段接收模塊、顯示控制組件、系統電源與天線共5部分。

2.1 信號處理模塊

信號處理模塊基于ARM+DSP+FPGA的架構設計[9]，實現角度數據數字信號處理、模塊控制和基于ARM_Linux顯示控制功能，提供LVDS、PS2、USB、網口、RS232等對外接口，電路設計為ADC、DAC、FPGA、DSP、ARM、電源、時鐘7個工作單元，其組成如圖2所示。模塊主要完成視頻信號和中頻信號采樣、輸出中頻自檢信號、為外電路提供控制信號、輸出同步信號和LVTTL電平標準、具備LAN口、RS-232接口與上位機通信等功能[10]。

模數轉換器AD9625將輸入的70 MHz中頻信號轉換為數字信號，并傳送到FPGA單元進行處理[11]。數模轉換器AD9779將FPGA輸出的數字基帶信號轉換為模擬中頻信號，并通過放大器放大到0 dBm輸出，輸出設計采用一個1∶1的巴倫來完成。FPGA選用XC7K325T-2FFG900I，采用Master SPI配置模式，M[2:0]=001，按照x4總線寬度進行設計，產生控制邏輯，發送基帶信號，接收預處理中頻信號、視頻信號。同步信號由FPGA產生，經驅動器隔離后輸出，電平標準為LVTTL3.3 V。

圖2 信號處理模塊總體框圖

DSP為信號處理算法主體，選用定浮點DSP TMS320C6657，對FPGA預處理的數據進行分析、計算[12]。DSP上電后至輸入時鐘及PLL穩定，釋放復位管腳，DSP在復位管腳的上升沿時采集模式管腳BOOTMODE[2:0]的狀態，采用SPI BOOT模式，當DSP采樣BOOTMODE[2:0]=110時，讀取外部SPI FLASH的數據進行加載啟動，DSP時鐘設計為1 000 MHz。

ARM選用NXP的iMX6Q MCIMX6Q6AVT10AC，主要與機箱上的鍵盤、顯示屏等協作，實現人機交互界面。外圍包含DDR3、EMMC、RTC、溫度傳感器、SSD、USB、以太網、RS232、RS422等。設計采用8bit EMMC Boot，啟動的SD接口為SD4。時鐘為典型頻率為24 MHz和32.768 kHz。

電源單元主要是將外部輸入的+5V電源轉換為各個芯片的工作電壓以及電源的上電時序控制。系統整體上電時序：單板上電后，ARM先啟動，ARM啟動后控制FPGA和DSP啟動，FPGA和DSP按照各自的上電時序啟動。

2.3 C波段接收模塊

C波段接收模塊主要由接收通道、控制單元、本振1、本振2、自檢模塊、電源單元等組成[13]，主要功能是通過二次變頻輸出兩路信號，一路對數視頻，一路70 MHz中頻信號，組成如圖3所示。

接收通道接收輸入C波段微波引導角度數據信號，經濾波、限幅放大后進行混頻，輸出510 MHz的第一中頻信號，第一中頻信號通過濾波放大后進行二次混頻，產生70 MHz的第二中頻信號[14]。控制單元接收外部的1路SPI通信和波道、自檢、衰減等控制碼，完成對各個單元的控制，并向外部反饋本振1的頻率鎖定指示信息[15]。本振1生成一本振信號配合接收通道實現變頻和BITE設計，并反饋至外部；本振2模塊輸出580 MHz點頻，配合接收通道實現變頻；外部參考輸入自檢模塊后，生成自檢信號輸入到接收通道中；電源單元為其他單元提供指定電壓的直流電源。

圖3 C波段接收模塊組成框圖

2.2 顯示控制組件

顯控組件由接口信號處理模塊、7英寸液晶屏顯示模組、按鍵導光板模塊、面板組件等部分組成。

整體結構采用了模塊化、內嵌功能按鍵、背光驅動集成設計，具備上、下、左、右共4個方面可視角度達到85°寬視角顯示功能，支持網絡接口、RS232接口、USB、視頻信號輸出及寬電壓輸入等，支持26個用戶定義按鍵和不同種類外設需求；提供人機交互接口，通過串口實現與主板通信；接口信號處理板接收上位機輸出的LVDS信號，經解碼器解碼成TTL電平，編碼器編碼為VGA信號，視頻處理芯片采集VGA信號，通過LVDS視頻信號送顯示屏進行顯示[16]。

2.4 系統電源

系統電源采用交流和直流兩種供電方式，供電優先等級為：AC供電>外部直流供電>鋰電池供電，單相AC220 V/50 Hz電壓通過AC/DC變換后給鋰電池單元內的+14.4 V鋰離子蓄電池組充電，后經DC/DC變換后，輸出穩定的+5 V、+12 V直流電壓給系統供電。系統電源設計具備交流輸入過欠壓、過溫以及輸出短路保護等功能。

2.5 天線

角度數據測量接收天線設計采用喇叭口型天線，頻率范圍為5.0～5.1 GHz，增益≥8 dB，阻抗50 Ω，垂直極化方式，駐波≤2.0。

3 系統軟件設計

軟件設計主要由顯示控制軟件、信號處理軟件兩大部分構成[17]。顯示與控制軟件運行平臺為ARM處理，采用C/C++語言進行編程，基于Qt環境下進行開發調試；DSP軟件采用C語言和匯編語言相結合的方式編程，在CCS環境下調試；FPGA信號處理軟件采用VHDL或Verilog語言開發，在ISE環境下調試。

3.1 顯示控制軟件

顯示控制軟件主要實現界面參數的設置及測試數據的顯示、鍵盤信號接收與處理、測試數據存儲和讀取[18]，顯控界面的設計如圖4所示。

圖4 角度數據測試功能顯示界面

方位仰角功能主要通過輸入方位、仰角真值，實現實時測量顯示微波引導掃描信號功率和更新率，點擊方位、仰角誤差圖形按鈕，可顯示實時的方位、仰角角誤差曲線，設計流程如圖5所示。

圖5 方位仰角功能流程圖

數據字功能是通過鍵盤實現基本數據字及輔助數據字測試內容的循環切換，支持基本數據字1～6、輔助數據字A1～A3、B40～B45等[19]。對定義的數據字，可解析出相應的數據字內容，測量出信號功率及更新率；對于未定義的輔助數據字，在“備用輔助數據字”中進行解調、顯示，軟件設計流程如圖6所示。

圖6 數據字功能流程圖

圖7 信號處理流程圖

文件管理功能主要完成對測試數據文件進行管理，測試數據需存儲時，通過設置存儲時間長度，對方位、仰角數據進行存儲，存儲的數據可在測試接收中進行回放。支持用戶選擇存儲時間：1分鐘、2分鐘、5分鐘和10分鐘，數據存儲自動生成以當前時間為文件名的CSV格式文件。校準功能主要完成掃描信號、數據信號功率的校準補償，各補償值能夠存儲在設備中。

3.2 信號處理軟件

信號處理軟件功能包括數據解調、幅度及角度解調兩部分[20]。射頻前端輸出的70 MHz限幅中頻信號，經40 MHz的帶通采樣轉換為數字中頻信號，經帶寬為120 kHz的帶通濾波器濾出10 MHz信號，由數字下變頻輸出800 kHz信號，為減輕信號處理壓力進行4倍抽取，將信號數據率降為10 MHz，設計中采用數字costas鎖相環技術實現載波恢復與跟蹤，完成數據基帶信號的解算。為提高系統的測試精度，設計中采用相干解調方式實現DPSK信號的解調。相干解調后的信號是絕對碼，通過軟件設計實現絕對碼-相對碼的變換。若絕對碼記為bk，相對碼記為ak，則絕對碼-相對碼之間的關系為：ak=bk⊕bk-1。解調出的數據基帶信號，通過相關運算，數據信息解差分，獲得功能碼、基本數據字和輔助數據字的相關信息。接收前端輸出的微波引導信息包絡信號，經A/D采樣及26 kHz帶通濾波，與數據解調配合，解調出仰角、方位、掃描功率信息，從而實現幅度及角度解調。容的識別、信息校驗、顯示輸出等工作，其流程如圖7所示。

4 實驗結果與分析

角度數據檢測系統研發完成后，利用某部機場微波引導設備進行了檢測試驗與數據測試驗證。按照相關標準規定及系統測試要求，喇叭口接收天線架設選擇距離高精度微波引導設備400 m、方位天線相位中心±20°覆蓋區域內，架設高度在4.5～30 m之間可調整，預先確定了典型角度信號接收測試點作為標定點，應用光學全站儀精確測量測試點的微波引導設備方位和仰角天線相位中心方位角和仰角數據，作為方位、仰角以及數據信息的標定值。

按照檢測系統界面操作與檢測使用程序方法步驟，將系統喇叭口接收天線、射頻測試電纜與系統主機正確連接，選取與微波引導設備測角功能設備相同的500、600、699三個典型波道，在角功能界面設置波道、方位角真值、仰角真值，對微波引導測角設備發射的方位角、仰角及數據信號信息進行現地測試，并將測試的方位角、仰角數據與標定數據進行比對。

測試結果如表1、表2和表3所示。實測結果表明：方位角測試精度不劣于±0.16°，仰角測試精度不劣于±0.18°，測試結果滿足角度檢測系統的技術指標要求；測試的數據信號與微波引導測角設備發射的數據信息一致，驗證了檢測系統功能、性能的有效性和準確性。

表1 檢測系統方位角實測數據記錄表

表2 檢測系統仰角實測數據記錄表

表3 檢測系統數據字實測記錄表

5 結束語

高精度微波引導設備角度數據檢測系統采用最新數字化、模塊化、小型化技術設計，實現對高精度微波引導設備發射的空間信號的接收、處理、解算、測量，準確判斷微波引導設備的主要功能和技術性能。檢測系統在實裝環境下現場對接實驗與數據測試，實驗結果表明：系統方位角測量精度不劣于±0.16°，仰角精度不劣于±0.18°，滿足了系統角度數據指標測量要求，驗證了系統測試的數據信號與微波引導測角設備發射數據基本信息的一致性，有效提升高精度微波引導裝備定檢及故障維修能力，對提高飛行安全保障能力具有重要意義。