一種機載近程無線電導航設備標準模擬器的設計研究

許海

（國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241007）

1 前言

某型機載近程無線電導航設備（塔康）標準模擬器（以下簡稱模擬器）是一個校準測試儀器，可用來檢側和維修塔康和精密測距（DME/P）設備，它能提供模擬的距離、方位和識別信號。在空/地X 或Y 模式下，這些信號與塔康地面臺的信號相同；它也能模擬出塔康在空/空X 或Y 模式下距離和方位信號；在DME/P 狀態下，可分別模擬出X、Y、Z、W 等模式的距離信號。主要用途如下：（1）檢測塔康的距離精度和在不同速率下的搜索和跟蹤能力。（2）檢測塔康的方位精度和在不同速率下的搜索和跟蹤能力。（3）檢測機載DME/P 設備的距離精度和搜索、跟蹤能力。（4）測試塔康和DME/P設備的識別電路工作情況。（5）檢測塔康、DME/P 設備接收靈敏度、選擇性和鄰波道抑制性能。（6）測量塔康、DME/P 設備發射機的峰值功率。

2 設備組成

模擬器由射頻部分、視頻部分和電源組成。其中視頻部分包括距離單元、方位單元、波形單元和PC104 單元；射頻部分包括調制組件、頻率合成器、程控衰減器、定向耦合器、環流器、檢波穩幅組件和低通濾波器，原理框圖如圖1。

圖1 模擬器原理框圖

模擬器是一個校準測試儀器，可用來檢測和維修塔康和DME/P設備，它能提供模擬的距離、方位和識別信號。在空/地X 或Y 模式下，這些信號與塔康地面臺的信號相同；它也能模擬出塔康在空/空X 或Y 模式下的距離和方位信號；在DME/P 狀態下，可分別模擬出X、Y、Z、W 等模式的距離信號。

3 射頻部分

射頻部分產生252 個波道的RF 信號，與塔康系統中126 個空／地（X 或Y）波道、126 個空／空（X 或Y）波道、DME/P 系統中200 個（X、Y、Z、W）波道相對應。波道以1MHz 為間隔，范圍從962 ～1213MHz，其每一波道控制在±0.002%范圍內。工作頻率（波道選擇）可由前面板控制鍵選擇，且可程控響應選定的工作模式。

在RF 系統中，從視頻系統來的一個混合調制信號加到調制器，用來調制RF 信號的電平，此電平從～-127dBm，通過程控衰減器使其以1.0dB 的增量變化，提供一個檢測信號送給被檢設備。RF 系統也接收從被檢測設備來的距離詢問脈沖，詢問脈沖在檢波后加到視頻系統來激發一距離回答脈沖。距離回答脈沖也被送到脈沖峰值測量電路，以確定被檢測設備發射機的輸出功率。RF 系統方框圖見圖2。

圖2 RF 系統方框圖

頻率合成器提供RF 載波經隔離器隔離饋給載波控制電路，其輸出頻率由視頻處理系統的波道控制決定。頻率范圍為962 ～1213MHz，波道間隔1MHz。由視頻處理系統來的控制信號對載波進行控制，當有脈沖時打開載波信號將載波饋給PIN 調制器。調制激勵器將來自視頻的脈沖信號和15Hz、135Hz 復合包絡電壓信號轉換成電流激勵信號，饋給PIN 調制器。經脈沖調制、復合包絡調制后的輸出RF 信號饋給程控衰減器，程控衰減器的衰減范圍為0 ～127dB，其輸出再經隔離器、環流器、定向耦合器、低通濾波器由RF 輸入/輸出接口輸出。

由塔康和DME/P 發射的RF 測距詢問脈沖，經輸入/輸出接口低通濾波器、定向耦合器、環流器饋給30dB 固定衰減器。衰減后的RF 詢問信號經穩幅、檢波、放大，一路詢問脈沖輸出給前面板上的詢問監測口，另一路詢問脈沖輸出給視頻分機。

由塔康和DME/P 發射的RF 測距詢問脈沖在通過定向耦合器時，耦合一部分信號給同軸檢波器，經檢波器檢波輸出詢問脈沖給視頻的功率測量電路，測量塔康和DME/P 的發射功率。

4 視頻部分

視頻系統產生一個混合調制信號，可提供塔康空/地X、Y 模式下的距離、方位和識別信號，提供塔康空/空X 和Y 模式下的距離信號，還提供DME/P 狀態X、Y、Z、W 模式下的IA 和FA 模式距離信息。視頻系統方框圖見圖3。

圖3 視頻處理系統方框圖

在正常塔康空/地X、Y 模式下，混合信號是由一等幅的脈沖串和15Hz、135Hz 調幅信號組成。該脈沖串包括主基準脈沖群、輔助基準脈沖群、隨機脈沖、識別和均衡脈沖及距離回答脈沖（在被詢問時出現），所有這些脈沖都來調制RF 系統產生的RF 信號，15Hz 和135Hz 調幅信號用來改變脈沖調制過的RF 信號的幅度，從而得到包括距離、方位和識別信息的信號。

在塔康空/空X 和Y 模式下，混合信號是由一等幅的脈沖串和15Hz 調幅信號組成，該脈沖串包括主基準脈沖群、隨機單脈沖、距離回答脈沖（在被詢問時出現）及詢問信號，所有這些脈沖都來調制RF 系統產生的RF信號，15Hz 調幅信號用來改變脈沖調制過的RF 信號的幅度，從而得到包括距離、方位信息的信號。

在DME/P 模式下，調制信號只包括隨機脈沖和距離回答脈沖（距離回答脈沖只在模擬器被詢問時出現）。這兩種脈沖具有恒定的幅度，對RF 信號進行調制，從而得到只含有距離信息的RF 信號。

在工常塔康空/地X 模式下，調制包絡是由3600對/秒脈沖所組成（7200 個/秒脈沖），在這些脈沖對中，有900 對代表方位基準脈沖群（主基準和輔基準），其余的2700 對組成隨機脈沖（有或無距離回答脈沖）或識別和均衡脈沖，所有的脈沖對都被15Hz 和135Hz 調制。

在正常塔康空/地Y 模式下，調制包絡由用于方位基準脈沖群的單個脈沖和隨機脈沖對或識別和均衡脈沖對組成，速率為7155 個/秒，在這些脈沖中1755 個代表方位基準脈沖群，余下的5400 個（2700 對）為隨機脈沖（有或無回答脈沖）或識別和均衡脈沖對，所有這些脈沖都被15Hz 和135Hz 調幅。

在塔康空/地X、Y 模式下，隨機脈沖對以隨機的間隔，2700 對/秒的速率傳輸，提供足夠的填充脈沖由15Hz 和135Hz 進行幅度調制。在一個識別信號的傳輸期間，隨機脈沖對由一串識別脈沖所代替。這個脈沖串的重復速率為1350 對/秒。并且在上述的基準群后740μs 出現識別信號的第一脈沖，為了保證脈沖重復頻率和在傳輸識別信號期間的方位誤差最小，在每對識別脈沖后100μs 傳送一個均衡脈沖對。在主基準和輔助基準群前后60μs 期間，沒有隨機和識別脈沖。

模擬器發射距離回答脈沖對以響應詢問器的詢問脈沖對。這個響應的延遲時間是從第一個詢問脈沖的前沿到第一個回答脈沖的前沿即零公里延遲。回答脈沖對代替隨機脈沖對以維持填充速率為2700 對/秒，在主、輔基準脈沖群期間及前后60μs 范圍內空出。

15Hz 和135Hz 幅度調制模擬通過旋轉天線陣列所出現的在地面臺的塔康信標的調制。在正常（T/R)X 模式下，15Hz 幅調與主基準同步。結果在信標的正南點，主基準群的第10 個脈沖與15Hz 幅調的正斜率點重合，而在從正南開始分成幾個40°點上，每個輔助基準群的第12 個脈沖與135Hz 調幅的正斜率點重合。在正常（T/R）Y 模式下，重合點在主基準群第6 和第7 個脈沖中間，而輔助基準群在第12 個脈沖上。

在A/A 距離+ 方位工作模式下，發射一主基準脈沖，它包含10 個間隔為30±0.1μs 單脈沖和速率為1350 個/秒的隨機單脈沖以及編過碼的A/A 詢問脈沖。當模擬器被從塔康來的編碼脈沖詢問時，單個的距離回答脈沖也被發射出去，全部的脈沖信號都被15Hz 調幅信號調制，以對塔康提供方位信息。

為了獲得測距信息，被測設備產生并發射給模擬器一對詢問脈沖，這些脈沖經模擬器檢波和解碼延遲一定時間后，產生一個回答脈沖對或一個回答單脈沖。在模擬器的脈沖延時為零公里延遲與模擬的腳離延遲之和。當接收到距離回答脈沖時，被測設備要減去零公里延遲，把總的時間分成兩段，解決了在一個方向上的距離傳輸，這就是測距信號。這個距離信號實際代表著從地面臺到飛機的距離（在T/R 模式下），而在A/A 模式下則代表主機到僚機的距離。

方位信息包含在主基準脈沖群、輔助基準脈沖群、15Hz 和135Hz 調幅信號中，為得到方位信號，15Hz 的調幅信號的相位相對主基準是可調的。當15Hz 調幅信號的正斜率點與主基準脈沖相重合時，方位定義為零度或北，如果被測設備指示為零度方位，就表示從飛機上看地面臺的方向。當15Hz 調幅信號谷點與主基準脈沖相重合時，方位角定義為90°或東；當15Hz 調幅信號的負斜率點與主基準脈沖相重合時，方位角定義為180°或南；而15Hz 調幅信號的峰值與主基準脈沖相重合時，方位角定義為270°或西。這樣飛機的方位指示器將總是指示出從飛機到地面臺的而不是地面臺到飛機的方位。為增加方位信號的精度，再產生一個135Hz 調福信號，它與輔助基準脈沖的關系正如15Hz 調幅信號與主基準脈沖的關系一樣。由于135Hz 調幅信號是附加在15Hz 調幅信號上的。所以，135Hz 調幅信號所決定的方位信號的精度將是15Hz 調幅信號的9 倍。

對識別信息，在正常（T/R）X 或（T/R）Y 模式下，模擬器將每37.5s 產生一個鍵控識別信號，而在識別狀態下，產生連續的識別信號。鍵控識別信號是由莫爾斯碼組成，實際上代表著由地面臺所產生的識別信號。只是每個地面臺都指定有自己的識別莫爾斯碼，連續的識別信號是一個固定頻率的信號，它用來檢測和維修被測設備的識別電路。這兩種情況都是間隔為740μs，速率為1350Hz 的識別脈沖對，它的相位鎖定在基準脈沖上。在發射識別信號的過程中，隨機脈沖對是不發射的。在發射的識別信號中，為了提供足夠的脈沖對給15Hz 和135Hz 調幅信號，還要同時產生均衡脈沖對。均衡脈沖對是在識別脈沖對后100μs 處，這樣就保持了2700 對/秒的速率，以保證方位精度。

4.1 距離單元

距離單元主要產生距離、距離跟蹤速率數據信息，距離回答概率控制信號，產生隨機填充脈沖、A/A詢問脈沖；10%、50%電平檢測及RF 電平控制等信號。距離單元原理框圖見圖4。

圖4 距離單元原理框圖

距離單元采用單片機來控制協調整個單元，包括與工控機通過RS232 接口進行通訊。考慮到距離單元在產生回答信號時需要延時，最小延時多少就意味著距離的最小變化量，在DME/P 狀態對距離精度要求高，因此，延時精度要求很高，所以在選用晶振時選用了高穩定、高精度晶振。

50%電平檢測主要完成對前端設備來的視頻信號進行檢測，產生50%脈沖信號送給譯碼延時部分。1%、50%電平檢測部分采用了成熟電路。

4.2 方位單元

方位單元用于產生方位、方位跟蹤速率數據信息；產生調制度控制信號、15Hz 和135Hz 包絡信號、主輔基準群觸發信號以及識別脈沖及平衡脈沖。

方位單元采用單片機來完成控制、計算功能，并與工控機進行串行數據通信，接收工控機發送來的命令和數據，獲得工作狀態和參數，作出相應的控制，包括方位主輔基準延時電路、主輔基準群觸發信號的產生、調制度調整電路等。方位單元原理框圖見圖5。

圖5 方位單元原理框圖

15Hz 和135Hz 包絡的形成是由4.86MHz 的溫補晶體振蕩器經分頻后產生54KHz 和486KHz 的時鐘進入地址計數器順序產生0 ～3600 范圍的地址，進而讀取數據存儲器中的數據，使其連續輸出地址數據，再送給D/A 轉換器，D/A 轉換器將數字脈沖信號轉換成1Hz 和135Hz 正弦信號；由15Hz 和135Hz 模擬信號經加法器形成綜合包絡信號；135Hz 的一周期完成后的清零脈沖直接形成輔助基準觸發信號，利用主輔基準頻率9:1 的關系，對輔助基準觸發信號進行九分頻形成主基準觸發信號。

將形成的主輔助基準觸發信號送入方位延時電路作為方位延時電路的觸發信號，方位延時電路將預先設置好的方位延時數據進行延時，從而完成方位數據信息的形成。同時，將形成的輔助基準觸發信號送入識別形成電路，產生出識別脈沖和均衡脈沖。

方位單元需要的硬件電路較多，包括包絡數據存儲器，包絡D/A 轉換器，調制度控制D/A 轉換器以及其他時序電路，為了減小體積，提高可靠性，在方位單元除了采用單片機技術外，還采用大規模可編程邏輯器件來完成本單元的功能。

4.3 波形單元

波形單元主要用于主輔基準群形成，產生脈沖序列控制和脈沖對編碼，鐘形脈沖形成、功率測量；頻率合成器控制以及產生莫爾斯碼。

波形單元采用單片機來控制協調整個單元，包括工控機通過RS232 接口進行通訊，采用串形數據收發端口完成。波形單元原理框圖見圖6。

圖6 波形單元原理框圖

由距離單元和方位單元產生的隨機填充脈沖、主輔基準群觸發信號、識別及平衡脈沖送入波形單元，波形單元根據工作模式和狀態，對這些信號進行組合和脈沖對編碼。脈沖對編碼信號將時鐘打開，通過D/A 轉換器將數字脈沖信號轉換成鐘形脈沖信號，鐘形脈沖再經過放大后送往調制器組件完成脈沖調制。

4.4 輸入/輸出系統

輸入/輸出系統主要用于鍵盤管理及屏幕顯示；向各視頻分機發送控制命令及參數、數據；接收各視頻分機發送來的數據并顯示；要求界面設計良好，操作簡潔，明快。輸入/輸出系統原理框圖見圖7。

圖7 輸入/輸出系統原理框圖

在輸入/輸出系統采用工控機作為主控制器，完成鍵盤信息的輸入和有關信息的顯示輸出，在DOS 環境下運行，軟件采用C 語言編制，工作于圖形模式。在工作過程中，將從鍵盤輸入的工作狀態（包括空/地、空/空、DME/P）、工作模式（包括X、Y、Z、W）、波道信息、距離和距離速率數據、方位和方位速率數據、隨機填充率等信息進行識別、判斷、分組、打包，發送給各視頻分機。

另外，在工作過程中，各視頻分機將計算出的距離數據、方位數據和測量出的功率數據回傳給工控機進行顯示。

5 結語

本設計充分考慮測試的需求以及系統的易操作性、實用性等要求，采用總線化、模塊化的測試技術組建的信號發生平臺。該設計合理，應用技術成熟，可以為塔康和DME/P 設備的修理深度提供一定的支撐。