航空導航設(shè)備測試應(yīng)用，信號產(chǎn)生與采集。

 挑戰(zhàn)

航空電子設(shè)備的測試要求利用有限的資源，構(gòu)建功能多樣化的自動測試系統(tǒng)。機載電子設(shè)備的信號多且復雜，涵蓋了低頻和高頻信號、連續(xù)和離散信號，同時還包括一些非電信號。傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)采用分立儀器搭建，這種方法成本高，測量自動化程度低，擴展性差。隨著民用航空運輸業(yè)的發(fā)展，大部分機載飛行電子設(shè)備高度數(shù)字化、集成化，已不可能靠人工手動對其進行測試檢查，傳統(tǒng)的儀器也難以滿足需求。與之相比，基于軟件無線電的信號處理機制由于它所具有的靈活性、開放性等特點，有著突出的優(yōu)勢，更加適應(yīng)需要。同時，這也將為相關(guān)的教學研究提供便利。

以航空導航VOR信號為例。研究VOR導航原理，對其合成信號進行分析和建模。波形的時域數(shù)據(jù)可以方便地用公示表達和計算，得到的數(shù)據(jù)輸入到DAC，即可生成模擬波形，再經(jīng)過上變頻達到所需頻率。對于已有的模擬信號，調(diào)用PCI-9846高速數(shù)字化儀進行采集，采集的數(shù)據(jù)可以實時顯示，也可以存儲為文件方便日后調(diào)用和分析。經(jīng)驗證，軟件無線電在自動測試系統(tǒng)的應(yīng)用可以大大節(jié)約成本，簡化系統(tǒng)，并提高效率。數(shù)字化儀的性能指標可以滿足需要。

摘要：以航空導航VOR（Very High Frequency Omnidirectional Range，甚高頻全向信標）信號為例，用凌華科技PCI-9846高速數(shù)字化儀進行采集，并完成時域及頻域的分析，解調(diào)后可以還原出方位信息，以此快捷地檢驗信號準確性。經(jīng)驗證，軟件無線電在自動測試系統(tǒng)的應(yīng)用可以大大節(jié)約成本，簡化系統(tǒng)，并提高效率。數(shù)字化儀的相關(guān)性能指標可以滿足需要。

關(guān)鍵詞：VOR信號 PCI-9846 綜測儀

航空電子設(shè)備的測試要求利用有限的資源，構(gòu)建功能多樣化的自動測試系統(tǒng)。機載電子設(shè)備的信號多且復雜，涵蓋了低頻和高頻信號、連續(xù)和離散信號，同時還包括一些非電信號。傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)采用分立儀器搭建，這種方法成本高，測量自動化程度低，擴展性差。隨著民用航空運輸業(yè)的發(fā)展，大部分機載飛行電子設(shè)備高度數(shù)字化、集成化，已不可能靠人工手動對其進行測試檢查。所以目前世界各發(fā)達國家均采用自動測試設(shè)備完成此類工作。[1][2]

軟件無線電的基本思想是以一個通用、標準、模塊化的硬件平臺為依托，通過軟件編程來實現(xiàn)無線電臺的各種功能，從基于硬件、面向用途的電臺設(shè)計方法中解放出來[3]。自動測試系統(tǒng)對信號源的靈活性和全面性提出了更高的要求，傳統(tǒng)的信號發(fā)生器難以滿足需求[4]。與之相比，基于軟件無線電的信號發(fā)生器由于它所具有的靈活性、開放性等特點，有著突出的優(yōu)勢，更加適應(yīng)需要。同時，這也將為相關(guān)的教學研究提供便利。

將凌華科技PCI-9846H運用于自動測試系統(tǒng)信號源的測試和校準中，以航空導航VOR信號為例，對信號進行采集和處理，還原出基本信息。證明數(shù)字化儀的性能指標可以滿足需要。

甚高頻全向信標的基本功用是為機載VOR接收機提供一個復雜的無線電信號，經(jīng)機載VOR接收機解調(diào)后，測出地面甚高頻全向信標臺相對于飛機的磁方位即VOR方位[5]。機載接收機接收到的空間合成VOR信號包括基準相位信號和可變相位信號，通過對兩種信號相位的比較來實現(xiàn)定向。VOR工作頻率范圍108MHz~117.95MHz，波道間隔0.05MHz。

 

接收機通過解調(diào)和比較二者的相位差得到方向信息。[5,6]

 

       圖1空間合成信號

采用以GPP(General-Purpose Processor，通用處理器)為基礎(chǔ)的體系結(jié)構(gòu)，直接用工控機進行數(shù)字信號處理。對于這種無線電系統(tǒng)，從實體上無法觀察到一個真正的電臺，它完全從軟件角度解決無線電通信問題。由于通用機不是一個實時的同步系統(tǒng)，不適于嚴格定時采樣信號的實時處理，只能通過中斷來保持一定的同步。但是因其開放性、靈活性、可編程性和人機界面方面的優(yōu)勢，最接近理想的軟件無線電，也更適于測試、教學和研究。

系統(tǒng)選用流水線形式進行連接，與信號流方向一致，具有很高的效率，時延短，處理數(shù)率高，可以一定程度上彌補GPP信號處理速度慢的不足。但是由于各模塊之間采用實際電路互聯(lián)，模塊間耦合緊密，獨立程度不高。如果系統(tǒng)功能改變，需要增加、去除或修改某一模塊，牽扯到相應(yīng)的模塊變動，甚至總體結(jié)構(gòu)的改變。因為設(shè)計目的是針對測試系統(tǒng)信號源的測試和校準，信號相對固定，不需要頻繁變動，所以選用流水式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示[7]。信號的產(chǎn)生和處理由工控機完成，任意波形發(fā)生模塊（Arbitrary Waveform Generator，AWG）實現(xiàn)波形輸出（高頻時需要用到數(shù)字上變頻卡），如果做無線發(fā)射和接收時需要附加天線和射頻放大器。信號的采集和數(shù)模轉(zhuǎn)換由凌華科技PCI-9846高速數(shù)字化儀完成，轉(zhuǎn)換結(jié)果可以實時顯示，也可以保存成波形文件以便后續(xù)處理。

 

圖2 系統(tǒng)框圖

中頻信號用PXI-5421產(chǎn)生。這是一款可進行板載信號處理(OSP)的任意波形發(fā)生器，具有16位分辨率和-91 dBc封閉式無寄生動態(tài)范圍(SFDR)，可為要求數(shù)字上變頻和基帶插值的應(yīng)用提供儀器質(zhì)量標準。作為一款功能齊全的AWG，PXI-5421還能夠生成通用的電子測試信號，其最大輸出范圍為12Vpp，50Ω電阻載荷，最高頻率43MHz[8]。上變頻卡采用NI PXI-5610，其內(nèi)有2.7 GHz上變頻器，具有高實時帶寬和穩(wěn)定的時基，其精度可達±50ppb。在射頻生成應(yīng)用中，與模塊化函數(shù)發(fā)生器緊密集成，可產(chǎn)生頻率范圍50kHz到2.7GHz的信號，可調(diào)增益范圍130dB[9]。PXI-5421產(chǎn)生高頻VOR信號送至PXI-5610做上變頻處理，變頻到需要的甚高頻波段。

PXI板卡安裝在NI PXI-1402控制箱內(nèi)。采用NI PXI-PCI833x 套件，可使用通過銅纜連接的完全透明的MXI-4網(wǎng)絡(luò)在計算機上控制PXI模塊。MXI-4通過在PCI-PCI高帶寬連接上搭建橋路，通過計算機的PCI接口對PXI系統(tǒng)進行遠程控制。  

用凌華科技PCI-9846高速數(shù)字化儀完成數(shù)據(jù)采集。凌華科技PCI-9846是具有40MHz采樣頻率的16位4通道數(shù)字化儀，專為高頻率、大動態(tài)范圍信號設(shè)計，最高輸入頻率可達20MHz。模擬輸入量程可以通過軟件設(shè)定為±1V或±0.2V，可選擇50歐輸入阻抗，以適應(yīng)高速、高頻信號。裝有4通道高線性16位A/D轉(zhuǎn)換器，可以理想地適應(yīng)諸如雷達、超聲波及軟件無線電等大動態(tài)范圍信號。

配合高達512MB的板載內(nèi)存，PCI-9846可以記錄更長時間的波形而不受限于PCI總線的傳輸速率。數(shù)字化的信號數(shù)據(jù)在傳輸?shù)街鞔鎯ζ饕郧跋缺淮鎯Φ桨遢d內(nèi)存。數(shù)據(jù)傳輸采用SG-DMA(Scatter-gather Direct Memory Access，分散－聚集直接內(nèi)存讀取）方式，可以提供更高的數(shù)據(jù)傳輸率，并可更有效的利用系統(tǒng)內(nèi)存。如果數(shù)字化儀的數(shù)據(jù)傳輸速率低于可用的PCI總線帶寬，PCI-9846還設(shè)有一個板載取樣點先進先出存儲器，以實現(xiàn)繞過板載內(nèi)存而實時直接將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C內(nèi)存。

PCI-9846具有靈活的觸發(fā)選項，包括軟件觸發(fā)、外部數(shù)字觸發(fā)、任意模擬通道的模擬觸發(fā)以及PXI總線觸發(fā)。多樣的觸發(fā)方式使其更適應(yīng)需求。后觸發(fā)、延遲觸發(fā)、前觸發(fā)及中觸發(fā)模式可以采集觸發(fā)事件附近的數(shù)據(jù)。PCI-9846也可以重復觸發(fā)采集，以便對極短時間間隔的多個數(shù)據(jù)段進行采集。PXI背板提供的多種觸發(fā)選項使PCI-9846可以簡便地實現(xiàn)多模塊同步。利用PXI觸發(fā)總線，PCI-9846可以在設(shè)置為“主”時向PXI觸發(fā)總線輸出觸發(fā)或時基信號，在設(shè)置為“從”時從PXI觸發(fā)控制槽接收觸發(fā)或時基信號。PXI背板提供精準的10MHz信號也可以用作一個時基信號源。

PCI-9846包含一個精確的低溫度漂移板載基準。這不但可以提供一個穩(wěn)定的校準源，亦能保證在較大溫度變化范圍的數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定性。自動校準過程通過軟件完成，不需要任何手動調(diào)整。一旦校準過程完成，校準信息將被存儲在板載EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，電可擦除可編程只讀存儲器)，需要時校準值可從板上加載。[10]

LabVIEW是NI（National Instruments，美國國家儀器公司）的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，其全稱是實驗室虛擬儀器工程平臺（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench），是一款基于G語言（Graphics Language，圖形化編程語言）的測試系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺[11]。信號產(chǎn)生、數(shù)字化儀調(diào)用和數(shù)字信號處理在LabVIEW2010環(huán)境下進行。

由于機器性能有限，程序分為產(chǎn)生、采集和處理三部分。根據(jù)信號建模的結(jié)果（參考“1.3 合成信號”），計算得出波形數(shù)據(jù)并保存到文件。在波形的產(chǎn)生程序中，先把波形數(shù)據(jù)讀出并寫入任意波形發(fā)生器，調(diào)用其產(chǎn)生所需要的信號。調(diào)用DAQPilot相關(guān)模塊控制數(shù)字化儀進行信號采集，并存儲到文件以便后續(xù)調(diào)用。解調(diào)程序調(diào)用此波形文件，進行相關(guān)解調(diào)及運算，完成信號分析。信號的產(chǎn)生與采集程序框圖如圖3所示，解調(diào)和運算程序框圖如圖4所示。

圖3 信號產(chǎn)生與采集程序

 

圖4 信號解調(diào)程序

按照設(shè)計的硬件結(jié)構(gòu)連接好硬件，設(shè)置波形信息，基帶信號為30Hz正弦波，調(diào)頻副載波9960Hz，頻偏480Hz，調(diào)制系數(shù)0.3。考慮機器性能及運行時間，VOR信號以1MHz為例。計算得出的波形存儲到文件中，以便在波形產(chǎn)生程序里調(diào)用。在波形產(chǎn)生程序中，先對設(shè)備進行初始化和參數(shù)調(diào)整，設(shè)定板卡地址，功率為-10dBm，中心頻率1MHz，模式為“Arb Waveform”。調(diào)用時候采用IQ調(diào)制，I路為調(diào)制信號，Q路為0。寫入數(shù)據(jù)時選擇與生成時相同的采樣率，才能保證生成信號的頻譜正確。[12]

信號產(chǎn)生模塊持續(xù)運行，并調(diào)用數(shù)字化儀進行采集。同樣需要設(shè)置虛擬通道，量程±1V，信號類型“AI Voltage”，采樣頻率須滿足乃奎斯特定理，此處選為8MHz，采樣時鐘設(shè)定為“Continuous Samples”，持續(xù)時間1秒。采樣后的數(shù)據(jù)可以實時在波形圖表中顯示，并通過“寫入波形數(shù)據(jù)到文件.vi”存入文件，以便后續(xù)調(diào)用。

 為實現(xiàn)對信號的測量和驗證，需要對采集的波形進行解調(diào)并還原出相應(yīng)的信息。采集到的VOR空間合成信號經(jīng)過相干解調(diào)后得到空間合成信號的外包絡(luò)，包括30Hz的可變相位信號，和9960Hz的調(diào)頻副載波。30Hz可變相位信號經(jīng)過30Hz濾波器直接得到，前面板可見其時域、頻域波形以及頻率、相位和幅值等信息；9960Hz副載波經(jīng)過濾波后鑒頻，得到30Hz基準相位信號，前面板可見其相應(yīng)參數(shù)。基準相位信號與可變相位信號的相位差可指示當前的方位信息，讀書為VOR方位角。運行后的前面板如圖5所示。程序運行時，其中的各個標簽頁可以輪流顯示，按下右下方的“暫停”鈕可以鎖定當前標簽頁。

 

圖5 綜測儀前面板

軟件無線電技術(shù)目前在軍用、民用通信領(lǐng)域已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用。基于此技術(shù)的測試設(shè)備因為其開放性和靈活性，比傳統(tǒng)設(shè)備有更加廣闊的應(yīng)用前景。而數(shù)字化儀正是實現(xiàn)模擬信號向數(shù)字信號過渡的關(guān)鍵。經(jīng)驗證，凌華科技PCI-9846高速數(shù)字化儀安裝簡便，操作界面人性化，可以在LabVIEW環(huán)境下方便地調(diào)用，勝任復雜模擬信號的準確采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換，并能存儲成波形文件便于后續(xù)調(diào)用。限于技術(shù)水平和電腦性能，不能做更高頻率的采樣和信號處理實驗，有待今后工作中繼續(xù)研究改進。

[1] 董勤鵬，熊華鋼，基于某航空電子設(shè)備的自動測試系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn),現(xiàn)代電子技術(shù)[J]，2008，21，146-149；

[2] 呂毅清，新一代的航空電子自動測試設(shè)備，國外電子測量技術(shù)[J],2000，1，8-11；

[3] 百度百科. 軟件無線電[OL]. [2010.11.27]. http://goo.gl/lKi0D.

[4]  董勤鵬, 熊華鋼,基于某航空電子設(shè)備的自動測試系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn), 現(xiàn)代電子技術(shù)[J], 2008, 21: 146-149.

[5] 鄭連興，倪育德. DVOR VRB-51D多普勒全向信標[M]. 北京：中國民航出版社，1997: 8-15.

[6] Rockwell Collins Company. VOR-700 Receiver Component Maintenance Manual. 17th Revision. Printed the United States of America, 2006: 71-76.

[7] 向新.軟件無線電原理與技術(shù)[M]. 西安：西安電子科技大學出版社, 2008:14-19.

[8] National Instruments Corporation, NI PXI-5441 Specifications, National Instruments Corporation,2010:1-5.

[9] National Instruments Corporation,NI PXI-5610 2.7 GHz Upconverter [OL]. [2010.12.20]. http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/en/nid/13478.

[10] ADLINK Technology Inc. PCI/PXI-9816/26/46 4-CH 16-Bit 10/20/40 MS/s Digitizer with 512 MB SDRAM User’s Manual. ADLINK Technology Inc, 2009: 11-12;

[11] 戴朋飛, 王勝開, 王格芳. 測試工程與LabVIEW應(yīng)用[M]. 北京:電子工業(yè)出版社, 2006: 13-15.

[12] Song Guan, Guangbo Wu. Study on a VOR Signal Generator Based on Software[C]. ICTIS2011, Wuhan.

 

 

關(guān)于凌華
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