基于凌华科技PCI-9846 的航空导航VOR信号综测仪设计

　　引言
　　航空电子设备的测试要求利用有限的资源，构建功能多样化的自动测试系统。机载电子设备的信号多且复杂，涵盖了低频和高频信号、连续和离散信号，同时还包括一些非电信号。传统的测试系统采用分立仪器搭建，这种方法成本高，测量自动化程度低，扩展性差。随着民用航空运输业的发展，大部分机载飞行电子设备高度数字化、集成化，已不可能靠人工手动对其进行测试检查。所以目前世界各发达国家均采用自动测试设备完成此类工作。[1][2]
　　软件无线电的基本思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通过软件编程来实现无线电台的各种功能，从基于硬件、面向用途的电台设计方法中解放出来[3]。自动测试系统对信号源的灵活性和全面性提出了更高的要求，传统的信号发生器难以满足需求[4]。与之相比，基于软件无线电的信号发生器由于它所具有的灵活性、开放性等特点，有着突出的优势，更加适应需要。同时，这也将为相关的教学研究提供便利。
　　将凌华科技PCI-9846H运用于自动测试系统信号源的测试和校准中，以航空导航VOR信号为例，对信号进行采集和处理，还原出基本信息。证明数字化仪的性能指标可以满足需要。
　　1.VOR信号
　　甚高频全向信标的基本功用是为机载VOR接收机提供一个复杂的无线电信号，经机载VOR接收机解调后，测出地面甚高频全向信标台相对于飞机的磁方位即VOR方位[5]。机载接收机接收到的空间合成VOR信号包括基准相位信号和可变相位信号，通过对两种信号相位的比较来实现定向。VOR工作频率范围108MHz~117.95MHz，波道间隔0.05MHz。
　　1.1 VOR基准相位信号
　　VOR基准相位信号（Reference Phase Signal）包括射频载波和9960Hz的副载波。射频载波的频率范围从108MHz~117.95MHz。9960Hz的副载波被30Hz基准信号调频，调制系数16，表达式为：
 　

基准相位信号在空间0°~360°各径向方位上辐射信号的强度和所含30Hz信号的相位都不变，辐射场的水平方向性图为一个圆。
　　1.2 VOR可变相位信号
　　可变相位信号（Variable Phase Signal）只包含单纯的射频载波，频率范围108MHz~117.95MHz。两对正交的边带天线分别辐射正弦调制边带波和余弦调制边带波，场强均按30Hz的规律变化，这样在空间就生成了一个30Hz正弦规律改变的调幅波，表达式为：
          

　　1.3 合成信号
　　空间接收到的合成信号（Composite Signal）包括基准相位信号和可变相位信号的叠加，如图1所示，表达式为：
   

接收机通过解调和比较二者的相位差得到方向信息。[5,6]

图1空间合成信号

　　2.系统实现
　　采用以GPP(General-Purpose Processor，通用处理器)为基础的体系结构，直接用工控机进行数字信号处理。对于这种无线电系统，从实体上无法观察到一个真正的电台，它完全从软件角度解决无线电通信问题。由于通用机不是一个实时的同步系统，不适于严格定时采样信号的实时处理，只能通过中断来保持一定的同步。但是因其开放性、灵活性、可编程性和人机界面方面的优势，最接近理想的软件无线电，也更适于测试、教学和研究。
　　系统选用流水线形式进行连接，与信号流方向一致，具有很高的效率，时延短，处理数率高，可以一定程度上弥补GPP信号处理速度慢的不足。但是由于各模块之间采用实际电路互联，模块间耦合紧密，独立程度不高。如果系统功能改变，需要增加、去除或修改某一模块，牵扯到相应的模块变动，甚至总体结构的改变。因为设计目的是针对测试系统信号源的测试和校准，信号相对固定，不需要频繁变动，所以选用流水式结构，结构框图如图2所示[7]。信号的产生和处理由工控机完成，任意波形发生模块（Arbitrary Waveform Generator，AWG）实现波形输出（高频时需要用到数字上变频卡），如果做无线发射和接收时需要附加天线和射频放大器。信号的采集和数模转换由凌华科技PCI-9846高速数字化仪完成，转换结果可以实时显示，也可以保存成波形文件以便后续处理。

图2 系统框图

　　2.1 信号源
　　中频信号用PXI-5421产生。这是一款可进行板载信号处理(OSP)的任意波形发生器，具有16位分辨率和-91 dBc封闭式无寄生动态范围(SFDR)，可为要求数字上变频和基带插值的应用提供仪器质量标准。作为一款功能齐全的AWG，PXI-5421还能够生成通用的电子测试信号，其最大输出范围为12Vpp，50Ω电阻载荷，最高频率43MHz[8]。上变频卡采用NI PXI-5610，其内有2.7 GHz上变频器，具有高实时带宽和稳定的时基，其精度可达±50ppb。在射频生成应用中，与模块化函数发生器紧密集成，可产生频率范围50kHz到2.7GHz的信号，可调增益范围130dB[9]。PXI-5421产生高频VOR信号送至PXI-5610做上变频处理，变频到需要的甚高频波段。
　　PXI板卡安装在NI PXI-1402控制箱内。采用NI PXI-PCI833x 套件，可使用通过铜缆连接的完全透明的MXI-4网络在计算机上控制PXI模块。MXI-4通过在PCI-PCI高带宽连接上搭建桥路，通过计算机的PCI接口对PXI系统进行远程控制。 
　　2.2 数据采集
　　用凌华科技PCI-9846高速数字化仪完成数据采集。凌华科技PCI-9846是具有40MHz采样频率的16位4通道数字化仪，专为高频率、大动态范围信号设计，最高输入频率可达20MHz。模拟输入量程可以通过软件设定为±1V或±0.2V，可选择50欧输入阻抗，以适应高速、高频信号。装有4通道高线性16位A/D转换器，可以理想地适应诸如雷达、超声波及软件无线电等大动态范围信号。
　　配合高达512MB的板载内存，PCI-9846可以记录更长时间的波形而不受限于PCI总线的传输速率。数字化的信号数据在传输到主存储器以前先被存储到板载内存。数据传输采用SG-DMA(Scatter-gather Direct Memory Access，分散－聚集直接内存读取）方式，可以提供更高的数据传输率，并可更有效的利用系统内存。如果数字化仪的数据传输速率低于可用的PCI总线带宽，PCI-9846还设有一个板载取样点先进先出存储器，以实现绕过板载内存而实时直接将数据传输到主机内存。
　　PCI-9846具有灵活的触发选项，包括软件触发、外部数字触发、任意模拟通道的模拟触发以及PXI总线触发。多样的触发方式使其更适应需求。后触发、延迟触发、前触发及中触发模式可以采集触发事件附近的数据。PCI-9846也可以重复触发采集，以便对极短时间间隔的多个数据段进行采集。PXI背板提供的多种触发选项使PCI-9846可以简便地实现多模块同步。利用PXI触发总线，PCI-9846可以在设置为“主”时向PXI触发总线输出触发或时基信号，在设置为“从”时从PXI触发控制槽接收触发或时基信号。PXI背板提供精准的10MHz信号也可以用作一个时基信号源。
　　PCI-9846包含一个精确的低温度漂移板载基准。这不但可以提供一个稳定的校准源，亦能保证在较大温度变化范围的数据采集稳定性。自动校准过程通过软件完成，不需要任何手动调整。一旦校准过程完成，校准信息将被存储在板载EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，电可擦除可编程只读存储器)，需要时校准值可从板上加载。[10]
　　2.3 软件部分
　　LabVIEW是NI（National Instruments，美国国家仪器公司）的创新软件产品，其全称是实验室虚拟仪器工程平台（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench），是一款基于G语言（Graphics Language，图形化编程语言）的测试系统软件开发平台[11]。信号产生、数字化仪调用和数字信号处理在LabVIEW2010环境下进行。
　　由于机器性能有限，程序分为产生、采集和处理三部分。根据信号建模的结果（参考“1.3 合成信号”），计算得出波形数据并保存到文件。在波形的产生程序中，先把波形数据读出并写入任意波形发生器，调用其产生所需要的信号。调用DAQPilot相关模块控制数字化仪进行信号采集，并存储到文件以便后续调用。解调程序调用此波形文件，进行相关解调及运算，完成信号分析。信号的产生与采集程序框图如图3所示，解调和运算程序框图如图4所示。

图3 信号产生与采集程序

图4 信号解调程序

　　3. 运行结果
　　按照设计的硬件结构连接好硬件，设置波形信息，基带信号为30Hz正弦波，调频副载波9960Hz，频偏480Hz，调制系数0.3。考虑机器性能及运行时间，VOR信号以1MHz为例。计算得出的波形存储到文件中，以便在波形产生程序里调用。在波形产生程序中，先对设备进行初始化和参数调整，设定板卡地址，功率为-10dBm，中心频率1MHz，模式为“Arb Waveform”。调用时候采用IQ调制，I路为调制信号，Q路为0。写入数据时选择与生成时相同的采样率，才能保证生成信号的频谱正确。[12]
　　信号产生模块持续运行，并调用数字化仪进行采集。同样需要设置虚拟通道，量程±1V，信号类型“AI Voltage”，采样频率须满足乃奎斯特定理，此处选为8MHz，采样时钟设定为“Continuous Samples”，持续时间1秒。采样后的数据可以实时在波形图表中显示，并通过“写入波形数据到文件.vi”存入文件，以便后续调用。
　　为实现对信号的测量和验证，需要对采集的波形进行解调并还原出相应的信息。采集到的VOR空间合成信号经过相干解调后得到空间合成信号的外包络，包括30Hz的可变相位信号，和9960Hz的调频副载波。30Hz可变相位信号经过30Hz滤波器直接得到，前面板可见其时域、频域波形以及频率、相位和幅值等信息；9960Hz副载波经过滤波后鉴频，得到30Hz基准相位信号，前面板可见其相应参数。基准相位信号与可变相位信号的相位差可指示当前的方位信息，读书为VOR方位角。运行后的前面板如图5所示。程序运行时，其中的各个标签页可以轮流显示，按下右下方的“暂停”钮可以锁定当前标签页。

图5 综测仪前面板

　　4. 结论
　　软件无线电技术目前在军用、民用通信领域已经有广泛的应用。基于此技术的测试设备因为其开放性和灵活性，比传统设备有更加广阔的应用前景。而数字化仪正是实现模拟信号向数字信号过渡的关键。经验证，凌华科技PCI-9846高速数字化仪安装简便，操作界面人性化，可以在LabVIEW环境下方便地调用，胜任复杂模拟信号的准确采集和模数转换，并能存储成波形文件便于后续调用。限于技术水平和电脑性能，不能做更高频率的采样和信号处理实验，有待今后工作中继续研究改进。

　　参考文献：
　　[1] 董勤鹏，熊华钢，基于某航空电子设备的自动测试系统设计与实现,现代电子技术[J]，2008，21，146-149；
　　[2] 吕毅清，新一代的航空电子自动测试设备，国外电子测量技术[J],2000，1，8-11；
　　[3] 百度百科. 软件无线电[OL]. [2010.11.27]. http://goo.gl/lKi0D.
　　[4]  董勤鹏, 熊华钢,基于某航空电子设备的自动测试系统设计与实现, 现代电子技术[J], 2008, 21: 146-149.
　　[5] 郑连兴，倪育德. DVOR VRB-51D多普勒全向信标[M]. 北京：中国民航出版社，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.软件无线电原理与技术[M]. 西安：西安电子科技大学出版社, 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] 戴朋飞, 王胜开, 王格芳. 测试工程与LabVIEW应用[M]. 北京:电子工业出版社, 2006: 13-15.
　　[12] Song Guan, Guangbo Wu. Study on a VOR Signal Generator Based on Software[C]. ICTIS2011, Wuhan.

　　关于凌华
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