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應(yīng)用設(shè)計(jì)

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基于凌華科技PCI-9846的航空導(dǎo)航VOR信號(hào)綜測儀設(shè)計(jì)

基于凌華科技PCI-9846的航空導(dǎo)航VOR信號(hào)綜測儀設(shè)計(jì)

2016/6/29 9:37:14

                                       

  1、引言

  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(dòng)測試系統(tǒng)。機(jī)載電子設(shè)備的信號(hào)多且復(fù)雜,涵蓋了低頻和高頻信號(hào)、連續(xù)和離散信號(hào),同時(shí)還包括一些非電信號(hào)。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(dòng)化程度低,擴(kuò)展性差。隨著民用航空運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展,大部分機(jī)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(dòng)對其進(jìn)行測試檢查。所以目前世界各發(fā)達(dá)國家均采用自動(dòng)測試設(shè)備完成此類工作。

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

  將凌華科技PCI-9846H運(yùn)用于自動(dòng)測試系統(tǒng)信號(hào)源的測試和校準(zhǔn)中,以航空導(dǎo)航VOR信號(hào)為例,對信號(hào)進(jìn)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(biāo)可以滿足需要。

  VOR信號(hào)

  甚高頻全向信標(biāo)的基本功用是為機(jī)載VOR接收機(jī)提供一個(gè)復(fù)雜的無線電信號(hào),經(jīng)機(jī)載VOR接收機(jī)解調(diào)后,測出地面甚高頻全向信標(biāo)臺(tái)相對于飛機(jī)的磁方位即VOR方位。機(jī)載接收機(jī)接收到的空間合成VOR信號(hào)包括基準(zhǔn)相位信號(hào)和可變相位信號(hào),通過對兩種信號(hào)相位的比較來實(shí)現(xiàn)定向。VOR工作頻率范圍108MHz~117.95MHz,波道間隔0.05MHz。

  1.1 VOR基準(zhǔn)相位信號(hào)

  VOR基準(zhǔn)相位信號(hào)(Reference Phase Signal)包括射頻載波和9960Hz的副載波。射頻載波的頻率范圍從108MHz~117.95MHz。9960Hz的副載波被30Hz基準(zhǔn)信號(hào)調(diào)頻,調(diào)制系數(shù)16,表達(dá)式為:

基于凌華科技PCI-9846的航空導(dǎo)航VOR信號(hào)綜測儀設(shè)計(jì)

   式中是副載波對射頻載波的調(diào)幅系數(shù),為副載波頻率,為對副載波的調(diào)制系數(shù),為基帶信號(hào)頻率,為射頻頻率。

  基準(zhǔn)相位信號(hào)在空間0?~360?各徑向方位上輻射信號(hào)的強(qiáng)度和所含30Hz信號(hào)的相位都不變,輻射場的水平方向性圖為一個(gè)圓。

  1.2 VOR可變相位信號(hào)

  可變相位信號(hào)(Variable Phase Signal)只包含單純的射頻載波,頻率范圍108MHz~117.95MHz。兩對正交的邊帶天線分別輻射正弦調(diào)制邊帶波和余弦調(diào)制邊帶波,場強(qiáng)均按30Hz的規(guī)律變化,這樣在空間就生成了一個(gè)30Hz正弦規(guī)律改變的調(diào)幅波,表達(dá)式為:

  (2)

基于凌華科技PCI-9846的航空導(dǎo)航VOR信號(hào)綜測儀設(shè)計(jì)

  式中是當(dāng)前VOR徑向方位角。

  1.3 合成信號(hào)

  空間接收到的合成信號(hào)(Composite Signal)包括基準(zhǔn)相位信號(hào)和可變相位信號(hào)的疊加,如圖1所示,表達(dá)式為:

 ?。?)

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  接收機(jī)通過解調(diào)和比較二者的相位差得到方向信息。

 圖1空間合成信號(hào)

                                                              

  2、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

  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(jī)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。對于這種無線電系統(tǒng),從實(shí)體上無法觀察到一個(gè)真正的電臺(tái),它完全從軟件角度解決無線電通信問題。由于通用機(jī)不是一個(gè)實(shí)時(shí)的同步系統(tǒng),不適于嚴(yán)格定時(shí)采樣信號(hào)的實(shí)時(shí)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(jī)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(xué)和研究。

  系統(tǒng)選用流水線形式進(jìn)行連接,與信號(hào)流方向一致,具有很高的效率,時(shí)延短,處理數(shù)率高,可以一定程度上彌補(bǔ)GPP信號(hào)處理速度慢的不足。但是由于各模塊之間采用實(shí)際電路互聯(lián),模塊間耦合緊密,獨(dú)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(dòng),甚至總體結(jié)構(gòu)的改變。因?yàn)樵O(shè)計(jì)目的是針對測試系統(tǒng)信號(hào)源的測試和校準(zhǔn),信號(hào)相對固定,不需要頻繁變動(dòng),所以選用流水式結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。信號(hào)的產(chǎn)生和處理由工控機(jī)完成,任意波形發(fā)生模塊(Arbitrary Waveform Generator,AWG)實(shí)現(xiàn)波形輸出(高頻時(shí)需要用到數(shù)字上變頻卡),如果做無線發(fā)射和接收時(shí)需要附加天線和射頻放大器。信號(hào)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(shí)時(shí)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

  2.1 信號(hào)源

  中頻信號(hào)用PXI-5421產(chǎn)生。這是一款可進(jìn)行板載信號(hào)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(dòng)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(biāo)準(zhǔn)。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(hào),其最大輸出范圍為12Vpp,50Ω電阻載荷,最高頻率43MHz。上變頻卡采用NI PXI-5610,其內(nèi)有2.7 GHz上變頻器,具有高實(shí)時(shí)帶寬和穩(wěn)定的時(shí)基,其精度可達(dá)±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(hào),可調(diào)增益范圍130dB。PXI-5421產(chǎn)生高頻VOR信號(hào)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的PCI接口對PXI系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。 

  2.2 數(shù)據(jù)采集

  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(dòng)態(tài)范圍信號(hào)設(shè)計(jì),最高輸入頻率可達(dá)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(hào)。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(dá)、超聲波及軟件無線電等大動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)。

  配合高達(dá)512MB的板載內(nèi)存,PCI-9846可以記錄更長時(shí)間的波形而不受限于PCI總線的傳輸速率。數(shù)字化的信號(hào)數(shù)據(jù)在傳輸?shù)街鞔鎯?chǔ)器以前先被存儲(chǔ)到板載內(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?。┓绞剑梢蕴峁└叩臄?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(gè)板載取樣點(diǎn)先進(jìn)先出存儲(chǔ)器,以實(shí)現(xiàn)繞過板載內(nèi)存而實(shí)時(shí)直接將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)內(nèi)存。

  PCI-9846具有靈活的觸發(fā)選項(xiàng),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(fù)觸發(fā)采集,以便對極短時(shí)間間隔的多個(gè)數(shù)據(jù)段進(jìn)行采集。PXI背板提供的多種觸發(fā)選項(xiàng)使PCI-9846可以簡便地實(shí)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(shí)向PXI觸發(fā)總線輸出觸發(fā)或時(shí)基信號(hào),在設(shè)置為“從”時(shí)從PXI觸發(fā)控制槽接收觸發(fā)或時(shí)基信號(hào)。PXI背板提供精準(zhǔn)的10MHz信號(hào)也可以用作一個(gè)時(shí)基信號(hào)源。

  PCI-9846包含一個(gè)精確的低溫度漂移板載基準(zhǔn)。這不但可以提供一個(gè)穩(wěn)定的校準(zhǔn)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(dòng)校準(zhǔn)過程通過軟件完成,不需要任何手動(dòng)調(diào)整。一旦校準(zhǔn)過程完成,校準(zhǔn)信息將被存儲(chǔ)在板載EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory,電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器),需要時(shí)校準(zhǔn)值可從板上加載。

  2.3 軟件部分

  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(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)(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(tái)。信號(hào)產(chǎn)生、數(shù)字化儀調(diào)用和數(shù)字信號(hào)處理在LabVIEW2010環(huán)境下進(jìn)行。

  由于機(jī)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(hào)建模的結(jié)果(參考“1.3 合成信號(hào)”),計(jì)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(hào)。調(diào)用DAQPilot相關(guān)模塊控制數(shù)字化儀進(jìn)行信號(hào)采集,并存儲(chǔ)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(jìn)行相關(guān)解調(diào)及運(yùn)算,完成信號(hào)分析。信號(hào)的產(chǎn)生與采集程序框圖如圖3所示,解調(diào)和運(yùn)算程序框圖如圖4所示。

 

圖3 信號(hào)產(chǎn)生與采集程序 (點(diǎn)擊可查看大圖)

 

圖4 信號(hào)解調(diào)程序

                                                 

  3、運(yùn)行結(jié)果

  按照設(shè)計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)連接好硬件,設(shè)置波形信息,基帶信號(hào)為30Hz正弦波,調(diào)頻副載波9960Hz,頻偏480Hz,調(diào)制系數(shù)0.3??紤]機(jī)器性能及運(yùn)行時(shí)間,VOR信號(hào)以1MHz為例。計(jì)算得出的波形存儲(chǔ)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(jìn)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(shí)候采用IQ調(diào)制,I路為調(diào)制信號(hào),Q路為0。寫入數(shù)據(jù)時(shí)選擇與生成時(shí)相同的采樣率,才能保證生成信號(hào)的頻譜正確。

  信號(hào)產(chǎn)生模塊持續(xù)運(yùn)行,并調(diào)用數(shù)字化儀進(jìn)行采集。同樣需要設(shè)置虛擬通道,量程±1V,信號(hào)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(shí)鐘設(shè)定為“Continuous Samples”,持續(xù)時(shí)間1秒。采樣后的數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)對信號(hào)的測量和驗(yàn)證,需要對采集的波形進(jìn)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(hào)經(jīng)過相干解調(diào)后得到空間合成信號(hào)的外包絡(luò),包括30Hz的可變相位信號(hào),和9960Hz的調(diào)頻副載波。30Hz可變相位信號(hào)經(jīng)過30Hz濾波器直接得到,前面板可見其時(shí)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(zhǔn)相位信號(hào),前面板可見其相應(yīng)參數(shù)?;鶞?zhǔn)相位信號(hào)與可變相位信號(hào)的相位差可指示當(dāng)前的方位信息,讀書為VOR方位角。運(yùn)行后的前面板如圖5所示。程序運(yùn)行時(shí),其中的各個(gè)標(biāo)簽頁可以輪流顯示,按下右下方的“暫?!扁o可以鎖定當(dāng)前標(biāo)簽頁。

 

圖5 綜測儀前面板

  4、結(jié)論

  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?;诖思夹g(shù)的測試設(shè)備因?yàn)槠溟_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(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)過渡的關(guān)鍵。經(jīng)驗(yàn)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(fù)雜模擬信號(hào)的準(zhǔn)確采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換,并能存儲(chǔ)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(hào)處理實(shí)驗(yàn),有待今后工作中繼續(xù)研究改進(jìn)。

           

審核編輯(
王靜
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