基于PXI总线的无线电罗盘信号模拟器设计

张震，张光山

（中国电子科技集团公司第四十一研究所，山东青岛，266555）

0 引言

无线电罗盘又称为自动定向机(ADF)，是一种非自主式的振幅测向近程导航设备，其对应的地面无线电导航台为无方向信标(NDB)，ADF—NDB是第一个用于航空的无线电导航系统，由于它具有结构简单、使用维护方便、价格低廉等优点，至今仍广泛用于飞机导航，并成为目前包括直升机在内的各种飞机的一种常备导航设备。无线电罗盘信号模拟器为便于机载无线电罗盘设备的检测与维修而开发，是众多无线电导航设备模拟器中的一种。各种无线电导航设备现场维护保障模式通常采用针对特定设备的多个模拟器来分别完成各个设备的现场检测。为了满足各种不同型号设备现场维护保障的需求，要配备大量的模拟器，造成现场维护保障规模庞大，不方便随飞机转场。

为解决模拟器小型化问题，本文提出一种基于PXI总线合成仪器和软件无线电架构的无线电罗盘信号模拟器，通过全数字合成无线电罗盘模拟信号，达到减小体积、方便集成的目的，可以很好适应航空无线电导航设备的外场维修检测。

1 软件无线电思想以及无线电罗盘结构

软件无线电是一种无线电广播通信技术，基本思想是以一个固定的硬件平台为基础，通过软件来实现无线电台的各项功能。

图1 模拟器硬件方案原理框图

无线电罗盘通过组合天线接收地面导航台发射的中波信号，并从中解析出飞机纵轴相对于导航台的方位角度信息，从而实现对飞机的正确导航。目前大多数无线电罗盘系统主要有接收机、控制台、方位指示器以及组合天线构成，其中罗盘接收机用于解析调相或者调幅罗盘信号，控制盒用于转换系统的工作转台，方位指示器用于指示飞机、电台的相对方位。组合天线是由两个环形天线和一个垂直天线以及天线信号变换电路部件组成，其中的两个环形天线分别叫做正弦环形天线和余弦环形天线。环形天线是一种方向性天线，其方向性是在水平面以环形天线为中心的“8”字图形，在垂直方向没有方向性。而垂直天线则是一种无方向性天线，将环形天线和垂直天线组合后其方向性是一种“心”形图形，具有单值定向的特性，利用这一特性可以是实现对飞机方位的精确导航。

1.1 PXI总线无线电罗盘信号模拟器硬件总体方案

PXI总线无线电罗盘信号模拟器硬件方案原理框图如图1所示。

硬件方案包括音频调制信号采集电路、模拟信号生成电路、FPGA控制及信号合成、PLL+DDS时钟产生电路、PXI接口电路以及相关电源等几大部分组成。

音频调制信号采集电路主要用来采集来自于无线电罗盘接收机输出的频率为350Hz～1400Hz，幅度为11Vpp的两路正交音频调制信号。采集到的数字信号传送到FPGA中进行调制处理。

模拟信号生成电路主要用于将FPGA产生的数字信号经过DAC转换电路、低通滤波电路、放大以及衰减电路以输出频率为150kHz～1750 kHz，信号幅度为1μV～100mV的模拟信号。

FPGA控制及信号合成主要用于数字控制以及内部数字信号处理。

PLL+DDS时钟产生电路主要用来产生ADC的12.288MHz工作时钟信号。其中PLL电路以10MHz时钟为参考产生100MHz的时钟信号，而DDS电路再以100MHz为参考时钟产生12.288MHz的时钟信号。

PXI接口电路主要实现与上位机的通信，将上位机软件设置的模拟方位以及控制信号等参数传送到FPGA中。

本设计采用全数字方式合成无线电罗盘信号模拟信号，信号的数字处理以及合成全部在FPGA中完成，因此FPGA是本设计的核心，FPGA信号处理流程如图2所示。

图2 模拟器信号处理流程图

FPGA利用直接数字合成技术, 产生罗盘工作频段150kHz～1750kHz的信号，由此信号产生三路信号e1、e2、e3， e1作为垂直天线信号，e2和e3进行方位角度调制后得到环天线信号e4和e5。e4和e5再经幅度控制分别与调制信号采集电路获得的正弦调制信号e6和余弦调制信号e7进行平衡调制，调制信号e10叠加垂直天线信号e1后输出至DAC芯片，转换为模拟天线信号。此信号提供给机载无线电罗盘，完成无线电罗盘的性能指标测试。

1.2 PXI总线无线电罗盘信号模拟器软件方案

无线电罗盘信号模拟器软件功能包括输出频率设置、模拟方位角度设置、输出幅度设置以及调制深度设置。软件功能框图如图3所示。

图3 软件功能框图

具体软件设计要求如下：

（1）输出频率设置

根据无线电罗盘工作频段，设置DDS相应参数产生相应频率的载波信号，频率步进1Hz。

（2）模拟方位角度设置

模拟方位角度范围0°～359.9°，角度步进0.1°。通过对FPGA传送角度正、余弦值来设置模拟方位角度信息。

（3）输出幅度设置

输出幅度为1μV～100mV，通过控制多级数字衰减器实现信号幅度的控制。

（4）调制度设置

调制度0%～80%，通过对调制信号幅度控制来控制调制度。

无线电罗盘信号模拟器软件界面如图4所示。

图4 软件主界面

软件可以实现如下功能：

（1）输出频率设置；

可以设置无线电罗盘信号模拟器的输出频率，范围为150kHz～1750kHz。根据用户设置的输出频率显示对应的输出频率。

（2）模拟角度设置；

可设置模拟方位角度，范围为0°～359.9°。

（3）输出幅度设置；

（4）调制度设置。

2 PXI总线无线电罗盘信号模拟器输出结果分析

根据上述方案设计的无线电罗盘信号模拟器各项指标均满足设计要求。采用Kesight公司N9030A信号分析仪对输出信号进行分析，结果如下：

表1 模拟方位角度（°）测量结果

表2 输出幅度（mV）测量结果

表3 输出频率（kHz）测量结果

表1～表3的实测结果充分验证了本文提出的基于PXI总线无线电罗盘信号模拟方案的可行性。依据该方案设计的无线电罗盘信号模拟器已经在航电自动测试系统中得到应用。

3 结论

本文提出一种基于PXI总线合成仪器的无线电罗盘信号模拟器设计方法，采用软件无线电和标准总线的开放式体系架构，实现对无线电罗盘导航信号的模拟。该导航模拟器具有体积小、成本低与适合外场应用等优点，可用于航电自动测试系统的搭建以及便携式外场导航模拟器平台的构建，提高无线电罗盘设备的外场保障能力。