基于PCI-9846的航空導航VOR信號綜測儀設計

引言
航空電子設備的測試要求利用有限的資源，構建功能多樣化的自動測試系統。機載電子設備的信號多且復雜，涵蓋了低頻和高頻信號、連續和離散信號，同時還包括一些非電信號。傳統的測試系統采用分立儀器搭建，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的發展，大部分機載飛行電子設備高度數字化、集成化，已不可能靠人工手動對其進行測試檢查。所以目前世界各發達國家均采用自動測試設備完成此類工作。

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無線電臺的各種功能，從基于硬件、面向用途的電臺設計方法中解放出來。自動測試系統對信號源的靈活性和全面性提出了更高的要求，傳統的信號發生器難以滿足需求。與之相比，基于軟件無線電的信號發生器由于它所具有的靈活性、開放性等特點，有著突出的優勢，更加適應需要。同時，這也將為相關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。證明數字化儀的性能指標可以滿足需要。

1.VOR信號

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，經機載VOR接收機解調后，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。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定向。VOR工作頻率范圍108MHz~117.95MHz，波道間隔0.05MHz。

1.1 VOR基準相位信號

VOR基準相位信號（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基準信號調頻，調制系數16，表達式為：

式中，mR是副載波對射頻載波的調幅系數，fs為副載波頻率，mf為對副載波的調制系數，F為基帶信號頻率，f0為射頻頻率。

基準相位信號在空間0°~360°各徑向方位上輻射信號的強度和所含30Hz信號的相位都不變，輻射場的水平方向性圖為一個圓。

1.2 VOR可變相位信號

可變相位信號（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制邊帶波和余弦調制邊帶波，場強均按30Hz的規律變化，這樣在空間就生成了一個30Hz正弦規律改變的調幅波，表達式為：

式中α是當前VOR徑向方位角。

1.3 合成信號

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

接收機通過解調和比較二者的相位差得到方向信息。

圖1：空間合成信號

2.系統實現
采用以GPP(General-Purpose Processor，通用處理器)為基礎的體系結構，直接用工控機進行數字信號處理。對于這種無線電系統，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，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，模塊間耦合緊密，獨立程度不高。如果系統功能改變，需要增加、去除或修改某一模塊，牽扯到相應的模塊變動，甚至總體結構的改變。因為設計目的是針對測試系統信號源的測試和校準，信號相對固定，不需要頻繁變動，所以選用流水式結構，結構框圖如圖2所示。信號的產生和處理由工控機完成，任意波形發生模塊（Arbitrary Waveform Generator，AWG）實現波形輸出（高頻時需要用到數字上變頻卡），如果做無線發射和接收時需要附加天線和射頻放大器。信號的采集和數模轉換由凌華科技PCI-9846高速數字化儀完成，轉換結果可以實時顯示，也可以保存成波形文件以便后續處理。

圖2：系統框圖

2.1 信號源

中頻信號用PXI-5421產生。這是一款可進行板載信號處理(OSP)的任意波形發生器，具有16位分辨率和-91dBc封閉式無寄生動態范圍(SFDR)，可為要求數字上變頻和基帶插值的應用提供儀器質量標準。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。上變頻卡采用NI PXI-5610，其內有2.7GHz上變頻器，具有高實時帶寬和穩定的時基，其精度可達±50ppb。在射頻生成應用中，與模塊化函數發生器緊密集成，可產生頻率范圍50kHz到2.7GHz的信號，可調增益范圍130dB。PXI-5421產生高頻VOR信號送至PXI-5610做上變頻處理，變頻到需要的甚高頻波段。