基于PCI-9846的航空導航VOR信號綜測儀設計

PXI板卡安裝在NI PXI-1402控制箱內。采用NI PXI-PCI833x套件，可使用通過銅纜連接的完全透明的MXI-4網絡在計算機上控制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系統進行遠程控制。

2.2 數據采集

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

配合高達512MB的板載內存，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。數字化的信號數據在傳輸到主存儲器以前先被存儲到板載內存。數據傳輸采用SG-DMA(Scatter-gather Direct Memory Access，分散－聚集直接內存讀取）方式，可以提供更高的數據傳輸率，并可更有效的利用系統內存。如果數字化儀的數據傳輸速率低于可用的PCI總線帶寬，PCI-9846還設有一個板載取樣點先進先出存儲器，以實現繞過板載內存而實時直接將數據傳輸到主機內存。

PCI-9846具有靈活的觸發選項，包括軟件觸發、外部數字觸發、任意模擬通道的模擬觸發以及PXI總線觸發。多樣的觸發方式使其更適應需求。后觸發、延遲觸發、前觸發及中觸發模式可以采集觸發事件附近的數據。PCI-9846也可以重復觸發采集，以便對極短時間間隔的多個數據段進行采集。PXI背板提供的多種觸發選項使PCI-9846可以簡便地實現多模塊同步。利用PXI觸發總線，PCI-9846可以在設置為“主”時向PXI觸發總線輸出觸發或時基信號，在設置為“從”時從PXI觸發控制槽接收觸發或時基信號。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定的校準源，亦能保證在較大溫度變化范圍的數據采集穩定性。自動校準過程通過軟件完成，不需要任何手動調整。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。

2.3 軟件部分

LabVIEW是NI（National Instruments，美國國家儀器公司）的創新軟件產品，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）的測試系統軟件開發平臺。信號產生、數字化儀調用和數字信號處理在LabVIEW2010環境下進行。

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

圖3：信號產生與采集程序

圖4：信號解調程序

3. 運行結果
按照設計的硬件結構連接好硬件，設置波形信息，基帶信號為30Hz正弦波，調頻副載波9960Hz，頻偏480Hz，調制系數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，以便在波形產生程序里調用。在波形產生程序中，先對設備進行初始化和參數調整，設定板卡地址，功率為-10dBm，中心頻率1MHz，模式為“Arb Waveform”。調用時候采用IQ調制，I路為調制信號，Q路為0。寫入數據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。

信號產生模塊持續運行，并調用數字化儀進行采集。同樣需要設置虛擬通道，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，采樣時鐘設定為“Continuous Samples”，持續時間1秒。采樣后的數據可以實時在波形圖表中顯示，并通過“寫入波形數據到文件.vi”存入文件，以便后續調用。

為實現對信號的測量和驗證，需要對采集的波形進行解調并還原出相應的信息。采集到的VOR空間合成信號經過相干解調后得到空間合成信號的外包絡，包括30Hz的可變相位信號，和9960Hz的調頻副載波。30Hz可變相位信號經過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副載波經過濾波后鑒頻，得到30Hz基準相位信號，前面板可見其相應參數。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

4. 結論
軟件無線電技術目前在軍用、民用通信領域已經有廣泛的應用。基于此技術的測試設備因為其開放性和靈活性，比傳統設備有更加廣闊的應用前景。而數字化儀正是實現模擬信號向數字信號過渡的關鍵。經驗證，凌華科技PCI-9846高速數字化儀安裝簡便，操作界面人性化，可以在LabVIEW環境下方便地調用，勝任復雜模擬信號的準確采集和模數轉換，并能存儲成波形文件便于后續調用。限于技術水平和電腦性能，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研究改進。