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基于凌華科技PCI-9846 的航空導航VOR信號綜測儀設計
凌華科技(中國)有限公司
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應用領域
航空導航設備測試應用,信號產生與采集。
 挑戰
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,傳統的儀器也難以滿足需求。與之相比,基于軟件無線電的信號處理機制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。
解決方案
以航空導航VOR信號為例。研究VOR導航原理,對其合成信號進行分析和建模。波形的時域數據可以方便地用公示表達和計算,得到的數據輸入到DAC,即可生成模擬波形,再經過上變頻達到所需頻率。對于已有的模擬信號,調用PCI-9846高速數字化儀進行采集,采集的數據可以實時顯示,也可以存儲為文件方便日后調用和分析。經驗證,軟件無線電在自動測試系統的應用可以大大節約成本,簡化系統,并提高效率。數字化儀的性能指標可以滿足需要。
文章內文(見下頁)

基于凌華科技PCI-9846 的航空導航VOR信號綜測儀設計

摘要:以航空導航VOR(Very High Frequency Omnidirectional Range,甚高頻全向信標)信號為例,用凌華科技PCI-9846高速數字化儀進行采集,并完成時域及頻域的分析,解調后可以還原出方位信息,以此快捷地檢驗信號準確性。經驗證,軟件無線電在自動測試系統的應用可以大大節約成本,簡化系統,并提高效率。數字化儀的相關性能指標可以滿足需要。
關鍵詞:VOR信號 PCI-9846 綜測儀
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。[1][2]
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[3]。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[4]。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[5]。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

1.2 VOR可變相位信號
 


接收機通過解調和比較二者的相位差得到方向信息。[5,6]
 

       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[7]。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-91 dBc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[8]。上變頻卡采用NI PXI-5610,其內有2.7 GHz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[9]。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。
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。[10]
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[11]。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。[12]
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。
參考文獻:
[1] 董勤鵬,熊華鋼,基于某航空電子設備的自動測試系統設計與實現,現代電子技術[J],2008,21,146-149;
[2] 呂毅清,新一代的航空電子自動測試設備,國外電子測量技術[J],2000,1,8-11;
[3] 百度百科. 軟件無線電[OL]. [2010.11.27]. http://goo.gl/lKi0D.
[4]  董勤鵬, 熊華鋼,基于某航空電子設備的自動測試系統設計與實現, 現代電子技術[J], 2008, 21: 146-149.
[5] 鄭連興,倪育德. DVOR VRB-51D多普勒全向信標[M]. 北京:中國民航出版社,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.軟件無線電原理與技術[M]. 西安:西安電子科技大學出版社, 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] 戴朋飛, 王勝開, 王格芳. 測試工程與LabVIEW應用[M]. 北京:電子工業出版社, 2006: 13-15.
[12] Song Guan, Guangbo Wu. Study on a VOR Signal Generator Based on Software[C]. ICTIS2011, Wuhan.
 
 
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