基于矢量信號發(fā)生器的MLS信號產(chǎn)生與校準(zhǔn)研究

劉云飛，舒軼昊，張建明，臧傳蕾

（1.海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，山東青島，266041；2.中國人民解放軍91001部隊(duì)，北京，100036 ；3.中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西西安，710068）

0 引言

微波著陸（MLS）是精密引導(dǎo)系統(tǒng)，為飛機(jī)提供相對于著陸點(diǎn)的方位、仰角及距離信息，微波著陸信號的模擬對地面設(shè)備和機(jī)載設(shè)備測試起著至關(guān)重要的作用，傳統(tǒng)方法是應(yīng)用模擬器實(shí)現(xiàn)微波著陸信號的生成，為地面設(shè)備和機(jī)載設(shè)備提供方位、仰角、數(shù)據(jù)及射頻電平等定標(biāo)指示，當(dāng)模擬器設(shè)計(jì)完成后，其信號邊界已經(jīng)確定，如果需要對掃描信號波束寬度、波束間隔及數(shù)據(jù)碼速率、相位調(diào)制等特性進(jìn)行調(diào)整，這種情況下模擬器就顯得無能為力。

微波著陸信號體制基于時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)（TDM），各種制導(dǎo)功能和數(shù)據(jù)傳輸功能在同一頻率上工作，各自占有一定時(shí)隙，信號中既有數(shù)字信號，也有模擬信號，數(shù)字信號采用DPSK調(diào)制，模擬信號主要包括覆蓋區(qū)外指示信號(OCI)及用于角度測量的“往”、“返”掃描脈沖。

微波著陸信號模擬、校準(zhǔn)是微波著陸系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，直接影響地面、機(jī)載設(shè)備的功能、性能測試。目前通常應(yīng)用微波著陸模擬器實(shí)現(xiàn)信號模擬，而角精度的校準(zhǔn)是通過對功率放大的模擬信號進(jìn)行模擬檢波，應(yīng)用示波器測量檢波信號掃描波束之間的時(shí)間間隔，經(jīng)計(jì)算得到角精度，DPSK性能，將微波著陸信號下變頻，分別存儲相位變化前后的兩個(gè)中頻信號，通過比較兩個(gè)波形的相位和幅度變化實(shí)現(xiàn)。

隨著矢量信號的產(chǎn)生與分析、研究的不斷深入，矢量信號產(chǎn)生器、矢量信號分析儀（Vector signal analysis，VSA）已廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、導(dǎo)航、通信等各領(lǐng)域，矢量信號產(chǎn)生器基于IQ調(diào)制，結(jié)合適當(dāng)?shù)木幊坦ぞ撸瑢?shí)現(xiàn)MLS信號的調(diào)制輸出，通過調(diào)整信號源可對輸出功率、包絡(luò)和脈內(nèi)調(diào)制等作精確控制，基于高速數(shù)字示波器采集矢量信號發(fā)生器輸出的掃描波束信號，可實(shí)現(xiàn)微波著陸角度信號校準(zhǔn)；應(yīng)用矢量信號分析儀測試矢量信號發(fā)生器輸出數(shù)據(jù)信號的EVM特性，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號相位誤差、矢量幅度誤差（EVM）的等性能標(biāo)校，最終完成瞬變MLS信號的快速、準(zhǔn)確、高效測量及校準(zhǔn)。

1 MLS信號格式

1.1 MLS信號特性

微波著陸地面設(shè)備由方位制導(dǎo)設(shè)備、仰角制導(dǎo)設(shè)備和精密測距儀及基本數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)組成，MLS數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)向飛機(jī)提供用于精密進(jìn)近和著陸的必要信息，分為基本數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)，基本數(shù)據(jù)包括地面設(shè)備識別、信號覆蓋范圍、可用最低下滑道、MLS設(shè)備性能級別和所用頻道等與著陸有關(guān)的數(shù)據(jù)，而輔助數(shù)據(jù)一般包括地面設(shè)備的安裝狀況、航空氣象情報(bào)、跑道狀況和其他輔助信息。

MLS地面臺信號的發(fā)射采用了時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)，全部角度制導(dǎo)信息和數(shù)據(jù)都在同一頻率上發(fā)射，不同功能的信號都占有自己的發(fā)射時(shí)隙，在每個(gè)發(fā)射時(shí)隙前部用差動(dòng)相移鍵控（DPSK）調(diào)制的前導(dǎo)碼來區(qū)分不同的模塊。圖1是微波著陸高速方位功能信號的構(gòu)成。

圖1 高速方位制導(dǎo)功能的信號格式

前導(dǎo)信號包括載波截獲段、巴克碼和功能識別碼三部分，全部信號在±42o(對于高速方位制導(dǎo)功能)的比例覆蓋區(qū)中發(fā)射，載波截獲段中有段同步頭，它是一段未經(jīng)調(diào)制的純載波，接著是用差分相移鍵控（DPSK）調(diào)制的編碼，共占832us.差分相移鍵控是利用前后碼元之間載波相位的相對變化來傳遞信息的一種編碼方式。

接收機(jī)基準(zhǔn)時(shí)間碼即同步碼，采用5位Barker碼，其固定形式為11101，其功能是使接收機(jī)產(chǎn)生一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)間，各個(gè)功能格式中的其他碼均嚴(yán)格按照基準(zhǔn)時(shí)間而產(chǎn)生。

對于不同的功能來說，扇區(qū)信號的內(nèi)容也有所不同，對方位制導(dǎo)功能而言，由地面設(shè)備識別碼、機(jī)載天線選擇脈沖、覆蓋區(qū)外指示（OCI）信號和接收處理器檢查脈沖組成。

1.2 角度測量原理

MLS的測角基于時(shí)基掃描波束技術(shù)，MLS地面設(shè)備輻射一個(gè)很窄的扇狀波束，在相應(yīng)的覆蓋區(qū)域內(nèi)進(jìn)行往返掃描，對方位臺而言，掃描波束在水平范圍內(nèi)的順時(shí)針和逆時(shí)針掃描，對仰角臺則相對于向上和向下掃描。接收機(jī)在接收到“往”掃和“返”掃兩次掃描波束后，測定其時(shí)間差，這個(gè)時(shí)間差值的大小與飛機(jī)在空中相對于跑道的角位置有直接關(guān)系，由此得到飛機(jī)在空中的角位置。

其中: θ——方位（或仰角）制導(dǎo)角度值（o）；

t——任意進(jìn)近角時(shí)飛機(jī)接收到“往”和“返”脈沖之間的時(shí)間差；

T0——以零角度進(jìn)近飛機(jī)時(shí)接收到“往”和“返”脈沖之間的時(shí)間差；

以高速方位為例，此時(shí)最大掃描角度為-42o～+42o，掃描速度v=20o/ms，往返掃描兩次經(jīng)過中心0o之間的時(shí)間T0=4.8ms。

2 基于矢量發(fā)生器的MLS信號產(chǎn)生

Agilent E4438C矢量信號產(chǎn)生器頻率覆蓋范圍為250KHz～6GHz,可以產(chǎn)生各種復(fù)雜的調(diào)制信號，具有優(yōu)良的輸出功率、低相位噪聲、精確的頻率穩(wěn)定性，滿足MLS接收機(jī)從中頻到射頻調(diào)試的需要。

2.1 IQ調(diào)制原理

矢量信號產(chǎn)生器是基于IQ調(diào)制輸出矢量信號的，IQ調(diào)制又稱正交調(diào)制，矢量調(diào)制信號可等效為兩路基帶信號與相互正交載波信號調(diào)制后的信號合成，即：

2.2 N5182A矢量信號發(fā)生器性能

Agilent N5182A是目前工程上常用的矢量信號發(fā)生器，其主要技術(shù)性能如表1所示。

表1 Agilent N5182A矢量信號發(fā)生器性能

2.3 軟件工具及編程

2.3.1 MATLAB

應(yīng)用MATLAB作為PSG的波形編碼程序，可以將數(shù)字波形從MATLAB移入PSG矢量信號產(chǎn)生器內(nèi)的任意波形發(fā)生器。

2.3.2 Download Assistant

Agilent公司Download Assistant程序?qū)Q波形送入任意波形發(fā)生器內(nèi)。此外，Download Assistant還將MATLAB的關(guān)鍵詞添加到數(shù)據(jù)控制程序上，并將數(shù)據(jù)數(shù)組通過GPIB或LAN借口送入信號發(fā)生器。

2.3.3 Agilent IO Libraries Suite

應(yīng)用Agilent IO Libraries Suite程序，可以很方便的把計(jì)算機(jī)與測試儀器連接起來，這個(gè)程序包含PC機(jī)與儀器相連需要的庫函數(shù)，使計(jì)算機(jī)編程控制儀器、發(fā)出指令并接收相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

2.3.4 應(yīng)用LAN借口實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與儀器之間連接

LAN接口提供了一種計(jì)算機(jī)與儀器之間廉價(jià)高速的連接方式，通過該網(wǎng)口可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與測試儀器的可靠通信，另外Agilent IO Libraries Suite 可以自動(dòng)掃描，識別并配置測試儀器與計(jì)算機(jī)，當(dāng)計(jì)算機(jī)與測試儀器連接正常后，該軟件可以自動(dòng)監(jiān)測到所連接儀器類型與連接狀態(tài)。

2.4 編程中的一些問題

由于MLS信號中包含有多種調(diào)制方式，既有簡單的脈沖調(diào)制還有比較復(fù)雜的幅度調(diào)制，還包含DPSK數(shù)字調(diào)制，對幅度及相位的調(diào)制精度都有很高的要求，在一般的測試儀器中很難模擬出來，而現(xiàn)在通過對矢量信號產(chǎn)生器進(jìn)行編程可以很方便的實(shí)現(xiàn)。

2.4.1 時(shí)鐘設(shè)定

Agilent N5182A矢量信號產(chǎn)生器中任意波形發(fā)生器的時(shí)鐘頻率設(shè)置范圍從1Hz到100MHz,為了對提高調(diào)制精度，時(shí)鐘頻率設(shè)置為smplclk=100MHz,這便使時(shí)間與波形中的每一點(diǎn)都聯(lián)系起來，此時(shí)波形中的每一點(diǎn)占據(jù)10ns.

2.4.2 數(shù)據(jù)信號中前后沿的控制

為了合理控制脈沖的上升時(shí)間和下降時(shí)間，避免在數(shù)據(jù)信號前后沿產(chǎn)生不必要的過沖信號，還能滿足數(shù)據(jù)信號上升下降沿的需要，在程序中將脈沖分成四個(gè)部分：上升(rise)、工作(on)、下降(fall)和切斷（off），脈沖的工作和切斷應(yīng)用ones和zeros函數(shù)來進(jìn)行填充。

脈沖的上升沿和下降沿利用升余弦函數(shù)特性，為了構(gòu)建兩個(gè)預(yù)選波形，程序中利用函數(shù)ramp=-1:2/n:1-2/n形成-1線性斜升到+1啟動(dòng)，對于斜坡函數(shù)，若線性斜升繼續(xù)下去，則跟在數(shù)組中最末點(diǎn)之后的點(diǎn)將精確為1，斜坡函數(shù)常常乘以作為函數(shù)一部分的π的某一倍數(shù)，以形成正弦波。

在脈沖上升沿，將斜坡乘以±π/2，然后取結(jié)果的正弦，這將給出具有第一點(diǎn)為-1，最末點(diǎn)接近+1的正弦波的中心，向結(jié)果加1并除2便給出所需波形，最終方程有下列形式：

rise=(1+sin(ramp*pi/2))/2

同理，數(shù)據(jù)信號的下降沿也同上設(shè)置。

2.4.3 控制輸出功率

信號發(fā)生器的輸出脈沖功率，由MATLAB來控制是很方便的，當(dāng)時(shí)，信號發(fā)生器輸出脈沖功率等于面板功率點(diǎn)平，MATLAB設(shè)定輸出功率的命令（應(yīng)用Download Assistant）為：

[status,status_description]=age_sendcommand(io,’power-60’)。

2.4.4 碼元之間的相移

由于MLS數(shù)據(jù)信號為DPSK調(diào)制，碼元寬度為64us，在程序中可以利用am(調(diào)幅)波形乘以pm（調(diào)相）波型的正弦或余弦來完成IQ變換，碼元之間的相差為0o則pm相位為0，若為π，則pm相位為π，這樣就形成碼元之間的相移，輸出DPSK調(diào)制信號。

2.4.5 掃描波束的編程輸出

根據(jù)天線的方向圖，這里我們可以很方便的應(yīng)用MATLAB語言編輯出sinc函數(shù)描述的幅度調(diào)制波形，波形函數(shù)為abs(sinc(1*(10e-5)*(n1-20000))),再與相位調(diào)制相乘得出掃描波形，此時(shí)既有主瓣信號，也有旁瓣信號輸出，與實(shí)際掃描波形非常接近。

3 MLS信號測試校準(zhǔn)

3.1 角度測試

以往MLS角度測量，首先是對信號進(jìn)行功率放大，然后檢波變成視頻信號，應(yīng)用數(shù)字示波器測量角度信號掃描波束之間的時(shí)間間隔，經(jīng)計(jì)算得到角度，這種方法不但需要的儀器較多，包括功率放大器、射頻檢波器和數(shù)字示波器，而且，經(jīng)過這些器件后，信號可能會存在一定失真，影響測量精度。隨著測試儀器功能、性能的不斷提高，應(yīng)用高速數(shù)字示波器對MLS信號進(jìn)行直接采樣，通過數(shù)學(xué)運(yùn)算即可實(shí)現(xiàn)MLS角度測量。這里采用Tek公司的DPO71254B數(shù)字示波器，其允許輸入信號頻率為12GHz，最高采樣率為50GHz，以高速方位為例說明MLS角度的測量方法。

標(biāo)校過程如下：

矢量信號發(fā)生器生成波束寬度為100μs（相當(dāng)于天線掃描波束寬度2°），高速方位角為0°（“往”、“返”掃描脈沖時(shí)間間隔為4.8ms）的微波著陸信號。計(jì)算機(jī)控制下，應(yīng)用數(shù)字示波器采集矢量信號發(fā)生器輸出射頻信號，經(jīng)過Hilbert變換獲得信號包絡(luò)。

由于“往”“返”兩掃描波束的時(shí)間間隔表征MLS角度，應(yīng)用示波器測量“往”掃描波束的上升和下降沿的70%點(diǎn)至“返”掃描波束的上升和下降沿的70%點(diǎn)之間的時(shí)間間隔t升、t降（如圖2所示），測試結(jié)果：t升=4.8002564ms，σ升=345.3ns，t降=4.8002039ms，σ降=313.4ns。

圖2 MATLAB基帶波形

圖3 微波著陸角度信號標(biāo)校示意圖

圖4 微波著陸方位信號測試示意圖

圖5 數(shù)字示波器MLS信號測試

按以下公式計(jì)算往、返掃描波束時(shí)間間隔；

按以下公式計(jì)算角度：

式中：θ0——角度測量值，（°）；

T——角度為0時(shí)，往、返掃描波束的時(shí)間間隔，高速方位為4800μs；

t——往、返掃描波束時(shí)間間隔，μs；

V——掃描速度比例常數(shù)，為0.02°/μs。

3.2 DPSK調(diào)制特性測試

由于MLS信號采用了IQ正交調(diào)制技術(shù)，數(shù)字調(diào)制信號可以用IQ兩路來表示，為了衡量這種IQ正交調(diào)制信號質(zhì)量，把這個(gè)信號當(dāng)作一個(gè)矢量來分析，這個(gè)矢量信號可以映射到星座圖(Constellation)的I軸（橫軸）Q軸（縱軸）上，可以分別對IQ兩路信號進(jìn)行分析，測試出矢量調(diào)制的信號質(zhì)量。應(yīng)用Agilent 89601矢量信號分析儀可以對Agilent N5182AC輸出的DPSK數(shù)據(jù)信號進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)測試，其中包括EVM、幅度誤差、相位誤差及星座圖等等。

3.2.1 EVM

EVM為誤差矢量信號平均功率的平方根值和參考信號平均功率的平方根值之間的比值，實(shí)際也就是誤差矢量信號和參考信號的均方根值（RMS：Root Mean Square）之間的比值，并把這種比值以百分比的形式表示。其中，參考信號為被測信號經(jīng)過測試儀器理想的解調(diào)恢復(fù)出來的，誤差信號為測量信號和參考信號的矢量之差。實(shí)際測量EVM=3.85%。

3.2.2 幅度誤差

幅度誤差為測量信號和參考信號幅度之差的均方根值與參考信號幅度的均方根值之間的比值，并以百分比的形式表示，實(shí)際測量Mag Error=3.76%。

3.2.3 相位誤差

相位誤差為測量信號和參考信號相位之差的均方根值，實(shí)際測量Phase Error=482.84mdeg。

3.2.4 星座圖

數(shù)字系統(tǒng)采用了IQ正交調(diào)制器，信號被分成了相互正交的兩部分 I（In- phase）路和 Q（Quadrature）路信號。在坐標(biāo)軸上，以I路為橫軸和Q路為縱軸，任何IQ調(diào)制信號都可以映射為一系列信號點(diǎn)，這些信號點(diǎn)就組成了星座圖。信號點(diǎn)的幅度和相位就相當(dāng)于信號的幅度和相位，所以星座圖對于分析信號誤差是一個(gè)非常有用的工具。有關(guān)測試的星座圖、頻譜、眼圖及相關(guān)的測試數(shù)據(jù)如圖6。

4 結(jié)論

通過對微波著陸系統(tǒng)簡要分析，提出了應(yīng)用矢量信號發(fā)生器產(chǎn)生MLS信號方法，及基于高速數(shù)字示波器和矢量信號分析對MLS信號角度、DPSK特性的校準(zhǔn)方法，并且進(jìn)行了仿真及實(shí)際測試，與傳統(tǒng)應(yīng)用MLS模擬器方法相比MLS信號特性調(diào)整靈活，并且MLS信號的EVM、幅度誤差、相位誤差、角精度等各項(xiàng)指標(biāo)都有較大提高。