基于矢量信號發(fā)生器的儀表著陸模擬器設(shè)計

董建濤，趙 浩

（中電科思儀科技股份有限公司，山東 青島 266555）

0 引言

儀表著陸系統(tǒng)（ILS）是國際民用航空組織規(guī)定的現(xiàn)代化機場所必須配備的一種地面無線電導航設(shè)備，作為一種新型的全天候機場進場引導精密設(shè)備，為等待著陸的飛機提供方位角、俯仰角以及距離等引導信息。儀表著陸系統(tǒng)由地面設(shè)備和機載接收系統(tǒng)構(gòu)成，其中地面接收設(shè)備包含航向臺、下滑臺和指點標臺，機載系統(tǒng)分為航向/下滑接收機和指點信標接收機。航向臺提供一個通過跑道中心線的鉛垂面，而下滑臺提供一個與跑道平面呈固定角度的相交傾斜面，指點信標臺提供距離檢查點，利用兩個平面相交的辦法得到所需要的下滑線。

儀表著陸系統(tǒng)在軍用和民用領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，其工作狀態(tài)直接決定飛機的著陸安全。儀表著陸模擬器是用來對機載儀表著陸系統(tǒng)工作狀態(tài)檢測的必要設(shè)備。由于傳統(tǒng)的儀表著陸模擬器是專門研制的專用設(shè)備，其智能化程度低，通用性差，功能單一，無法靈活地針對特定場景進行配置和優(yōu)化。針對這些缺點，本文設(shè)計了一種基于矢量信號發(fā)生器的儀表著陸模擬器，完全滿足設(shè)計要求，在實際著陸設(shè)備測試中得到廣泛應(yīng)用。

圖1 6939矢量信號發(fā)生器模塊Fig.1 6939 Vector signal generator module

1 儀表著陸系統(tǒng)

儀表著陸系統(tǒng)是一種以儀表指針方式為飛行員提供航向道、下滑道信息的飛機進場著陸引導系統(tǒng)[1]。儀表著陸系統(tǒng)一般作為盲降系統(tǒng)，可以在飛行員無法目視到參考物時，為飛機降落提供進近的著陸通道，從而使飛機安全著陸。

儀表著陸系統(tǒng)通常采用兩個獨立的地面無線電發(fā)射裝置，當飛機連同機載儀表進近過程中向飛行員提供左右方向和垂直方向的制導信號時，航向信標用來提供水平方向的航向引導，下滑信標提供垂直的方向引導，指點信標一般用于距離的引導。每一個子系統(tǒng)又分為兩部分，一部分是位于飛機內(nèi)部的機載接收設(shè)備，另一部分是位于地面的發(fā)射設(shè)備。機載設(shè)備的3個接收機，分別是甚高頻航向接收機、超高頻下滑接收機和甚高頻指點接收機；地面發(fā)射設(shè)備與機載設(shè)備相對應(yīng)，分別是甚高頻航向臺、超高頻下滑臺和甚高頻指點臺[2]。3個系統(tǒng)的引導信息分別指示飛機進近入場的不同反饋信息，從而幫助飛行員確保飛機安全著陸。

航向道由90Hz和150Hz兩個信號調(diào)幅的載波組成，輻射兩種特定幅度比例、相位關(guān)系的調(diào)幅信號，即載波加邊帶信號（CSB）和純邊帶信號（SBO），在空間形成復合場型，此場型在跑道中心線左側(cè)90Hz音頻占優(yōu)（即90Hz音頻幅度大于150Hz音頻幅度），在跑道中心線右側(cè)150Hz音頻占優(yōu)，即90Hz音頻幅度小于150Hz音頻幅度；而在跑道中心線上兩種音頻的幅度應(yīng)該相等，那么兩種音頻的調(diào)制度之差（DDM）應(yīng)為0[3]。下滑與航向類似，航向道為水平方向，下滑道為垂直方向。在下滑道上兩種音頻的幅度應(yīng)該相等，兩種音頻的調(diào)制度之差（DDM）應(yīng)為0[3]。飛機通過機載的儀表著陸接收設(shè)備，接收地面導航臺的航向信號和下滑信號，解算出DDM值，根據(jù)DDM值調(diào)整飛機著陸的方向，使飛機按照DDM接近于0的方向漸進著陸[4]。

圖2 矢量信號發(fā)生模塊的硬件設(shè)計框圖Fig.2 Hardware design block diagram of the vector signal generation module

2 模擬器設(shè)計導入

儀表著陸系統(tǒng)的地面臺信號包括航向信號和下滑信號，共80個波道，載波的頻道間隔最小僅有50kHz。其中，航向發(fā)射臺的工作頻率為108.10 MHz～111.95 MHz，共40個波道，90Hz和150Hz兩者的調(diào)制度都是20%；下滑發(fā)射臺的工作頻率為329.15 MHz～335.00MHz，共40個波道，90Hz和150Hz兩者的調(diào)制度都是40%；調(diào)制頻率誤差為1Hz，調(diào)制度的差值誤差要小于0.001[4]。信號模擬器的輸出功率在0 dBm～-115dBm，并且以1dB的步進量連續(xù)可調(diào)，誤差±3dB[5]。

3 模擬器技術(shù)實現(xiàn)

3.1 矢量信號發(fā)生器硬件架構(gòu)

針對儀表著陸信號模擬器的頻率范圍、調(diào)幅特性、調(diào)制度差值準確度指標等要求，采用電科思儀6939矢量信號發(fā)生器模塊，如圖1所示。它包括4個主要功能模塊，分別是基帶信號發(fā)生模塊、頻率合成模塊、IQ調(diào)制模塊和功率調(diào)理模塊。該設(shè)備采用標準的3U 4槽PXI結(jié)構(gòu)，具有250kHz～6GHz的多協(xié)議多制式信號發(fā)生功能，可實現(xiàn)模擬數(shù)字調(diào)制，任意波形發(fā)生和脈沖波形發(fā)生功能，廣泛應(yīng)用在車載、艦載和機載等對系統(tǒng)性能指標和移動性、便攜性、堅固性要求較高的場合，其性能指標和功能也非常適合本項目的設(shè)計定位。

如圖2所示，頻率合成單元的參考信號由恒溫晶體振蕩器提供，從而確保產(chǎn)生所需要載波信號的溫度穩(wěn)定性?；鶐卧ù鎯﹄娐贰PGA、DA轉(zhuǎn)換器和重構(gòu)濾波器等電路，根據(jù)上位機設(shè)置的引導信號格式，在FPGA中產(chǎn)生I和Q正交數(shù)據(jù)（實際只采用一路數(shù)據(jù)即可），通過AD輸出，從而合成儀表著陸音頻調(diào)制信號，包括方位角信號、俯仰角信號、數(shù)據(jù)字等IQ信號；IQ調(diào)制單元主要由IQ調(diào)制器、帶通濾波器以及功率調(diào)理電路組成，其中帶通濾波器可以濾除調(diào)制和傳輸過程中的干擾信號。音頻調(diào)制信號和載波混頻后，在I/Q調(diào)制器內(nèi)，再經(jīng)過濾波，增益調(diào)整，偏置電壓修正，差分轉(zhuǎn)換等調(diào)整電路，產(chǎn)生所需的儀表著陸系統(tǒng)模擬調(diào)制信號[6]。最后，信號進入功率調(diào)理模塊，利用自動電平控制（ALC）環(huán)路，實現(xiàn)穩(wěn)定地輸出功率控制，同時通過可編程衰減器，實現(xiàn)輸出功率在大范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)和穩(wěn)定地輸出，并保證輸出功率有較高的精度。

3.2 調(diào)制信號生成原理

儀表著陸信號是由90Hz與150Hz信號調(diào)制載波組成調(diào)幅信號。由于航向信號與下滑信號原理相同，都屬于調(diào)幅信號，因而可以只對航向信號進行推理。

假 設(shè)SDM固 定40%；A150和A90分 別 為150Hz和90Hz信號的幅度；f150和f90分別為150Hz和90Hz信號的頻率，fc為頻率合成模塊輸出的載波信號。則航向信號的理論公式s(t)可表示為[3]：

對150Hz和90Hz信號的幅度之和進行歸一化處理，即令A150+A90=1，則DMM=A150-A90。通過上面兩式，計算可得：

通過上位機發(fā)送DDM值，基于上面公式可計算出150Hz和90Hz信號的幅度[7]。根據(jù)公式（1），在FPGA內(nèi)利用硬件描述語言，產(chǎn)生調(diào)制信號，其原理框圖如圖3。首先，將5MHz的參考時鐘通過分頻電路，分別產(chǎn)生150Hz和90Hz的正弦信號；通過上位機輸入的DDM值分別計算得到A150和A90，經(jīng)過乘法器對150Hz和90Hz的正弦信號進行調(diào)幅，分別濾波后，兩者通過加法器相加，即可得到所需的基帶調(diào)制信號。經(jīng)AD輸出后，通過IQ調(diào)制器與載波混頻，就得到完整的儀表著陸航向信號波形序列。

3.3 軟件設(shè)計

儀表著陸信號分析上位機軟件設(shè)計，采用基于Windows操作系統(tǒng)和模塊化設(shè)計思路[8]，主要包括了3個功能模塊，分別是總線驅(qū)動模塊、ILS參數(shù)設(shè)置模塊和ILS功能選擇模塊，軟件方案框圖如圖4。在ILS功能選擇界面，通過按鍵響應(yīng)功能，進入到ILS參數(shù)設(shè)置模塊，包括航線信號設(shè)置模塊、下滑信號設(shè)置模塊和其他輔助功能，然后可以進行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，如在不同功能下進行波導選擇、DDM參數(shù)設(shè)置、校準補償數(shù)據(jù)的管理等；最后，將上位機產(chǎn)生的參數(shù)控制信息，通過PXIe總線驅(qū)動程序輸入到以高速FPGA為核心的基帶信號發(fā)生單元，再通過JTAG接口下載到PFGA配置芯片中，從而產(chǎn)生所需要的制導模擬信號。

圖4 軟件方案框圖Fig.4 Block diagram of software solution

在軟件整體設(shè)計上采用模塊化的設(shè)計思想，將整個軟件系統(tǒng)根據(jù)功能劃分為一系列功能相對獨立的軟件模塊，對每個模塊的設(shè)計采用自上而下、面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，使各模塊具有相對的獨立性，以提高軟件模塊的可維護性和可擴展性，從而確保本設(shè)計的通用性。

4 試驗結(jié)果

通過上述方案設(shè)計的儀表著陸模擬器輸出的航線信號如圖5。

圖5 儀表著陸的航向信號時域圖Fig.5 Time domain diagram of heading signal for instrument landing

表1 儀表著陸信號模擬抽樣測試結(jié)果Table 1 The results of the instrument landing signal simulation sampling test

隨機抽取測試點進行測試，選取航向信號頻率點108.10MHz，調(diào)制度40%，功率0dBm；下滑信號頻率點334.70MHz，調(diào)制度0%，功率-110dBm，測試結(jié)果見表1，滿足指標的要求。

5 結(jié)論

本文針對機載儀表著陸設(shè)備的測試需求，構(gòu)建了基于矢量信號發(fā)生器的模擬器，利用矢量信號發(fā)生器的基帶模塊設(shè)計實現(xiàn)了復雜的儀表著陸模擬信號，利用頻率合成模塊實現(xiàn)了載波信號，并在IQ調(diào)制器中與基帶信號進行混頻。最后，利用功率調(diào)理模塊實現(xiàn)了高精度、大動態(tài)范圍信號的產(chǎn)生。本設(shè)計解決了專用維修設(shè)備功能專一、通用性差的缺點，同時該解決方案便于攜帶和外場使用，后續(xù)可以將微波著陸信號模擬器和儀表著陸模擬器集成到矢量信號發(fā)生器的硬件平臺上，進一步提高通用性。