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係統。機載電子設備的信號多且複雜
，涵蓋了低頻和高頻信號、連(lian)續(xu)和(he)離(li)散(san)信(xin)號(hao)，同(tong)時(shi)還(hai)包(bao)括(kuo)一(yi)些(xie)非(fei)電(dian)信(xin)號(hao)。傳(chuan)統(tong)的(de)測(ce)試(shi)係(xi)統(tong)采(cai)用(yong)分(fen)立(li)儀(yi)器(qi)搭(da)建(jian)
，這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)成(cheng)本(ben)高(gao)
，測(ce)量(liang)自(zi)動(dong)化(hua)程(cheng)度(du)低(di)，擴(kuo)展(zhan)性(xing)差(cha)。隨(sui)著(zhe)民(min)用(yong)航(hang)空(kong)運(yun)輸(shu)業(ye)的(de)發(fa)展(zhan)
，大(da)部(bu)分(fen)機(ji)載(zai)飛(fei)行(xing)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)高(gao)度(du)數(shu)字(zi)化(hua)
、集(ji)成(cheng)化(hua)，已(yi)不(bu)可(ke)能(neng)靠(kao)人(ren)工(gong)手(shou)動(dong)對(dui)其(qi)進(jin)行(xing)測(ce)試(shi)檢(jian)查(zha)，傳(chuan)統(tong)的(de)儀(yi)器(qi)也(ye)難(nan)以(yi)滿(man)足(zu)需(xu)求(qiu)。與(yu)之(zhi)相(xiang)比(bi)，基(ji)於(yu)軟(ruan)件(jian)無(wu)線(xian)電(dian)的(de)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)機(ji)製(zhi)由(you)於(yu)它(ta)所(suo)具(ju)有(you)的(de)靈(ling)活(huo)性(xing)
、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。

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。對於已有的模擬信號，調用PCI-9846高(gao)速(su)數(shu)字(zi)化(hua)儀(yi)進(jin)行(xing)采(cai)集(ji)，采(cai)集(ji)的(de)數(shu)據(ju)可(ke)以(yi)實(shi)時(shi)顯(xian)示(shi)
，也(ye)可(ke)以(yi)存(cun)儲(chu)為(wei)文(wen)件(jian)方(fang)便(bian)日(ri)後(hou)調(tiao)用(yong)和(he)分(fen)析(xi)。經(jing)驗(yan)證(zheng)，軟(ruan)件(jian)無(wu)線(xian)電(dian)在(zai)自(zi)動(dong)測(ce)試(shi)係(xi)統(tong)的(de)應(ying)用(yong)可(ke)以(yi)大(da)大(da)節(jie)約(yue)成(cheng)本(ben)，簡(jian)化(hua)係(xi)統(tong)，並(bing)提(ti)高(gao)效(xiao)率(lv)。數(shu)字(zi)化(hua)儀(yi)的(de)性(xing)能(neng)指(zhi)標(biao)可(ke)以(yi)滿(man)足(zu)需(xu)要(yao)。

摘要：以航空導航VOR（Very High Frequency Omnidirectional Range，甚高頻全向信標）信號為例，用淩華科技PCI-9846gaosushuzihuayijinxingcaiji，bingwanchengshiyujipinyudefenxi，jietiaohoukeyihaiyuanchufangweixinxi，yicikuaijiedijianyanxinhaozhunquexing。jingyanzheng，ruanjianwuxiandianzaizidongceshixitongdeyingyongkeyidadajieyuechengben，jianhuaxitong

，bingtigaoxiaolv。shuzihuayidexiangguanxingnengzhibiaokeyimanzuxuyao。

關鍵詞：VOR信號 PCI-9846 綜測儀

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係統。機載電子設備的信號多且複雜，涵蓋了低頻和高頻信號
、連(lian)續(xu)和(he)離(li)散(san)信(xin)號(hao)
，同(tong)時(shi)還(hai)包(bao)括(kuo)一(yi)些(xie)非(fei)電(dian)信(xin)號(hao)。傳(chuan)統(tong)的(de)測(ce)試(shi)係(xi)統(tong)采(cai)用(yong)分(fen)立(li)儀(yi)器(qi)搭(da)建(jian)
，這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)成(cheng)本(ben)高(gao)
，測(ce)量(liang)自(zi)動(dong)化(hua)程(cheng)度(du)低(di)，擴(kuo)展(zhan)性(xing)差(cha)。隨(sui)著(zhe)民(min)用(yong)航(hang)空(kong)運(yun)輸(shu)業(ye)的(de)發(fa)展(zhan)，大(da)部(bu)分(fen)機(ji)載(zai)飛(fei)行(xing)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)高(gao)度(du)數(shu)字(zi)化(hua)、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
、模塊化的硬件平台為依托，通過軟件編程來實現無線電台的各種功能，從基於硬件、麵向用途的電台設計方法中解放出來[3]。自動測試係統對信號源的靈活性和全麵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，基於軟件無線電的信號發生器由於它所具有的靈活性、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。

將淩華科技PCI-9846H運用於自動測試係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。

甚高頻全向信標的基本功用是為機載VOR接收機提供一個複雜的無線電信號，經機載VOR接收機解調後

，測出地麵甚高頻全向信標台相對於飛機的磁方位即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工作頻率範圍108MHz~117.95MHz，波道間隔0.05MHz。

 

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

采用以GPP(General-Purpose Processor，通用處理器)weijichudetixijiegou
，zhijieyonggongkongjijinxingshuzixinhaochuli。duiyuzhezhongwuxiandianxitong，congshitishangwufaguanchadaoyigezhenzhengdediantai

，tawanquancongruanjianjiaodujiejuewuxiandiantongxinwenti。youyutongyongjibushiyigeshishidetongbuxitong，bushiyuyangedingshicaiyangxinhaodeshishichuli，zhinengtongguozhongduanlaibaochiyidingdetongbu。danshiyinqikaifangxing
、靈活性、可編程性和人機界麵方麵的優勢
，最接近理想的軟件無線電，也更適於測試、教學和研究。

係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。但是由於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。如果係統功能改變，需要增加
、quchuhuoxiugaimouyimokuai
，qianchedaoxiangyingdemokuaibiandong，shenzhizongtijiegoudegaibian。yinweishejimudeshizhenduiceshixitongxinhaoyuandeceshihexiaozhun，xinhaoxiangduiguding，buxuyaopinfanbiandong，suoyixuanyongliushuishijiegou，jiegoukuangturutu2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淩華科技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後續處理。

 

圖2 係統框圖

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封閉式無寄生動態範圍(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
，其最大輸出範圍為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，可產生頻率範圍50kHz到2.7GHz的信號

，可調增益範圍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控製箱內。采用NI PXI-PCI833x 套件，可使用通過銅纜連接的完全透明的MXI-4網絡在計算機上控製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係統進行遠程控製。  

用淩華科技PCI-9846高速數字化儀完成數據采集。淩華科技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、大動態範圍信號設計
，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範圍信號。

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於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，並可更有效的利用係統內存。如果數字化儀的數據傳輸速率低於可用的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。後觸發、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也可以重複觸發采集，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觸發控製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-9846baohanyigejingquedediwendupiaoyibanzaijizhun。zhebudankeyitigongyigewendingdexiaozhunyuan，yinengbaozhengzaijiaodawendubianhuafanweideshujucaijiwendingxing。zidongxiaozhunguochengtongguoruanjianwancheng
，buxuyaorenheshoudongtiaozheng。yidanxiaozhunguochengwancheng，xiaozhunxinxijiangbeicunchuzaibanzaiEEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，電可擦除可編程隻讀存儲器)，需要時校準值可從板上加載。[10]

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台（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）
，是一款基於G語言（Graphics Language，圖形化編程語言）的測試係統軟件開發平台[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。

由於機器性能有限
，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”），計算得出波形數據並保存到文件。在波形的產生程序中，先把波形數據讀出並寫入任意波形發生器，調用其產生所需要的信號。調用DAQPilot相xiang關guan模mo塊kuai控kong製zhi數shu字zi化hua儀yi進jin行xing信xin號hao采cai集ji，並bing存cun儲chu到dao文wen件jian以yi便bian後hou續xu調tiao用yong。解jie調tiao程cheng序xu調tiao用yong此ci波bo形xing文wen件jian，進jin行xing相xiang關guan解jie調tiao及ji運yun算suan
，完wan成cheng信xin號hao分fen析xi。信xin號hao的de產chan生sheng與yu采cai集ji程cheng序xu框kuang圖tu如ru圖tu3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

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，調製係數0.3。考慮機器性能及運行時間
，VOR信號以1MHzweili。jisuandechudeboxingcunchudaowenjianzhong，yibianzaiboxingchanshengchengxulitiaoyong。zaiboxingchanshengchengxuzhong
，xianduishebeijinxingchushihuahecanshutiaozheng，shedingbankadizhi
，gonglvwei-10dBm，中心頻率1MHz，模式為“Arb Waveform”。調用時候采用IQ調製
，I路為調製信號

，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，並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，采樣時鍾設定為“Continuous Samples”，持續時間1秒。采樣後的數據可以實時在波形圖表中顯示


，並通過“寫入波形數據到文件.vi”存入文件，以便後續調用。

 為實現對信號的測量和驗證，需要對采集的波形進行解調並還原出相應的信息。采集到的VOR空間合成信號經過相幹解調後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，前麵板可見其時域
、頻域波形以及頻率

、相位和幅值等信息；9960Hz副載波經過濾波後鑒頻
，得到30Hz基準相位信號，前麵板可見其相應參數。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。運行後的前麵板如圖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 綜測儀前麵板

軟件無線電技術目前在軍用、民(min)用(yong)通(tong)信(xin)領(ling)域(yu)已(yi)經(jing)有(you)廣(guang)泛(fan)的(de)應(ying)用(yong)。基(ji)於(yu)此(ci)技(ji)術(shu)的(de)測(ce)試(shi)設(she)備(bei)因(yin)為(wei)其(qi)開(kai)放(fang)性(xing)和(he)靈(ling)活(huo)性(xing)
，比(bi)傳(chuan)統(tong)設(she)備(bei)有(you)更(geng)加(jia)廣(guang)闊(kuo)的(de)應(ying)用(yong)前(qian)景(jing)。而(er)數(shu)字(zi)化(hua)儀(yi)正(zheng)是(shi)實(shi)現(xian)模(mo)擬(ni)信(xin)號(hao)向(xiang)數(shu)字(zi)信(xin)號(hao)過(guo)渡(du)的(de)關(guan)鍵(jian)。經(jing)驗(yan)證(zheng)
，淩(ling)華(hua)科(ke)技(ji)PCI-9846高速數字化儀安裝簡便，操作界麵人性化，可以在LabVIEW環(huan)境(jing)下(xia)方(fang)便(bian)地(di)調(tiao)用(yong)，勝(sheng)任(ren)複(fu)雜(za)模(mo)擬(ni)信(xin)號(hao)的(de)準(zhun)確(que)采(cai)集(ji)和(he)模(mo)數(shu)轉(zhuan)換(huan)，並(bing)能(neng)存(cun)儲(chu)成(cheng)波(bo)形(xing)文(wen)件(jian)便(bian)於(yu)後(hou)續(xu)調(tiao)用(yong)。限(xian)於(yu)技(ji)術(shu)水(shui)平(ping)和(he)電(dian)腦(nao)性(xing)能(neng)，不(bu)能(neng)做(zuo)更(geng)高(gao)頻(pin)率(lv)的(de)采(cai)樣(yang)和(he)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)實(shi)驗(yan)，有(you)待(dai)今(jin)後(hou)工(gong)作(zuo)中(zhong)繼(ji)續(xu)研(yan)究(jiu)改(gai)進(jin)。

[1] 董勤鵬
，熊華鋼，基於某航空電子設備的自動測試係統設計與實現,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,基於某航空電子設備的自動測試係統設計與實現, 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.

 

 

關於淩華
淩華科技致力於量測
、自動化及計算機通訊科技之改進及創新，提供解決方案給全球網絡電信、智能交通及電子製造客戶。憑著對專業技術的執著與實踐客戶承諾的自我要求
，領先業界推出多項創新性產品
，獲ISO-9001、ISO-14001
、ISO-13485
、台灣精品、TL9000等多項認證。淩華科技為Intel®智能係統聯盟（Intel® Intelligent Systems Alliance）會員，PICMG協會和PC/104協會可參與製定規格的會員
，PXI Systems Alliance協會董事會及最高等級會員，以及AXIe聯盟戰略會員
，VMEbus國際貿易協會（VITA）成員。目前在美國、新加坡
、中國
、日本、德國設有子公司
，在印度、韓國
、法國設有辦事處，為當地客戶提供快捷服務和實時支持。網址：http://www.adlinktech.com/cn。