无线电导航数字信号源的系统设计

一、概述

在现代航空中，导航是一种十分重要的技术。通常，我们把引导运载体按既定航线航行的过程称为导航。利用无线电技术对运载 体航行的全部（或部分）过程实现导航，称为无线电导航。到目前为止，无线电导航系统是世界上军、民航使用最为广泛的导航装置，几乎所有的军、民航机场都装 有无线电导航系统。当前，我国民用和军用航空中近程导航的现状也仍是以无线电导航为主，并且由于现有的飞机着陆系统装置仍不健全，因此，无线电导航系统对 于保障飞机的归航和进场引导就显得尤为重要。目前广泛应用的民用机载无线电导航系统有自动定向机、甚高频全向信标系统、仪表着陆系统、气象雷达、应答机、 测距机、低高度无线电高度表、多普勒导航系统和奥米伽导航系统。

无线电导航系统由地面导航台及机载设备组成，机载设备主要由环形天线、垂直天线、天线放大器、环匹配器、接收机、中央控制单元、无线电航向指示器、耳机及连接电缆等构成，能自动地、连续地测量飞机相对地面导航台的航向角，便于为飞机导航。

在实际导航测试中，为模拟无线电导航中组合天线的输出射频信号，经常要求设计各种满足导航系统性能和技术指标要求的信号源。信号源所产生的信号形式、参 数及工作方式等都要根据系统要求实时地进行灵活调整。因此，信号源必须具备信号产生方法灵活、参数变化速度快、信号频谱纯度高，系统稳定可靠等特点。而信 号源的信号形式和参数实时可变的特点主要体现在信号产生器的技术上。以此为背景，为优化配置系统软硬件资源，提高处理速度，提高可重构性，本无线电导航数 字信号源应用基于MicroBlaze软核的嵌入式系统，以软核作为信号源的控制核心，同上位机进行数据与命令通信，控制FPGA加载不同的软件合成导航 信号，从而充分发挥FPGA的设计特点，使设计的信号源能满足实际应用的各项要求。

二、无线电导航数字信号源总体设计方案

本无线电导航数字信号源总体设计思想采用直接数字频率合成器（DDS）技术，设计精确的时钟参考源精度、频率和相位累加器字长和正弦波函数表，实现研制技术要求的输出频率变化范围、频率变化步长和频率精度的调制正弦信号形式。

系统方案采用大规模FPGA精确实现DDS，采用ADC扩展外调制信号，采用嵌入式软核MicroBlaze作为控制核心，控制RS422/232接口与上位机通信，图1是无线电导航数字信号源组成总体方案。

　　图1 无线电导航数字信号源总体方案图

系统利用VC6.0编写上位机软件，通过RS422/232接口同信号源通信，完成主控单元命令和数据的发送以及信号源的工作参数和状态数据的数据交 换，控制导航信号频率，方位，通道选择，工作模式以及其他参数。该系统方案中，MicroBlaze是主控单元，FPGA是底层合成单元，所有的命令（包 括逻辑状态数据）和数据均通过MicroBlaze同上位机进行交换，系统的时钟信号由一个外部振荡器（稳补型或恒温型）提供时钟，在FPGA内部进行时钟锁相，产生系统所需频率的多个时钟信号。MicroBlaze接收上位机数据与命令并解析后将频率、方位等参数回传给FPGA，FPGA利用预设参数产 生精确导航信号并将其传至高速DA输出。

三、无线电导航数字信号源处理任务设计

根据不同导航信号的技术要求，激励器主要的处理任务是产生不同形式的射频信号，比如自动定向机（ADF）导航信号形式为：

其中，E表示信号幅度，表示常值，M表示调制指数，Ω表示低频调制信号频率，θ表示方位角，Va表示音频调制信号，ωc表示载波频率。根据各导航信号设计的不同，低频信号按整倍数周期进行相位翻转，等效于在θ前乘上一个符号函数U（t）。

甚高频全向信标（VOR）系统导航信号形式为：

其中，表示基准相位信号幅度，表示方位角，表示30Hz角频率，表示9960Hz角频率，表示调频指数，表示基准相位信号的调幅度，表示载波信号角频率。

分析上述不同信号格式，信号源信号输出基本主要由载波信号、低频调制信号和音频调制信号构成。因此，在设计方案中，载波信号、音频信号均由FPGA 来实现，而低频信号来自外部主控单元。在FPGA中实现方位信息θ与低频调幅信号合成，以及载波信号的调幅。MicroBlaze负责与控制台通信，解析 控制台命令并控制FPGA的信号生成。

3.1 硬件平台搭建

FPGA芯片选择Xilinx公司的Spartan-6平台系列中的XC6SLX16，工作时钟最高可达500MHz，片内有32个DSP运算单元，有14579个逻辑单元，存储器单元达576Kbits，具有较强的运算能力和高速数据吞吐能力。