無線電導航數字信號源的系統設計，完整參考方案
發布時間：2015-10-30 11:07
發布者：designapp
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一、概述 在現代航空中，導航是一種十分重要的技術。通常，我們把引導運載體按既定航線航行的過程稱為導航。利用無線電技術對運載體航行的全部(或部分)過程實現導航，稱為無線電導航。到目前為止，無線電導航系統是世界上軍、民航使用最為廣泛的導航裝置，幾乎所有的軍、民航機場都裝有無線電導航系統。當前，我國民用和軍用航空中近程導航的現狀也仍是以無線電導航為主，并且由于現有的飛機著陸系統裝置仍不健全，因此，無線電導航系統對于保障飛機的歸航和進場引導就顯得尤為重要。目前廣泛應用的民用機載無線電導航系統有自動定向機、甚高頻全向信標系統、儀表著陸系統、氣象雷達、應答機、測距機、低高度無線電高度表、多普勒導航系統和奧米伽導航系統。 無線電導航系統由地面導航臺及機載設備組成，機載設備主要由環形天線、垂直天線、天線放大器、環匹配器、接收機、中央控制單元、無線電航向指示器、耳機及連接電纜等構成，能自動地、連續地測量飛機相對地面導航臺的航向角，便于為飛機導航。 在實際導航測試中，為模擬無線電導航中組合天線的輸出射頻信號，經常要求設計各種滿足導航系統性能和技術指標要求的信號源。信號源所產生的信號形式、參數及工作方式等都要根據系統要求實時地進行靈活調整。因此，信號源必須具備信號產生方法靈活、參數變化速度快、信號頻譜純度高，系統穩定可靠等特點。而信號源的信號形式和參數實時可變的特點主要體現在信號產生器的技術上。以此為背景，為優化配置系統軟硬件資源，提高處理速度，提高可重構性，本無線電導航數字信號源應用基于MicroBlaze軟核的嵌入式系統，以軟核作為信號源的控制核心，同上位機進行數據與命令通信，控制FPGA加載不同的軟件合成導航信號，從而充分發揮FPGA的設計特點，使設計的信號源能滿足實際應用的各項要求。 二、無線電導航數字信號源總體設計方案 本無線電導航數字信號源總體設計思想采用直接數字頻率合成器(DDS)技術，設計精確的時鐘參考源精度、頻率和相位累加器字長和正弦波函數表，實現研制技術要求的輸出頻率變化范圍、頻率變化步長和頻率精度的調制正弦信號形式。 系統方案采用大規模FPGA精確實現DDS，采用ADC擴展外調制信號，采用嵌入式軟核MicroBlaze作為控制核心，控制RS422/232接口與上位機通信，圖1是無線電導航數字信號源組成總體方案。 圖1 無線電導航數字信號源總體方案圖 系統利用VC6.0編寫上位機軟件，通過RS422/232接口同信號源通信，完成主控單元命令和數據的發送以及信號源的工作參數和狀態數據的數據交換，控制導航信號頻率，方位，通道選擇，工作模式以及其他參數。該系統方案中，MicroBlaze是主控單元，FPGA是底層合成單元，所有的命令(包括邏輯狀態數據)和數據均通過MicroBlaze同上位機進行交換，系統的時鐘信號由一個外部振蕩器(穩補型或恒溫型)提供時鐘，在FPGA內部進行時鐘鎖相，產生系統所需頻率的多個時鐘信號。MicroBlaze接收上位機數據與命令并解析后將頻率、方位等參數回傳給FPGA，FPGA利用預設參數產生精確導航信號并將其傳至高速DA輸出。 三、無線電導航數字信號源處理任務設計 根據不同導航信號的技術要求，激勵器主要的處理任務是產生不同形式的射頻信號，比如自動定向機(ADF)導航信號形式為： 其中，E表示信號幅度， 表示常值，M表示調制指數，Ω表示低頻調制信號頻率，θ表示方位角，Va表示音頻調制信號，ωc表示載波頻率。根據各導航信號設計的不同，低頻信號按整倍數周期進行相位翻轉，等效于在θ前乘上一個符號函數U(t)。 甚高頻全向信標(VOR)系統導航信號形式為： 其中， 表示基準相位信號幅度， 表示方位角， 表示30Hz角頻率， 表示9960Hz角頻率， 表示調頻指數， 表示基準相位信號的調幅度， 表示載波信號角頻率。 分析上述不同信號格式，信號源信號輸出基本主要由載波信號、低頻調制信號和音頻調制信號構成。因此，在設計方案中，載波信號、音頻信號均由FPGA來實現，而低頻信號來自外部主控單元。在FPGA中實現方位信息θ與低頻調幅信號合成，以及載波信號的調幅。MicroBlaze負責與控制臺通信，解析控制臺命令并控制FPGA的信號生成。 3.1 硬件平臺搭建 FPGA芯片選擇Xilinx公司的Spartan-6平臺系列中的XC6SLX16，工作時鐘最高可達500MHz，片內有32個DSP運算單元，有14579個邏輯單元，存儲器單元達576Kbits，具有較強的運算能力和高速數據吞吐能力。 MicroBlaze軟核是XILINX 公司開發的一種非常簡化卻具有較高性能的嵌入式處理器軟核, 該軟核的性能具有高度的可配置性, 允許設計者根據自己的設計需要進行適當的選擇, 以搭建自己的硬件平臺�？焖賳芜B接(FSL)總線是一個單向的點對點通信總線，可用來連接FPGA上的任意兩個帶有FSL總線接口的設計元素并提供兩者間的快速通信信道。在XPS的集成開發環境下BSB向導創建一個以MicroBlaze為核心的硬件系統，按照向導提示直接添加所需的外設UART IP核，通過FSL總線同MicroBlaze軟核相互通信。利用平臺產生器根據硬件描述文件(.MHS)生成嵌入式系統模塊的網表文件(.NGC)，然后使用綜合工具XST進行綜合，構成整個應用系統的硬件模型。 A/D轉換器主要用于外部低頻調制信號輸入，選用ADI公司雙通道10位AD9218，采用+2.7 V ~ +3.6V單電源供電，采樣頻率在40MHz以上。 D/A轉換器主要用于射頻信號輸出，選擇ADI公司單通道電流輸出型10位芯片AD9760，更新頻率120MSPS，單電源+5V供電，使用方便。 3.2 軟件設計 3.2.1上位機軟件設計。 上位機軟件任務主要是產生可供信號源識別的頻率、方位、工作模式、通道選擇以及其他控制信息，加上規定的標頭以區分控制命令，通過RS422/232串口將控制命令傳送至信號源，以產生相應的導航數字信號。 3.2.2 FPGA處理任務設計 FPGA硬件任務主要是產生高精度的調制射頻信號，FPGA主要任務包括： 讀取MicroBlaze解析的載波頻率、方位角信息及其他相關信息; 產生音頻信號，載波信號與方位角信號; 接收兩路AD采樣低頻信號; 合成激勵信號并傳送至DA轉換器輸出。 FPGA模塊處理單元組成如圖2所示。 圖2 FPGA 模塊處理單元組成示意圖 3.2.3 MicroBlaze處理任務核心設計： MicroBlaze系統的軟件設計需要先配置軟件描述文件(.MSS)，生成的軟件描述文件列出了所有外設的驅動信息。函數庫產生器利用這些配置信息，配置相應的驅動程序函數庫，利用這些函數庫可以在SDK集成環境中編寫相應的接收解析程序以實現MicroBlaze的控制功能。最后將基于MicroBlaze的UART控制器的硬件結構和應用軟件工程打包導入到ISE中，作為ISE工程的子模塊使用，即可完成MicroBlaze控制器的軟件設計。其軟件處理流程如下圖3所示： 圖3 MicroBlaze軟件處理流程 四、本設計要點 無線電導航系統是實現民機和軍機近程導航的主要設備，而在具體調試時需要各種導航信號，來測試導航設備的定向靈敏度，定向精度和定向速度。由于各種導航信號有所不同，很少有通用的設備平臺能夠同時產生不同導航信號。并且由于傳統信號源都是機械、旋鈕式，無法將信號精度、大小做到令人滿意。傳統的信號源一般采用RC振蕩電路、LC振蕩電路、石英晶體振蕩電路或波形發生集成電路來實現，很難在較寬的頻帶內實現高質量、高頻率精度和高穩定性波形的輸出，且一般頻率調節是通過調節電阻、電感、電容參數或變容二極管的電容量來實現，難于實現高精度和數控調節。本設計采用了嵌入式系統的思想，具有以下兩個顯著特點： 靈活性：能通過更換程序或模塊來適應多種工作頻段和多種工作方式; 通用性：系統結構通用，功能實現靈活。不同的通信系統可由相對一致的硬件利用不同的軟件來實現，系統功能的改進和升級也很方便。 本設計同時采用了大規模FPGA，可將信號源的定向精度提高至0.1度，輸出波形頻率分辨率達到0.01Hz，并且由于使用了高速DA芯片，最高數據率可達125MHz。 五、本設計主要應用 無線電導航系統是實現民機和軍機近程導航的主要設備，而在具體調試時需要各種導航信號，來測試導航設備的定向靈敏度，定向精度和定向速度。由于各種導航信號有所不同，很少有通用的設備平臺能夠同時產生不同導航信號。并且由于傳統信號源都是機械、旋鈕式，無法將信號精度、大小做到令人滿意。本文設計了一整套無線電導航數字信號源方案，以產生各種無線電導航信號，上位機控制具體命令，能保證較高的信號頻率精度、方位精度和頻率大小，使得信號源平臺具備信號產生方法靈活、參數變化速度快、信號頻譜純度高，系統穩定可靠等特點，完全能滿足一般無線電導航系統的技術要求，為無線電導航系統設計與測試提供了新思路，可以推廣至民/軍機的無線電導航調試使用。 |
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