CN108827272B - 基于pxi总线的无线电罗盘信号模拟装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于PXI总线的无线电罗盘信号模拟装置及方法，包括：音频调制信号采集电路采集无线电罗盘接收机两路正交音频调制信号，并将采集到的信号送入FPGA控制及信号合成模块；所述FPGA控制及信号合成模块得输出端依次连接模拟信号生成电路、信号放大电路和衰减电路；所述FPGA控制及信号合成模块还与PXI接口连接；PXI接口连接上位机，传送上位机下发的方位模拟角度信息以及载波信号频率以及幅度控制信息。本发明PXI总线无线电罗盘信号模拟装置具有方位模拟精度高、体积小、功耗低、适合外场应用及易于构建小型化PXI总线导航测试系统等优点。
Description
技术领域
本发明涉及无线电罗盘技术领域，特别涉及一种基于PXI总线的无线电罗盘信号模拟装置及方法。
背景技术
无线电罗盘又称为自动定向机(ADF)，是一种非自主式的振幅测向近程导航设备，其对应的地面无线电导航台为无方向信标(NDB)，ADF-NDB是第一个用于航空的无线电导航系统，由于它具有结构简单、使用维护方便、价格低廉等优点，至今仍广泛用于飞机导航，并成为目前包括直升机在内的各种飞机的一种常备导航设备，是航空电子系统重要组成部分。
在完成作战任务前后、日常维护等过程都需要无线电罗盘设备开展现场维护保障工作以确保其功能正常性和性能指标，而无线电罗盘信号模拟装置可为无线电罗盘接收机的维护和检测提供必要的激励信号。无线电罗盘信号模拟装置所产生模拟信号的质量直接决定了无线电罗盘检测和维护水平。由于机载导航设备维护和检测需要外场进行，因此要求无线电罗盘模拟装置体积小重量轻，易于便携。而且目前机载导航设备众多，往往需要众多导航模拟装置以及测试模块仪器共同组建导航测试系统，因此又要求无线电罗盘模拟装置具有通用标准总线接口，方便组建系统。
现有技术中公开了通过人机接口操作单片机控制DDS芯片，产生三路频率为150～1750kHz的射频信号，三路信号分别作为垂直天线信号、正弦环路天线信号、余弦环路天线信号，三路信号分别经过放大、衰减、滤波电路进行处理的技术方案。如图1所示，其中正弦、余弦环路天线信号又分别与无线电罗盘接收机产生的两路正交音频调制信号进行平衡调制，调制后的两路环形天线信号叠加之后再与垂直天线信号叠加得到最终模拟的无线电罗盘信号模拟信号。该技术方案的无线电罗盘信号模拟装置重量体积较大，一般只适合单独使用，不适用于构建小型化PXI总线导航测试系统；其次信号调制过程以及信号叠加过程全部采用模拟电路实现，增加了电路复杂度，导致方位模拟精度偏低；最后三路射频信号都进行放大、衰减、滤波处理，增大了电路规模以及元器件成本。
现有技术的无线电罗盘信号模拟装置普遍存在以下缺点：
1、现有无线电罗盘信号模拟装置体积和重量较大，不适宜无线电罗盘现场以及外场的检测以及维护保障。
2、现有的无线电罗盘信号模拟装置不具备PXI标准总线，不利于与其他导航模拟模块设备共同组建小型化PXI总线导航测试系统。
发明内容
本发明为了解决上述问题，针对组合式天线无线电罗盘的技术原理，提出了一种基于PXI总线的无线电罗盘信号模拟装置及方法，采用双通道高精度模数转换采集无线电罗盘接收机两路正交音频调制信号，通过直接数字合成方式产生数字载波信号，然后通过模拟方位角度数字调制和双振幅比例平衡调制技术全数字合成无线电罗盘模拟信号，通过高精度数模转换以及多级数字低步进衰减技术实现模拟信号大动态高精度输出。采用新颖的全数字罗盘信号模拟方式，既提高了模拟方位精度，又降低了电路复杂度。整个装置为PXI总线3U单槽模块，且仅由单板构成，既方便外场便携测试，又有利于组建小型化PXI总线导航测试系统。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一目的是公开一种基于PXI总线的无线电罗盘信号模拟装置，包括：音频调制信号采集电路、衰减电路、信号放大电路、模拟信号生成电路以及FPGA控制及信号合成模块；
音频调制信号采集电路采集无线电罗盘接收机两路正交音频调制信号，并将采集到的信号送入FPGA控制及信号合成模块；所述FPGA控制及信号合成模块得输出端依次连接模拟信号生成电路、信号放大电路和衰减电路；所述FPGA控制及信号合成模块还与PXI接口连接；PXI接口连接上位机，传送上位机下发的方位模拟角度信息以及载波信号频率以及幅度控制信息。
进一步地，所述音频调制信号采集电路包括：
串联连接的第一单端转差分单元和第一抗混叠滤波调理单元；串联连接得第二单端转差分单元和第二抗混叠滤波调理单元；
所述第一单端转差分单元和第二单端转差分单元分别连接两路正交音频调制信号得输出端；
所述第一抗混叠滤波调理单元和第二抗混叠滤波调理单元分别连接ADC的输入端，所述ADC的输出端连接FPGA控制及信号合成模块。
进一步地，所述FPGA控制及信号合成模块通过直接数字合成方式产生载波信号，所述载波信号分别用作垂直天线信号和正弦环天线信号和余弦环天线信号；
通过角度信息数字调制方法将模拟方位角度信息调制到正、余弦环天线信号当中，携带了模拟方位角度信息的正、余弦环天线信号再通过双振幅比例调制分别与音频调制信号采集电路输出的两路正交音频调制信号进行平衡调制，平衡调制后的两路正、余弦环天线信号相互叠加，叠加后的信号再与垂直天线信号叠加得到无线电罗盘信号模拟数字信号。
进一步地，所述模拟信号生成电路包括：串联连接的DAC、I/V转换单元和低通滤波器。
进一步地，PXI接口依次串联PLL和DDS后接入FPGA控制及信号合成模块，PLL电路以PXI接口输出的时钟信号为参考锁相控制输出设定频率的时钟信号，DDS电路又以PLL电路输出的时钟信号为参考直接合成FPGA控制及信号合成模块的工作时钟。
本发明的第二目的是公开一种基于PXI总线的无线电罗盘信号模拟装置的工作方法，包括：
音频调制信号采集电路采集无线电罗盘接收机两路正交音频调制信号，对每一路正交音频调制信号进行处理：采用单端转差分方法将单端音频调制信号转换为差分信号，采用抗混叠滤波方法消除混叠；
通过直接数字合成方式产生载波信号，载波信号分别用作垂直天线信号和正弦环天线信号和余弦环天线信号；
通过角度信息数字调制方法将模拟方位角度信息调制到正、余弦环天线信号当中，携带了模拟方位角度信息的正、余弦环天线信号再通过双振幅比例调制方法分别与两路处理后的正交音频调制信号进行平衡调制，平衡调制后的两路正、余弦环天线信号相互叠加，叠加后的信号再与垂直天线信号相叠加得到无线电罗盘信号模拟数字信号；
通过高精度数模转换以及全数字低步进衰减方式输出设定动态范围的模拟信号。
本发明的有益效果为：
基于PXI总线的无线电罗盘信号模拟装置，采用双通道高精度模数转换采集无线电罗盘接收机两路正交音频调制信号，通过直接数字合成方式产生数字载波信号，然后基于模拟方位角度数字调制以及双振幅比例平衡调制全数字合成技术产生无线电罗盘模拟数字信号，通过高精度数模转换以及全数字低步进衰减技术实现模拟信号大动态高精度输出。本发明PXI总线无线电罗盘信号模拟装置具有方位模拟精度高、体积小、功耗低、适合外场应用及易于构建小型化PXI总线导航测试系统等优点。
附图说明
图1为现有技术中无线电罗盘信号模拟装置结构示意图；
图2为本发明无线电罗盘信号模拟装置结构示意图；
图3为本发明FPGA控制及信号合成模块工作原理示意图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
基于背景技术中指出的现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于PXI总线的无线电罗盘信号模拟装置。该装置采用双通道高精度模数转换采集无线电罗盘接收机两路正交音频调制信号，通过直接数字合成方式产生数字载波信号，然后基于模拟方位角度数字调制和双振幅比例平衡调制技术全数字合成无线电罗盘模拟信号，通过高精度数模转换以及多级数字低步进衰减技术实现模拟信号大动态高精度输出。
本发明采用标准PXI总线与软件无线电体系架构，以全数字合成方式为核心，以高精度数模、模数转换为基础，产生无线电罗盘信号模拟信号，整体原理框图如图2所示。本装置结构为标准PXI单槽模块，且仅由单PCB板构成。
本发明基于PXI总线的无线电罗盘信号模拟装置具体包括：音频调制信号采集电路、衰减电路、信号放大电路、模拟信号生成电路以及FPGA控制及信号合成模块；
音频调制信号采集电路采集无线电罗盘接收机两路正交音频调制信号，并将采集到的信号送入FPGA控制及信号合成模块；FPGA控制及信号合成模块得输出端依次连接模拟信号生成电路、信号放大电路和衰减电路；FPGA控制及信号合成模块还与PXI接口连接；
其中，音频调制信号采集电路包括：
串联连接的第一单端转差分单元和第一抗混叠滤波调理单元；串联连接得第二单端转差分单元和第二抗混叠滤波调理单元；
第一单端转差分单元和第二单端转差分单元分别连接两路正交音频调制信号得输出端；
第一抗混叠滤波调理单元和第二抗混叠滤波调理单元分别连接ADC的输入端，ADC的输出端连接FPGA控制及信号合成模块。
PXI接口依次串联PLL和DDS后接入FPGA控制及信号合成模块，PLL电路以PXI接口输出的10MHz时钟信号为参考锁相控制输出100MHz时钟信号，DDS电路又以100MHz时钟信号为参考直接合成12.288MHz信号，12.288MHz信号送到FPGA用作AD芯片工作时钟。
由于本无线电罗盘模拟装置的信号模拟过程采用全数字合成方式，因此需要通过高精度双通道模数转换采集无线电罗盘接收机两路正交音频调制信号。采用单端转差分技术将单端音频调制信号转换为差分信号以提高音频调制信号抗干扰能力。采用抗混叠滤波技术消除混叠，进一步确保音频信号采集精度。
通过直接数字合成方式产生载波信号，信号频率为150kHz～1750kHz。载波信号用作垂直天线信号和正弦环天线信号和余弦环天线信号，通过角度信息数字调制方法将模拟方位角度信息调制到正、余弦环天线信号当中，携带了模拟方位角度信息的正、余弦环天线信号再通过双振幅比例调制技术分别与两路正交音频调制信号进行平衡调制，平衡调制后的两路正、余弦环天线信号相互叠加，叠加后的信号再与垂直天线信号相叠加便得到无线电罗盘信号模拟数字信号。垂直天线信号以及正、余弦天线信号的产生、模拟方位角度信息调制、双振幅比例平衡调制等相关信号处理全部在FPGA中完成，简化了电路结构，其信号处理流程如图3所示。
由于无线电罗盘接收信号为微伏级弱信号，且幅度在10μV以下需进行1μV幅度步进。因此通过高精度数模转换以及全数字低步进衰减方式输出100mV～1μV动态范围的模拟信号。通过I/V转换技术将差分电流信号转化为单端电压信号。通过高阶无源椭圆滤波器进行滤波，滤除带外干扰信号，提高输出信号纯度。
本发明基于PXI总线的无线电罗盘信号模拟装置，具有PXI标准总线与软件无线电体系架构，本装置既可以独立使用，又易于与其他导航模拟模块设备以及测试模块设备共同组建小型化PXI总线导航测试系统。
本发明采用双通道高精度模数转换采集无线电罗盘接收机两路正交音频调制信号，采用单端转差分技术提高音频调制信号抗干扰能力。
本发明采用模拟方位角度数字调制技术将模拟方位角度信息调制到载波信号当中，采用双振幅比例平衡调制全数字合成技术产生无线电罗盘信号模拟数字信号。
本发明通过高精度数模转换以及全数字低步进衰减技术实现模拟信号大动态高精度稳定输出，采用高阶无源椭圆滤波器滤除带外干扰信号。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (5)
1.基于PXI总线的无线电罗盘信号模拟装置，其特征在于，包括：音频调制信号采集电路、衰减电路、信号放大电路、模拟信号生成电路以及FPGA控制及信号合成模块；
音频调制信号采集电路采集无线电罗盘接收机两路正交音频调制信号，并将采集到的信号送入FPGA控制及信号合成模块；所述FPGA控制及信号合成模块得输出端依次连接模拟信号生成电路、信号放大电路和衰减电路；所述FPGA控制及信号合成模块还与PXI接口连接；PXI接口连接上位机，传送上位机下发的方位模拟角度信息以及载波信号频率以及幅度控制信息；
所述FPGA控制及信号合成模块通过直接数字合成方式产生载波信号，所述载波信号分别用作垂直天线信号和正弦环天线信号和余弦环天线信号；
通过角度信息数字调制方法将模拟方位角度信息调制到正、余弦环天线信号当中，携带了模拟方位角度信息的正、余弦环天线信号再通过双振幅比例调制分别与音频调制信号采集电路输出的两路正交音频调制信号进行平衡调制，平衡调制后的两路正、余弦环天线信号相互叠加，叠加后的信号再与垂直天线信号叠加得到无线电罗盘信号模拟数字信号。
2.如权利要求1所述的基于PXI总线的无线电罗盘信号模拟装置，其特征在于，所述音频调制信号采集电路包括：
串联连接的第一单端转差分单元和第一抗混叠滤波调理单元；串联连接得第二单端转差分单元和第二抗混叠滤波调理单元；
所述第一单端转差分单元和第二单端转差分单元分别连接两路正交音频调制信号得输出端；
所述第一抗混叠滤波调理单元和第二抗混叠滤波调理单元分别连接ADC的输入端，所述ADC的输出端连接FPGA控制及信号合成模块。
3.如权利要求1所述的基于PXI总线的无线电罗盘信号模拟装置，其特征在于，所述模拟信号生成电路包括：串联连接的DAC、I/V转换单元和低通滤波器。
4.如权利要求1所述的基于PXI总线的无线电罗盘信号模拟装置，其特征在于，PXI接口依次串联PLL和DDS后接入FPGA控制及信号合成模块，PLL电路以PXI接口输出的时钟信号为参考锁相控制输出设定频率的时钟信号，DDS电路又以PLL电路输出的时钟信号为参考直接合成FPGA控制及信号合成模块的工作时钟。
5.基于PXI总线的无线电罗盘信号模拟装置的工作方法，其特征在于，包括：
音频调制信号采集电路采集无线电罗盘接收机两路正交音频调制信号，对每一路正交音频调制信号进行处理：采用单端转差分方法将单端音频调制信号转换为差分信号，采用抗混叠滤波方法消除混叠；
通过直接数字合成方式产生载波信号，载波信号分别用作垂直天线信号和正弦环天线信号和余弦环天线信号；
通过角度信息数字调制方法将模拟方位角度信息调制到正、余弦环天线信号当中，携带了模拟方位角度信息的正、余弦环天线信号再通过双振幅比例调制方法分别与两路处理后的正交音频调制信号进行平衡调制，平衡调制后的两路正、余弦环天线信号相互叠加，叠加后的信号再与垂直天线信号相叠加得到无线电罗盘信号模拟数字信号；
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