董建涛 胡丽娟
摘 要： 针对当前微波着陆装备测试的迫切需要，提出一种基于矢量信号发生器硬件架构的微波着陆模拟器的实现方式，并提出了一种基于FPGA的微波着陆系统基带信号设计方法。对微波着陆信号的格式和信号时序进行了仿真，并对各种角功能信号和数据字结构进行了实际测试，证明了该模拟器性能达到装备测试要求。
关键词： 微波着陆系统； FPGA； 信号格式仿真； 数据字
中图分类号： TN965.3?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）09?0053?03
0 引 言
微波着陆系统（MLS）是一种新型的飞机着陆引导设备，能提供精确的方位角、俯仰角以及距离等引导信息。微波着陆系统的信号编码格式采用时分多路复用技术，各种导航功能和数据传输功能在统一频率上工作，方位信息、俯仰角信息和数据字在同一信号格式里各自占有一定的发射时隙。信号编码以不同的前导码区别不同功能的信号，各种功能信号随机发射，提高信号抗同步干扰能力。微波着陆系统信号可以根据不同的需要增加或者删除某些功能，具备灵活的适应性，也给信号的扩展留有了余地。
1 微波着陆系统基本原理
微波着陆信号采用了时分多路复用（TDM）技术，不同功能的导航信号及数据字占有不同的发射时隙，在每一个功能发射时隙前部用前导码来区分不同的功能块。
微波着陆系统的测角算法基于时基扫描波束技术。在比例制导区内，飞机接收地面导航设备的扫描天线发射的“往”扫描脉冲与“返”扫描脉冲，脉冲以恒定的速度扫描，从一个端点扫描到另一端点，测出这两个扫描脉冲之间的时间差。根据扫描速度计算得到飞机所处的位置相对于跑道中心线的方位角度。图1为方位计算示意图。
图1 微波着陆系统方位计算原理图
2 整机设计
整机采用基于现代计算机技术的智能化仪器平台，选用Windows XP多任务操作系统，在设计中遵循模块化选项化的设计理念，把整机硬件和软件分成多个功能相对独立的模块。
其硬件平台主要由主控计算机、基带信号发生单元、信号调制单元、本振发生单元、功率控制及稳幅单元六个部分组成，如图2所示，整机主控平台为所有整机功能单元提供工作环境支撑，并根据微波着陆信号模拟过程中实际的需求，发送相应的指令。
图2 微波着陆模拟器的整机框架
2.1 频率合成单元
频率合成单元采用单环设计产生5 031～5 091 MHz的低噪声连续波信号，信号利用Hittite公司的HMC833LP6GE设计，可提供频率范围是25～6 000 MHz，相位噪声是-110 dBc/Hz@10 kHz，并通过24 b的数字信号控制，实现3 Hz的频率分辨率，可以极好地满足微波着陆信号的模拟。
频率合成单元的参考信号由恒温晶振产生，产生的参考信号功分两路后，一路作为本振信号的鉴相频率，一路作为基带单元DA采样时钟的鉴相频率，保证微波着陆信号的载波信号与基带信号同源。
2.2 基带单元
基带单元电路包括存储芯片、FPGA及其附属电路、DA以及重构滤波器电路，主要功能是实现方位引导信号、仰角引导信号和数据字信号的基带信号。采用了Altera公司的Stratix IV系列的FPGA，该款FPGA的内部资源以及管脚数量能够完全满足微波着陆信号模拟器的设计，完成全功能设计使用了69%的资源。
微波着陆基带信号格式在FPGA中产生。根据微波着陆的信号格式，FPGA内部调用相应的程序模块，产生相应格式的基带信号后进行模数转换，并同时产生功能信号的同步信号。基带信号发生单元产生满足指标要求的方位角信号、俯仰角信号、数据字等IQ信号，输入至信号调制单元，并根据温度的变化进行时间精度的补偿。
2.3 调制单元
调制单元的主要组成是IQ调制器、带通滤波器以及功率调理电路组成。在微波着陆信号中最复杂的是DPSK信号，可通过设置基带信号的0°和180°实现相位的180°旋转，因此只使用IQ调制器一路，另一路置0值的偏置电压；带通滤波器主要是滤除调制和传输过程中的干扰信号。
2.4 功率控制及稳幅单元
功率控制及稳幅单元主要实现微波着陆的宽功率范围，及提高功率的精度，主要由衰减器和开关组成。衰减器采用了Peregrine公司的PE43703，每个可提供最大30 dB的范围，一般使用4就可提供-110～0 dB的范围，精度是0.25 dB；稳幅部分主要由压控衰减器、通道放大、功分/耦合电路、检波电路、积分求和电路、参考预置电路等组成。由于前端衰减器的高精度，稳幅环路将在0.5 dB的范围内稳幅，极大的提高了功率的精度。ALC环路的实现方案如下，定向耦合器与检波器从RF通路中耦合出检波信号，将其转化成一个直流电压。耦合出的信号是按照已知的比例从RF信号中得到，因此利用检波器转化出来的直流检波电压是实时反映RF通路中功率大小。检波电压经过放大与环路提供的参考电压相比较进行积分，携带误差信息的积分电压用来驱动调制电路，通过调节调制器的衰减来控制RF功率。因此，在ALC环路闭合时，输出信号电平能够一直被监控，通过调节调制二极管，输出所需的RF电平信号。参考电压是由CPU根据设置的RF输出功率电平及各种参数计算后，控制DAC电路产生的。
3 基于FPGA的微波着陆基带信号模拟
3.1 模拟信号格式
微波着陆信号的各种功能字在同一信号格式里，各自占有一定的发射时隙。各功能时隙都分成宽波束的扇区信号向全部覆盖扇区内发射。微波着陆系统每个周期的功能信号，主要由前导码和扫描信号两部分组成。
前导码部分由无调制的载波脉冲、5位基准巴克码及7位功能识别码等三部分组成。各功能的前导部分都占有相同的时间1.6 ms，其余部分的时间视功能不同而相异。
扫描信号部分主要有测试脉冲、扫描脉冲、干扰脉冲和多径信号共四种信号形式。扫描信号频谱分布规律符合[sin xx]的函数关系。多径干扰模式分为单独信号模式、单独多径1信号模式、单独多径2信号模式、扫描脉冲和多径1信号模式、扫描脉冲和多径2信号模式、扫描信号和多径1信号还有多径2信号模式共五种。
3.2 基带模拟信号产生流程
FPGA是微波着陆基带信号模拟的核心部分，各个程序模块都在FPGA内部使用硬件描述语言Verilog产生，这样设计保证了程序的实时性以及可靠性。
微波着陆系统基带模拟信号的参数控制信息在上位机产生，并通过PCI总线接口传输给以FPGA为核心的基带信号发生单元硬件电路；微波着陆系统基带模拟数字信号程序通过JTAG口下载到FPGA的配置芯片中，经FPGA处理后得到所需微波着陆系统信号数据传输给机载接收设备。
程序总共开发了20个基本功能模块，分别是：时序模块、方位（AZ）信号模块、反方位（BAZ）信号模块、仰角（EL）信号模块、拉平（FL）信号模块、反向方位 （BAZ）模块、高速进场方位（HAZ）信号模块、基本数据字1～6信号模块、辅助数据字1～6模块和螺旋桨干扰及6.75 Hz干扰信号模块。通过这20个基本的程序模块控制组成产生序列1信号模块、序列2信号模块、高速序列1信号模块、高速序列2信号模块、全周期信号模块、高速全周期信号模块。
图3是全周期信号的程序流程图，全周期信号包括序列1信号和序列2信号，对于不用的或地面没有的功能，保留相应的时隙，以保证所拥有的功能的时隙不变，基本数据字在序列1与序列2之间的空隙。
图3 MLS全功能发射序列流程图
软件初始化后，上位机通过PCI总线将模式选择指令，发送FPGA，进行模式选择，可以有六种模式选择，根据不同的模式以及模式内部不同的信号模块，时基模块内部调整不同的工作时基。当选择全周期模块后，确定好时基之后，进入序列1和序列2信号处理，分别调用不同的信号模块，如方位信号模块、仰角信号模块等，在最终输出时，根据不同的时基需要，将各信号叠加，最后实现全周期信号微波着陆信号的输出。
依据图3的流程，生成了模拟信号，如图4所示，上图是全周期信号的部分基带模拟信号，下图是相应的基带模拟信号调制到载波上的波形。
4 结 语
针对机载微波着陆设备在生产及测试和维修保障过程中的模拟测试信号产生的需求，本文设计了一种基于通用矢量信号发生器硬件平台的导航信号模拟器。通过电路设计验证，该导航信号模拟器能够实现高精度地模拟微波着陆系统的各种导航信号和基本数据字信号。目前，该模拟器已经在实际机载微波着陆设备测试中得到应用，操作简便，配置灵活，满足实际需要，可实现角精度为0.005°，方位角范围为-62°～62°，俯仰角范围为-1.5°～29.5°。以该矢量信号发生器硬件通用平台为基础，通过加载不同的FPGA基带信号发生程序，该导航信号模拟器平台可实现多种导航信号的模拟，具有广阔的应用前景。
图4 实测微波着陆系统方位信号时域图
参考文献
[1] MILLER F P， VANDOME A F， MCBREWSTER J. Microwave landing system [M]. Germany： VDM Publishing， 2010.
[2] 白居宪.低噪声频率合成[M].西安：西安交通大学出版社，1994.
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[11] 张辉，曹丽娜.现代通信原理与技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2001.
前导码部分由无调制的载波脉冲、5位基准巴克码及7位功能识别码等三部分组成。各功能的前导部分都占有相同的时间1.6 ms，其余部分的时间视功能不同而相异。
扫描信号部分主要有测试脉冲、扫描脉冲、干扰脉冲和多径信号共四种信号形式。扫描信号频谱分布规律符合[sin xx]的函数关系。多径干扰模式分为单独信号模式、单独多径1信号模式、单独多径2信号模式、扫描脉冲和多径1信号模式、扫描脉冲和多径2信号模式、扫描信号和多径1信号还有多径2信号模式共五种。
3.2 基带模拟信号产生流程
FPGA是微波着陆基带信号模拟的核心部分，各个程序模块都在FPGA内部使用硬件描述语言Verilog产生，这样设计保证了程序的实时性以及可靠性。
微波着陆系统基带模拟信号的参数控制信息在上位机产生，并通过PCI总线接口传输给以FPGA为核心的基带信号发生单元硬件电路；微波着陆系统基带模拟数字信号程序通过JTAG口下载到FPGA的配置芯片中，经FPGA处理后得到所需微波着陆系统信号数据传输给机载接收设备。
程序总共开发了20个基本功能模块，分别是：时序模块、方位（AZ）信号模块、反方位（BAZ）信号模块、仰角（EL）信号模块、拉平（FL）信号模块、反向方位 （BAZ）模块、高速进场方位（HAZ）信号模块、基本数据字1～6信号模块、辅助数据字1～6模块和螺旋桨干扰及6.75 Hz干扰信号模块。通过这20个基本的程序模块控制组成产生序列1信号模块、序列2信号模块、高速序列1信号模块、高速序列2信号模块、全周期信号模块、高速全周期信号模块。
图3是全周期信号的程序流程图，全周期信号包括序列1信号和序列2信号，对于不用的或地面没有的功能，保留相应的时隙，以保证所拥有的功能的时隙不变，基本数据字在序列1与序列2之间的空隙。
图3 MLS全功能发射序列流程图
软件初始化后，上位机通过PCI总线将模式选择指令，发送FPGA，进行模式选择，可以有六种模式选择，根据不同的模式以及模式内部不同的信号模块，时基模块内部调整不同的工作时基。当选择全周期模块后，确定好时基之后，进入序列1和序列2信号处理，分别调用不同的信号模块，如方位信号模块、仰角信号模块等，在最终输出时，根据不同的时基需要，将各信号叠加，最后实现全周期信号微波着陆信号的输出。
依据图3的流程，生成了模拟信号，如图4所示，上图是全周期信号的部分基带模拟信号，下图是相应的基带模拟信号调制到载波上的波形。
4 结 语
针对机载微波着陆设备在生产及测试和维修保障过程中的模拟测试信号产生的需求，本文设计了一种基于通用矢量信号发生器硬件平台的导航信号模拟器。通过电路设计验证，该导航信号模拟器能够实现高精度地模拟微波着陆系统的各种导航信号和基本数据字信号。目前，该模拟器已经在实际机载微波着陆设备测试中得到应用，操作简便，配置灵活，满足实际需要，可实现角精度为0.005°，方位角范围为-62°～62°，俯仰角范围为-1.5°～29.5°。以该矢量信号发生器硬件通用平台为基础，通过加载不同的FPGA基带信号发生程序，该导航信号模拟器平台可实现多种导航信号的模拟，具有广阔的应用前景。
图4 实测微波着陆系统方位信号时域图
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前导码部分由无调制的载波脉冲、5位基准巴克码及7位功能识别码等三部分组成。各功能的前导部分都占有相同的时间1.6 ms，其余部分的时间视功能不同而相异。
扫描信号部分主要有测试脉冲、扫描脉冲、干扰脉冲和多径信号共四种信号形式。扫描信号频谱分布规律符合[sin xx]的函数关系。多径干扰模式分为单独信号模式、单独多径1信号模式、单独多径2信号模式、扫描脉冲和多径1信号模式、扫描脉冲和多径2信号模式、扫描信号和多径1信号还有多径2信号模式共五种。
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图3是全周期信号的程序流程图，全周期信号包括序列1信号和序列2信号，对于不用的或地面没有的功能，保留相应的时隙，以保证所拥有的功能的时隙不变，基本数据字在序列1与序列2之间的空隙。
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依据图3的流程，生成了模拟信号，如图4所示，上图是全周期信号的部分基带模拟信号，下图是相应的基带模拟信号调制到载波上的波形。
4 结 语
针对机载微波着陆设备在生产及测试和维修保障过程中的模拟测试信号产生的需求，本文设计了一种基于通用矢量信号发生器硬件平台的导航信号模拟器。通过电路设计验证，该导航信号模拟器能够实现高精度地模拟微波着陆系统的各种导航信号和基本数据字信号。目前，该模拟器已经在实际机载微波着陆设备测试中得到应用，操作简便，配置灵活，满足实际需要，可实现角精度为0.005°，方位角范围为-62°～62°，俯仰角范围为-1.5°～29.5°。以该矢量信号发生器硬件通用平台为基础，通过加载不同的FPGA基带信号发生程序，该导航信号模拟器平台可实现多种导航信号的模拟，具有广阔的应用前景。
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