謝洪森，王 鼎，劉云飛，張建明

(1.海軍航空大學(xué) 青島校區(qū)，山東 青島 266041；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第二十研究所，西安 710068)

0 引言

微波引導(dǎo)設(shè)備主要是用于機(jī)場(chǎng)或移動(dòng)平臺(tái)實(shí)施全天候引導(dǎo)飛機(jī)安全起降重要的精密導(dǎo)航設(shè)備[1]。設(shè)備主要為飛機(jī)提供方位、仰角及距離引導(dǎo)信息，機(jī)載設(shè)備通過接收、處理和數(shù)據(jù)解算地面臺(tái)站發(fā)射的角度(方位和仰角)引導(dǎo)信息，直觀顯示出飛機(jī)實(shí)時(shí)偏離規(guī)定的下滑航道畫面，飛行員操縱飛機(jī)按照正確下滑道降落[2]。當(dāng)前，保障特種飛機(jī)起降的高精度微波引導(dǎo)設(shè)備通常安裝在固定機(jī)場(chǎng)或海上移動(dòng)平臺(tái)，安裝位置、環(huán)境條件以及周邊電磁干擾等多種因素會(huì)影響設(shè)備技術(shù)性能，對(duì)飛行安全造成嚴(yán)重影響制約，對(duì)設(shè)備發(fā)射的角度數(shù)據(jù)信息定期檢測(cè)是非常必要的。國(guó)內(nèi)早期研發(fā)的微波引導(dǎo)設(shè)備專用測(cè)角檢測(cè)設(shè)備，采用的技術(shù)相對(duì)落后，體積重量大，角度測(cè)量精度低(精度劣于0.50°)，無法滿足特種飛機(jī)對(duì)高精度微波引導(dǎo)設(shè)備的角度數(shù)據(jù)檢測(cè)需求[3]。

高精度微波引導(dǎo)設(shè)備角度數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)主要基于ARM+DSP+FPGA的硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)，綜合運(yùn)用了高精度角度測(cè)量、嵌入式微處理器顯示控制、costas數(shù)字鎖相環(huán)載波跟蹤與恢復(fù)等技術(shù)方法[4]，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)處理、模塊控制和基于ARM_Linux的顯示控制功能；軟件設(shè)計(jì)主要基于C/C++語言編程、VHDL或Verilog硬件描述語言方式，在不同要求的運(yùn)行環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了顯示控制、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)解算等軟件設(shè)計(jì)功能[6]。通過綜合調(diào)試實(shí)驗(yàn)以及與實(shí)裝設(shè)備對(duì)接測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明，檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高精度微波引導(dǎo)設(shè)備角度數(shù)據(jù)信息的檢測(cè)要求，為保障特種飛機(jī)飛行起降安全發(fā)揮重要作用。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括主機(jī)、射頻饋線以及喇叭口接收天線，其中主機(jī)由C波段接收模塊、信號(hào)處理模塊、顯控組件、電源模塊、電池組成，系統(tǒng)基本構(gòu)成如圖1所示。

喇叭口天線[7]接收C波段微波引導(dǎo)信號(hào)，通過二次變頻輸出兩路信號(hào)，一路為對(duì)數(shù)視頻，用于幅度解調(diào)，與數(shù)據(jù)通道配合，完成角度數(shù)據(jù)等參數(shù)測(cè)量；另一路為70 MHz中頻信號(hào)，用于數(shù)據(jù)信號(hào)的解調(diào)。信號(hào)處理模塊輸出30 MHz的微波引導(dǎo)中頻信號(hào)，經(jīng)C波段接收模塊完成檢測(cè)系統(tǒng)自檢；輸出波道和衰減控制信號(hào)對(duì)C波段接收模塊的接收通道實(shí)施有效選取與控制。顯控組件采用防護(hù)玻璃表面鍍高透低反膜(AR)的LCD液晶顯示器對(duì)接收機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。供電方式采取交流220 V /50 Hz或電池或外接直流電供電。系統(tǒng)主機(jī)對(duì)外接口設(shè)計(jì)了天線RF輸入接口完成喇叭口天線接收微波引導(dǎo)空間信號(hào)；同步輸出接口完成角度同步和數(shù)據(jù)同步信號(hào)輸出[8]；對(duì)數(shù)視頻輸出接口用于輸入信號(hào)監(jiān)測(cè)；USB口完成外接鼠標(biāo)及測(cè)試數(shù)據(jù)的導(dǎo)出；LAN口完成對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的在線調(diào)試；電源接口用于220 VAC交流電源和直流電的輸入。

圖1 角度數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)主機(jī)組成框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)主要包括信號(hào)處理模塊、C波段接收模塊、顯示控制組件、系統(tǒng)電源與天線共5部分。

2.1 信號(hào)處理模塊

信號(hào)處理模塊基于ARM+DSP+FPGA的架構(gòu)設(shè)計(jì)[9]，實(shí)現(xiàn)角度數(shù)據(jù)數(shù)字信號(hào)處理、模塊控制和基于ARM_Linux顯示控制功能，提供LVDS、PS2、USB、網(wǎng)口、RS232等對(duì)外接口，電路設(shè)計(jì)為ADC、DAC、FPGA、DSP、ARM、電源、時(shí)鐘7個(gè)工作單元，其組成如圖2所示。模塊主要完成視頻信號(hào)和中頻信號(hào)采樣、輸出中頻自檢信號(hào)、為外電路提供控制信號(hào)、輸出同步信號(hào)和LVTTL電平標(biāo)準(zhǔn)、具備LAN口、RS-232接口與上位機(jī)通信等功能[10]。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9625將輸入的70 MHz中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并傳送到FPGA單元進(jìn)行處理[11]。數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD9779將FPGA輸出的數(shù)字基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬中頻信號(hào)，并通過放大器放大到0 dBm輸出，輸出設(shè)計(jì)采用一個(gè)1∶1的巴倫來完成。FPGA選用XC7K325T-2FFG900I，采用Master SPI配置模式，M[2:0]=001，按照x4總線寬度進(jìn)行設(shè)計(jì)，產(chǎn)生控制邏輯，發(fā)送基帶信號(hào)，接收預(yù)處理中頻信號(hào)、視頻信號(hào)。同步信號(hào)由FPGA產(chǎn)生，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器隔離后輸出，電平標(biāo)準(zhǔn)為L(zhǎng)VTTL3.3 V。

圖2 信號(hào)處理模塊總體框圖

DSP為信號(hào)處理算法主體，選用定浮點(diǎn)DSP TMS320C6657，對(duì)FPGA預(yù)處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算[12]。DSP上電后至輸入時(shí)鐘及PLL穩(wěn)定，釋放復(fù)位管腳，DSP在復(fù)位管腳的上升沿時(shí)采集模式管腳BOOTMODE[2:0]的狀態(tài)，采用SPI BOOT模式，當(dāng)DSP采樣BOOTMODE[2:0]=110時(shí)，讀取外部SPI FLASH的數(shù)據(jù)進(jìn)行加載啟動(dòng)，DSP時(shí)鐘設(shè)計(jì)為1 000 MHz。

ARM選用NXP的iMX6Q MCIMX6Q6AVT10AC，主要與機(jī)箱上的鍵盤、顯示屏等協(xié)作，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面。外圍包含DDR3、EMMC、RTC、溫度傳感器、SSD、USB、以太網(wǎng)、RS232、RS422等。設(shè)計(jì)采用8bit EMMC Boot，啟動(dòng)的SD接口為SD4。時(shí)鐘為典型頻率為24 MHz和32.768 kHz。

電源單元主要是將外部輸入的+5V電源轉(zhuǎn)換為各個(gè)芯片的工作電壓以及電源的上電時(shí)序控制。系統(tǒng)整體上電時(shí)序：?jiǎn)伟迳想姾?，ARM先啟動(dòng)，ARM啟動(dòng)后控制FPGA和DSP啟動(dòng)，F(xiàn)PGA和DSP按照各自的上電時(shí)序啟動(dòng)。

2.3 C波段接收模塊

C波段接收模塊主要由接收通道、控制單元、本振1、本振2、自檢模塊、電源單元等組成[13]，主要功能是通過二次變頻輸出兩路信號(hào)，一路對(duì)數(shù)視頻，一路70 MHz中頻信號(hào)，組成如圖3所示。

接收通道接收輸入C波段微波引導(dǎo)角度數(shù)據(jù)信號(hào)，經(jīng)濾波、限幅放大后進(jìn)行混頻，輸出510 MHz的第一中頻信號(hào)，第一中頻信號(hào)通過濾波放大后進(jìn)行二次混頻，產(chǎn)生70 MHz的第二中頻信號(hào)[14]。控制單元接收外部的1路SPI通信和波道、自檢、衰減等控制碼，完成對(duì)各個(gè)單元的控制，并向外部反饋本振1的頻率鎖定指示信息[15]。本振1生成一本振信號(hào)配合接收通道實(shí)現(xiàn)變頻和BITE設(shè)計(jì)，并反饋至外部；本振2模塊輸出580 MHz點(diǎn)頻，配合接收通道實(shí)現(xiàn)變頻；外部參考輸入自檢模塊后，生成自檢信號(hào)輸入到接收通道中；電源單元為其他單元提供指定電壓的直流電源。

圖3 C波段接收模塊組成框圖

2.2 顯示控制組件

顯控組件由接口信號(hào)處理模塊、7英寸液晶屏顯示模組、按鍵導(dǎo)光板模塊、面板組件等部分組成。

整體結(jié)構(gòu)采用了模塊化、內(nèi)嵌功能按鍵、背光驅(qū)動(dòng)集成設(shè)計(jì)，具備上、下、左、右共4個(gè)方面可視角度達(dá)到85°寬視角顯示功能，支持網(wǎng)絡(luò)接口、RS232接口、USB、視頻信號(hào)輸出及寬電壓輸入等，支持26個(gè)用戶定義按鍵和不同種類外設(shè)需求；提供人機(jī)交互接口，通過串口實(shí)現(xiàn)與主板通信；接口信號(hào)處理板接收上位機(jī)輸出的LVDS信號(hào)，經(jīng)解碼器解碼成TTL電平，編碼器編碼為VGA信號(hào)，視頻處理芯片采集VGA信號(hào)，通過LVDS視頻信號(hào)送顯示屏進(jìn)行顯示[16]。

2.4 系統(tǒng)電源

系統(tǒng)電源采用交流和直流兩種供電方式，供電優(yōu)先等級(jí)為：AC供電>外部直流供電>鋰電池供電，單相AC220 V/50 Hz電壓通過AC/DC變換后給鋰電池單元內(nèi)的+14.4 V鋰離子蓄電池組充電，后經(jīng)DC/DC變換后，輸出穩(wěn)定的+5 V、+12 V直流電壓給系統(tǒng)供電。系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)具備交流輸入過欠壓、過溫以及輸出短路保護(hù)等功能。

2.5 天線

角度數(shù)據(jù)測(cè)量接收天線設(shè)計(jì)采用喇叭口型天線，頻率范圍為5.0～5.1 GHz，增益≥8 dB，阻抗50 Ω，垂直極化方式，駐波≤2.0。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要由顯示控制軟件、信號(hào)處理軟件兩大部分構(gòu)成[17]。顯示與控制軟件運(yùn)行平臺(tái)為ARM處理，采用C/C++語言進(jìn)行編程，基于Qt環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)調(diào)試；DSP軟件采用C語言和匯編語言相結(jié)合的方式編程，在CCS環(huán)境下調(diào)試；FPGA信號(hào)處理軟件采用VHDL或Verilog語言開發(fā)，在ISE環(huán)境下調(diào)試。

3.1 顯示控制軟件

顯示控制軟件主要實(shí)現(xiàn)界面參數(shù)的設(shè)置及測(cè)試數(shù)據(jù)的顯示、鍵盤信號(hào)接收與處理、測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和讀取[18]，顯控界面的設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 角度數(shù)據(jù)測(cè)試功能顯示界面

方位仰角功能主要通過輸入方位、仰角真值，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量顯示微波引導(dǎo)掃描信號(hào)功率和更新率，點(diǎn)擊方位、仰角誤差圖形按鈕，可顯示實(shí)時(shí)的方位、仰角角誤差曲線，設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 方位仰角功能流程圖

數(shù)據(jù)字功能是通過鍵盤實(shí)現(xiàn)基本數(shù)據(jù)字及輔助數(shù)據(jù)字測(cè)試內(nèi)容的循環(huán)切換，支持基本數(shù)據(jù)字1～6、輔助數(shù)據(jù)字A1～A3、B40～B45等[19]。對(duì)定義的數(shù)據(jù)字，可解析出相應(yīng)的數(shù)據(jù)字內(nèi)容，測(cè)量出信號(hào)功率及更新率；對(duì)于未定義的輔助數(shù)據(jù)字，在“備用輔助數(shù)據(jù)字”中進(jìn)行解調(diào)、顯示，軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)字功能流程圖

圖7 信號(hào)處理流程圖

文件管理功能主要完成對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)文件進(jìn)行管理，測(cè)試數(shù)據(jù)需存儲(chǔ)時(shí)，通過設(shè)置存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)度，對(duì)方位、仰角數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可在測(cè)試接收中進(jìn)行回放。支持用戶選擇存儲(chǔ)時(shí)間：1分鐘、2分鐘、5分鐘和10分鐘，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)自動(dòng)生成以當(dāng)前時(shí)間為文件名的CSV格式文件。校準(zhǔn)功能主要完成掃描信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)功率的校準(zhǔn)補(bǔ)償，各補(bǔ)償值能夠存儲(chǔ)在設(shè)備中。

3.2 信號(hào)處理軟件

信號(hào)處理軟件功能包括數(shù)據(jù)解調(diào)、幅度及角度解調(diào)兩部分[20]。射頻前端輸出的70 MHz限幅中頻信號(hào)，經(jīng)40 MHz的帶通采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻信號(hào)，經(jīng)帶寬為120 kHz的帶通濾波器濾出10 MHz信號(hào)，由數(shù)字下變頻輸出800 kHz信號(hào)，為減輕信號(hào)處理壓力進(jìn)行4倍抽取，將信號(hào)數(shù)據(jù)率降為10 MHz，設(shè)計(jì)中采用數(shù)字costas鎖相環(huán)技術(shù)實(shí)現(xiàn)載波恢復(fù)與跟蹤，完成數(shù)據(jù)基帶信號(hào)的解算。為提高系統(tǒng)的測(cè)試精度，設(shè)計(jì)中采用相干解調(diào)方式實(shí)現(xiàn)DPSK信號(hào)的解調(diào)。相干解調(diào)后的信號(hào)是絕對(duì)碼，通過軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)絕對(duì)碼-相對(duì)碼的變換。若絕對(duì)碼記為bk，相對(duì)碼記為ak，則絕對(duì)碼-相對(duì)碼之間的關(guān)系為：ak=bk⊕bk-1。解調(diào)出的數(shù)據(jù)基帶信號(hào)，通過相關(guān)運(yùn)算，數(shù)據(jù)信息解差分，獲得功能碼、基本數(shù)據(jù)字和輔助數(shù)據(jù)字的相關(guān)信息。接收前端輸出的微波引導(dǎo)信息包絡(luò)信號(hào)，經(jīng)A/D采樣及26 kHz帶通濾波，與數(shù)據(jù)解調(diào)配合，解調(diào)出仰角、方位、掃描功率信息，從而實(shí)現(xiàn)幅度及角度解調(diào)。容的識(shí)別、信息校驗(yàn)、顯示輸出等工作，其流程如圖7所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

角度數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)研發(fā)完成后，利用某部機(jī)場(chǎng)微波引導(dǎo)設(shè)備進(jìn)行了檢測(cè)試驗(yàn)與數(shù)據(jù)測(cè)試驗(yàn)證。按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定及系統(tǒng)測(cè)試要求，喇叭口接收天線架設(shè)選擇距離高精度微波引導(dǎo)設(shè)備400 m、方位天線相位中心±20°覆蓋區(qū)域內(nèi)，架設(shè)高度在4.5～30 m之間可調(diào)整，預(yù)先確定了典型角度信號(hào)接收測(cè)試點(diǎn)作為標(biāo)定點(diǎn)，應(yīng)用光學(xué)全站儀精確測(cè)量測(cè)試點(diǎn)的微波引導(dǎo)設(shè)備方位和仰角天線相位中心方位角和仰角數(shù)據(jù)，作為方位、仰角以及數(shù)據(jù)信息的標(biāo)定值。

按照檢測(cè)系統(tǒng)界面操作與檢測(cè)使用程序方法步驟，將系統(tǒng)喇叭口接收天線、射頻測(cè)試電纜與系統(tǒng)主機(jī)正確連接，選取與微波引導(dǎo)設(shè)備測(cè)角功能設(shè)備相同的500、600、699三個(gè)典型波道，在角功能界面設(shè)置波道、方位角真值、仰角真值，對(duì)微波引導(dǎo)測(cè)角設(shè)備發(fā)射的方位角、仰角及數(shù)據(jù)信號(hào)信息進(jìn)行現(xiàn)地測(cè)試，并將測(cè)試的方位角、仰角數(shù)據(jù)與標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。

測(cè)試結(jié)果如表1、表2和表3所示。實(shí)測(cè)結(jié)果表明：方位角測(cè)試精度不劣于±0.16°，仰角測(cè)試精度不劣于±0.18°，測(cè)試結(jié)果滿足角度檢測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求；測(cè)試的數(shù)據(jù)信號(hào)與微波引導(dǎo)測(cè)角設(shè)備發(fā)射的數(shù)據(jù)信息一致，驗(yàn)證了檢測(cè)系統(tǒng)功能、性能的有效性和準(zhǔn)確性。

表1 檢測(cè)系統(tǒng)方位角實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)記錄表

表2 檢測(cè)系統(tǒng)仰角實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)記錄表

表3 檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)字實(shí)測(cè)記錄表

5 結(jié)束語

高精度微波引導(dǎo)設(shè)備角度數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)采用最新數(shù)字化、模塊化、小型化技術(shù)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高精度微波引導(dǎo)設(shè)備發(fā)射的空間信號(hào)的接收、處理、解算、測(cè)量，準(zhǔn)確判斷微波引導(dǎo)設(shè)備的主要功能和技術(shù)性能。檢測(cè)系統(tǒng)在實(shí)裝環(huán)境下現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)方位角測(cè)量精度不劣于±0.16°，仰角精度不劣于±0.18°，滿足了系統(tǒng)角度數(shù)據(jù)指標(biāo)測(cè)量要求，驗(yàn)證了系統(tǒng)測(cè)試的數(shù)據(jù)信號(hào)與微波引導(dǎo)測(cè)角設(shè)備發(fā)射數(shù)據(jù)基本信息的一致性，有效提升高精度微波引導(dǎo)裝備定檢及故障維修能力，對(duì)提高飛行安全保障能力具有重要意義。