無線電導航中頻信號產生系統設計

羅政元

摘 要 DME/P和塔康是目前流行的兩種無線電導航方式。DME/P與塔康系統在工作原理上基本相同。本文設計一套能夠產生DME/P和塔康中頻信號的模擬器系統，其可以通過上位機軟件控制產生信號的各相參數。使用效果顯示其可以在很大程度上提升無線電導航信號研發和校準檢測人員的工作效率。

【關鍵詞】精密測距 塔康導航中頻

1 引言

目前國際流行的無線電導航方式中，精密測距（DME/P）系統和戰術空中導航系統（Tactical Air Navigation System，簡稱塔康或TACAN）是兩種主要的技術手段。它們為每架進場飛機提供相對于引導點的飛機三維位置信息，保障飛機按要求軌跡進場、著陸和滑跑，實現自動進場著陸。

其中精密測距DME/P采用雙模式工作，按飛機距地面臺的遠近分為初始進場模式（IA）和最后進場模式（FA）。DME/P的初始進場模式與塔康系統的測距完全相同，最后進場模式也基于相同的工作原理，僅在脈沖波形和編碼上有所差別。

因此，從理論上可以設計一套能夠產生DME/P和塔康中頻信號的模擬器系統。這樣可以在很大程度上提升無線電導航信號研發和校準檢測人員的工作效率。

2 無線電導航中頻信號產生系統設計

本無線電導航信號產生系統主要包含以下幾個單元，分別是DME/P模擬中頻信號生成單元、塔康模擬中頻信號生成單元、開關切換單元和輸出接口。如圖1所示。

2.1 DME/P模擬中頻信號生成單元

該單元可生成符合DME/P標準的模擬中頻信號，該單元產生的信號將送往開關切換單元進行選擇。此外，還在此單元預留了校準接口，可完成對DME/P信號相關參數的溯源。

DME/P模擬中頻信號的產生主要通過DDS芯片和FPGA來完成。如圖2所示，DDS芯片是用來生成70MHz中頻載波信號，此正弦波波形一般達不到設計的要求，需要在之后進行濾波處理，再送到下一級操作。FPGA 作為控制核心，用來完成與上位機通信、DDS芯片控制和產生符合DME/P信號要求的脈沖序列，而其中的脈沖序列與之前的中頻載波信號進行調制，得到我們需要的中頻DME/P模擬信號。再通過電平控制單元得到我們需要的電平輸出。

模擬中頻信號生成單元的輸出分為了兩路。一路作為輸出信號送往開關切換單元中去；另一路作為溯源信號送入接口轉換模塊，作為校準裝置溯源的一部分。激勵信號是被測直接傳輸給信號生成單元，當接收到激勵信號后開始工作，生成DME/P模擬中頻信號。

生成DME/P模擬中頻信號時，載波的產生使用的是DDS芯片。由于DDS的固有特點，正弦波幅度值存在量化誤差、相位截斷誤差。通過DA轉換后的輸出正弦波波形達不到后續的要求。所以需要將輸出波形進行濾波處理。

根據方案中信號的頻譜結構和濾波器本身的傳輸特性，選擇了截止特性較好的橢圓函數濾波器進行濾波電路的搭建。為了解決系統初始信號在濾波后信號幅度會隨頻率的增加而減少這一問題，設計了由電阻和LC并聯諧振回路構成的校正電路。經過校正電路與濾波器后，可得到較為理想的信號，具體電路如圖3所示。

2.2 塔康模擬中頻信號生成單元

塔康信號生成單元可生成符合塔康標準的模擬中頻信號，這個信號中包含了塔康信號特有的方位信息。該單元產生的信號將送往開關切換單元進行選擇。此外，還在此單元預留了校準接口，可完成對塔康信號相關參數的溯源。

塔康模擬中頻信號生成單元主要包括控制電路、載波信號產生電路、15Hz和135Hz包絡信號產生電路、調制電路和電平控制電路這五個部分。

如圖4所示，我們采用FPGA做為整個系統的控制核心。用來完成與上位機通信、DDS芯片控制、脈沖信號控制、包絡信號DDS產生這幾個功能。載波信號電路采用DDS芯片來產生70MHz中頻載波信號，該信號需要進行濾波之后才能達到后續的使用要求。在TACAN系統中，信號的包絡由15Hz信號和135Hz信號疊加而成。擬采用DDS技術，使用FPGA進行正弦波相位值的累加，送往DAC，由DAC輸出得到所需要的波形。此信號也需濾波之后才能后續使用。在調制電路中，我們需要進行兩次調制。先對70MHz載波信號與脈沖信號進行第一級調制，再將調制后形成的信號與外包絡信號進行第二級調制，即可得到塔康模擬中頻信號。再通過電平控制單元得到我們需要的電平輸出。

與DME/P信號不同，塔康信號除能測量距離外，還包含有相位信息。塔康系統地面信標發射的脈沖信號都是以脈沖對編碼（按照脈沖對內脈沖之間的間隔不同編碼）構成單元脈沖。由這樣的單元脈沖按照一定規則組成主基準群、輔助基準群、臺識別信號、應該和隨機填充脈沖。

在塔康發射的復雜信號中，方位測量信號由主基準脈沖群、15Hz方位粗測信號、輔基準脈沖群和135Hz方位精測信號組成。主基準脈沖群和15Hz信號用來區別360°全方位中40°的扇形區，而輔基準脈沖群和135Hz信號則是用來確定一個40°扇形區之內的精確的方位。

塔康信號的函數為：s（t）=A0+A1 sin（2πft）+A2 sin（9×2πft）。式中：f=15Hz，A0為直流成分，A1、A2分別為大包絡和小包絡的調制度。經調制后的信號攜帶方位信息，測方位時，根據主、輔基準脈沖，計算出基準與包絡相位斜率過零點之間的相位差，便完成定位工作。

15Hz/135Hz的包絡由FPGA控制DAC來具體實現。采用DDS技術，使用FPGA進行正弦波相位值的累加，通過相位累加器的輸出，尋址正弦波幅值ROM表，最后把幅度值送到DAC，由DAC輸出得到所需要的波形。此波形需要進行低通濾波后才能供后續使用。

對于塔康信號的生成來說，除了需要上面的載波濾波電路外，還需要對15Hz和135Hz外包絡信號進行濾波。這里考慮采用集成運算放大器AD817，結合適當的外圍RC電路，搭建三階巴特沃斯低通濾波器，截止頻率為200Hz，具體電路如圖5所示。

2.3 開關切換單元

該單元的輸入通路是DME/P模擬中頻信號和塔康模擬中頻信號，通過軟件配置選擇切換通路來進行輸出。

3 結論

依照本文所述思路，搭建了無線電導航中頻信號產生系統，該系統可通過軟件設置產生DME/P或塔康導航中頻信號，且導航參數亦可通過軟件設置進行調整。

實際使用證明，該導航信號產生系統可以很好的滿足日?？蒲泻蜋z定校準工作需要。

參考文獻

[1]朱延軍.DME/P精密測距技術研究[J].導航，2002（04）：73-77.

[2]劉江庭.數字化精密測距技術的研究[J].現代電子技術，2012，35（07）：161-163.

作者單位

中國電子科技集團公司第二十研究所 陜西省西安市 710068