基于PCI-9846的航空導(dǎo)航VOR信號綜測儀設(shè)計(jì)

PXI板卡安裝在NI PXI-1402控制箱內(nèi)。采用NI PXI-PCI833x套件，可使用通過銅纜連接的完全透明的MXI-4網(wǎng)絡(luò)在計(jì)算機(jī)上控制PXI模塊。MXI-4通過在PCI-PCI高帶寬連接上搭建橋路，通過計(jì)算機(jī)的PCI接口對PXI系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

2.2 數(shù)據(jù)采集

用凌華科技PCI-9846高速數(shù)字化儀完成數(shù)據(jù)采集。凌華科技PCI-9846是具有40MHz采樣頻率的16位4通道數(shù)字化儀，專為高頻率、大動態(tài)范圍信號設(shè)計(jì)，最高輸入頻率可達(dá)20MHz。模擬輸入量程可以通過軟件設(shè)定為±1V或±0.2V，可選擇50歐輸入阻抗，以適應(yīng)高速、高頻信號。裝有4通道高線性16位A/D轉(zhuǎn)換器，可以理想地適應(yīng)諸如雷達(dá)、超聲波及軟件無線電等大動態(tài)范圍信號。

配合高達(dá)512MB的板載內(nèi)存，PCI-9846可以記錄更長時間的波形而不受限于PCI總線的傳輸速率。數(shù)字化的信號數(shù)據(jù)在傳輸?shù)街鞔鎯ζ饕郧跋缺淮鎯Φ桨遢d內(nèi)存。數(shù)據(jù)傳輸采用SG-DMA(Scatter-gather Direct Memory Access，分散－聚集直接內(nèi)存讀?。┓绞?，可以提供更高的數(shù)據(jù)傳輸率，并可更有效的利用系統(tǒng)內(nèi)存。如果數(shù)字化儀的數(shù)據(jù)傳輸速率低于可用的PCI總線帶寬，PCI-9846還設(shè)有一個板載取樣點(diǎn)先進(jìn)先出存儲器，以實(shí)現(xiàn)繞過板載內(nèi)存而實(shí)時直接將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)內(nèi)存。

PCI-9846具有靈活的觸發(fā)選項(xiàng)，包括軟件觸發(fā)、外部數(shù)字觸發(fā)、任意模擬通道的模擬觸發(fā)以及PXI總線觸發(fā)。多樣的觸發(fā)方式使其更適應(yīng)需求。后觸發(fā)、延遲觸發(fā)、前觸發(fā)及中觸發(fā)模式可以采集觸發(fā)事件附近的數(shù)據(jù)。PCI-9846也可以重復(fù)觸發(fā)采集，以便對極短時間間隔的多個數(shù)據(jù)段進(jìn)行采集。PXI背板提供的多種觸發(fā)選項(xiàng)使PCI-9846可以簡便地實(shí)現(xiàn)多模塊同步。利用PXI觸發(fā)總線，PCI-9846可以在設(shè)置為“主”時向PXI觸發(fā)總線輸出觸發(fā)或時基信號，在設(shè)置為“從”時從PXI觸發(fā)控制槽接收觸發(fā)或時基信號。PXI背板提供精準(zhǔn)的10MHz信號也可以用作一個時基信號源。

PCI-9846包含一個精確的低溫度漂移板載基準(zhǔn)。這不但可以提供一個穩(wěn)定的校準(zhǔn)源，亦能保證在較大溫度變化范圍的數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定性。自動校準(zhǔn)過程通過軟件完成，不需要任何手動調(diào)整。一旦校準(zhǔn)過程完成，校準(zhǔn)信息將被存儲在板載EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，電可擦除可編程只讀存儲器），需要時校準(zhǔn)值可從板上加載。

2.3 軟件部分

LabVIEW是NI（National Instruments，美國國家儀器公司）的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，其全稱是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench），是一款基于G語言（Graphics Language，圖形化編程語言）的測試系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺。信號產(chǎn)生、數(shù)字化儀調(diào)用和數(shù)字信號處理在LabVIEW2010環(huán)境下進(jìn)行。

由于機(jī)器性能有限，程序分為產(chǎn)生、采集和處理三部分。根據(jù)信號建模的結(jié)果（參考“1.3 合成信號”），計(jì)算得出波形數(shù)據(jù)并保存到文件。在波形的產(chǎn)生程序中，先把波形數(shù)據(jù)讀出并寫入任意波形發(fā)生器，調(diào)用其產(chǎn)生所需要的信號。調(diào)用DAQPilot相關(guān)模塊控制數(shù)字化儀進(jìn)行信號采集，并存儲到文件以便后續(xù)調(diào)用。解調(diào)程序調(diào)用此波形文件，進(jìn)行相關(guān)解調(diào)及運(yùn)算，完成信號分析。信號的產(chǎn)生與采集程序框圖如圖3所示，解調(diào)和運(yùn)算程序框圖如圖4所示。

圖3：信號產(chǎn)生與采集程序

圖4：信號解調(diào)程序

3. 運(yùn)行結(jié)果
按照設(shè)計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)連接好硬件，設(shè)置波形信息，基帶信號為30Hz正弦波，調(diào)頻副載波9960Hz，頻偏480Hz，調(diào)制系數(shù)0.3?？紤]機(jī)器性能及運(yùn)行時間，VOR信號以1MHz為例。計(jì)算得出的波形存儲到文件中，以便在波形產(chǎn)生程序里調(diào)用。在波形產(chǎn)生程序中，先對設(shè)備進(jìn)行初始化和參數(shù)調(diào)整，設(shè)定板卡地址，功率為-10dBm，中心頻率1MHz，模式為“Arb Waveform”。調(diào)用時候采用IQ調(diào)制，I路為調(diào)制信號，Q路為0。寫入數(shù)據(jù)時選擇與生成時相同的采樣率，才能保證生成信號的頻譜正確。

信號產(chǎn)生模塊持續(xù)運(yùn)行，并調(diào)用數(shù)字化儀進(jìn)行采集。同樣需要設(shè)置虛擬通道，量程±1V，信號類型“AI Voltage”，采樣頻率須滿足乃奎斯特定理，此處選為8MHz，采樣時鐘設(shè)定為“Continuous Samples”，持續(xù)時間1秒。采樣后的數(shù)據(jù)可以實(shí)時在波形圖表中顯示，并通過“寫入波形數(shù)據(jù)到文件.vi”存入文件，以便后續(xù)調(diào)用。

為實(shí)現(xiàn)對信號的測量和驗(yàn)證，需要對采集的波形進(jìn)行解調(diào)并還原出相應(yīng)的信息。采集到的VOR空間合成信號經(jīng)過相干解調(diào)后得到空間合成信號的外包絡(luò)，包括30Hz的可變相位信號，和9960Hz的調(diào)頻副載波。30Hz可變相位信號經(jīng)過30Hz濾波器直接得到，前面板可見其時域、頻域波形以及頻率、相位和幅值等信息；9960Hz副載波經(jīng)過濾波后鑒頻，得到30Hz基準(zhǔn)相位信號，前面板可見其相應(yīng)參數(shù)。基準(zhǔn)相位信號與可變相位信號的相位差可指示當(dāng)前的方位信息，讀書為VOR方位角。運(yùn)行后的前面板如圖5所示。程序運(yùn)行時，其中的各個標(biāo)簽頁可以輪流顯示，按下右下方的“暫?！扁o可以鎖定當(dāng)前標(biāo)簽頁。

圖5：綜測儀前面板

4. 結(jié)論
軟件無線電技術(shù)目前在軍用、民用通信領(lǐng)域已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用?；诖思夹g(shù)的測試設(shè)備因?yàn)槠溟_放性和靈活性，比傳統(tǒng)設(shè)備有更加廣闊的應(yīng)用前景。而數(shù)字化儀正是實(shí)現(xiàn)模擬信號向數(shù)字信號過渡的關(guān)鍵。經(jīng)驗(yàn)證，凌華科技PCI-9846高速數(shù)字化儀安裝簡便，操作界面人性化，可以在LabVIEW環(huán)境下方便地調(diào)用，勝任復(fù)雜模擬信號的準(zhǔn)確采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換，并能存儲成波形文件便于后續(xù)調(diào)用。限于技術(shù)水平和電腦性能，不能做更高頻率的采樣和信號處理實(shí)驗(yàn)，有待今后工作中繼續(xù)研究改進(jìn)。