一、概述

　　在現(xiàn)代航空中，導航是一種十分重要的技術。通常，我們把引導運載體按既定航線航行的過程稱為導航。利用無線電技術對運載體航行的全部（或部分）過程實現(xiàn)導航，稱為無線電導航。到目前為止，無線電導航系統(tǒng)是世界上軍、民航使用最為廣泛的導航裝置，幾乎所有的軍、民航機場都裝有無線電導航系統(tǒng)。當前，我國民用和軍用航空中近程導航的現(xiàn)狀也仍是以無線電導航為主，并且由于現(xiàn)有的飛機著陸系統(tǒng)裝置仍不健全，因此，無線電導航系統(tǒng)對于保障飛機的歸航和進場引導就顯得尤為重要。目前廣泛應用的民用機載無線電導航系統(tǒng)有自動定向機、甚高頻全向信標系統(tǒng)、儀表著陸系統(tǒng)、氣象雷達、應答機、測距機、低高度無線電高度表、多普勒導航系統(tǒng)和奧米伽導航系統(tǒng)。

　　無線電導航系統(tǒng)由地面導航臺及機載設備組成，機載設備主要由環(huán)形天線、垂直天線、天線放大器、環(huán)匹配器、接收機、中央控制單元、無線電航向指示器、耳機及連接電纜等構成，能自動地、連續(xù)地測量飛機相對地面導航臺的航向角，便于為飛機導航。

　　在實際導航測試中，為模擬無線電導航中組合天線的輸出射頻信號，經常要求設計各種滿足導航系統(tǒng)性能和技術指標要求的信號源。信號源所產生的信號形式、參數及工作方式等都要根據系統(tǒng)要求實時地進行靈活調整。因此，信號源必須具備信號產生方法靈活、參數變化速度快、信號頻譜純度高，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠等特點。而信號源的信號形式和參數實時可變的特點主要體現(xiàn)在信號產生器的技術上。以此為背景，為優(yōu)化配置系統(tǒng)軟硬件資源，提高處理速度，提高可重構性，本無線電導航數字信號源應用基于MicroBlaze軟核的嵌入式系統(tǒng)，以軟核作為信號源的控制核心，同上位機進行數據與命令通信，控制FPGA加載不同的軟件合成導航信號，從而充分發(fā)揮FPGA的設計特點，使設計的信號源能滿足實際應用的各項要求。

　　二、無線電導航數字信號源總體設計方案

　　本無線電導航數字信號源總體設計思想采用直接數字頻率合成器（DDS）技術，設計精確的時鐘參考源精度、頻率和相位累加器字長和正弦波函數表，實現(xiàn)研制技術要求的輸出頻率變化范圍、頻率變化步長和頻率精度的調制正弦信號形式。

　　系統(tǒng)方案采用大規(guī)模FPGA精確實現(xiàn)DDS，采用ADC擴展外調制信號，采用嵌入式軟核MicroBlaze作為控制核心，控制RS422/232接口與上位機通信，圖1是無線電導航數字信號源組成總體方案。

　　圖1 無線電導航數字信號源總體方案圖

　　系統(tǒng)利用VC6.0編寫上位機軟件，通過RS422/232接口同信號源通信，完成主控單元命令和數據的發(fā)送以及信號源的工作參數和狀態(tài)數據的數據交換，控制導航信號頻率，方位，通道選擇，工作模式以及其他參數。該系統(tǒng)方案中，MicroBlaze是主控單元，F(xiàn)PGA是底層合成單元，所有的命令（包括邏輯狀態(tài)數據）和數據均通過MicroBlaze同上位機進行交換，系統(tǒng)的時鐘信號由一個外部振蕩器（穩(wěn)補型或恒溫型）提供時鐘，在FPGA內部進行時鐘鎖相，產生系統(tǒng)所需頻率的多個時鐘信號。MicroBlaze接收上位機數據與命令并解析后將頻率、方位等參數回傳給FPGA，F(xiàn)PGA利用預設參數產生精確導航信號并將其傳至高速DA輸出。

　　三、無線電導航數字信號源處理任務設計

　　根據不同導航信號的技術要求，激勵器主要的處理任務是產生不同形式的射頻信號，比如自動定向機（ADF）導航信號形式為：

　　其中，E表示信號幅度，表示常值，M表示調制指數，Ω表示低頻調制信號頻率，θ表示方位角，Va表示音頻調制信號，ωc表示載波頻率。根據各導航信號設計的不同，低頻信號按整倍數周期進行相位翻轉，等效于在θ前乘上一個符號函數U（t）。

　　甚高頻全向信標（VOR）系統(tǒng)導航信號形式為：

　　其中，表示基準相位信號幅度，表示方位角，表示30Hz角頻率，表示9960Hz角頻率，表示調頻指數，表示基準相位信號的調幅度，表示載波信號角頻率。

　　分析上述不同信號格式，信號源信號輸出基本主要由載波信號、低頻調制信號和音頻調制信號構成。因此，在設計方案中，載波信號、音頻信號均由FPGA來實現(xiàn)，而低頻信號來自外部主控單元。在FPGA中實現(xiàn)方位信息θ與低頻調幅信號合成，以及載波信號的調幅。MicroBlaze負責與控制臺通信，解析控制臺命令并控制FPGA的信號生成。

　　3.1 硬件平臺搭建

　　FPGA芯片選擇Xilinx公司的Spartan-6平臺系列中的XC6SLX16，工作時鐘最高可達500MHz，片內有32個DSP運算單元，有14579個邏輯單元，存儲器單元達576Kbits，具有較強的運算能力和高速數據吞吐能力。

　　MicroBlaze軟核是XILINX 公司開發(fā)的一種非常簡化卻具有較高性能的嵌入式處理器軟核， 該軟核的性能具有高度的可配置性，  允許設計者根據自己的設計需要進行適當的選擇，  以搭建自己的硬件平臺。快速單連接（FSL）總線是一個單向的點對點通信總線，可用來連接FPGA上的任意兩個帶有FSL總線接口的設計元素并提供兩者間的快速通信信道。在XPS的集成開發(fā)環(huán)境下BSB向導創(chuàng)建一個以MicroBlaze為核心的硬件系統(tǒng)，按照向導提示直接添加所需的外設UART  IP核，通過FSL總線同MicroBlaze軟核相互通信。利用平臺產生器根據硬件描述文件（.MHS）生成嵌入式系統(tǒng)模塊的網表文件（.NGC），然后使用綜合工具XST進行綜合，構成整個應用系統(tǒng)的硬件模型。

　　A/D轉換器主要用于外部低頻調制信號輸入，選用ADI公司雙通道10位AD9218，采用+2.7 V ~  +3.6V單電源供電，采樣頻率在40MHz以上。

　　D/A轉換器主要用于射頻信號輸出，選擇ADI公司單通道電流輸出型10位芯片AD9760，更新頻率120MSPS，單電源+5V供電，使用方便。

　　3.2 軟件設計

　　3.2.1上位機軟件設計。

　　上位機軟件任務主要是產生可供信號源識別的頻率、方位、工作模式、通道選擇以及其他控制信息，加上規(guī)定的標頭以區(qū)分控制命令，通過RS422/232串口將控制命令傳送至信號源，以產生相應的導航數字信號。

　　3.2.2 FPGA處理任務設計

　　FPGA硬件任務主要是產生高精度的調制射頻信號，F(xiàn)PGA主要任務包括：

　　讀取MicroBlaze解析的載波頻率、方位角信息及其他相關信息；

　　產生音頻信號，載波信號與方位角信號；

　　接收兩路AD采樣低頻信號；

　　合成激勵信號并傳送至DA轉換器輸出。

　　FPGA模塊處理單元組成如圖2所示。

　　圖2 FPGA 模塊處理單元組成示意圖

　　3.2.3 MicroBlaze處理任務核心設計：

　　MicroBlaze系統(tǒng)的軟件設計需要先配置軟件描述文件（.MSS），生成的軟件描述文件列出了所有外設的驅動信息。函數庫產生器利用這些配置信息，配置相應的驅動程序函數庫，利用這些函數庫可以在SDK集成環(huán)境中編寫相應的接收解析程序以實現(xiàn)MicroBlaze的控制功能。最后將基于MicroBlaze的UART控制器的硬件結構和應用軟件工程打包導入到ISE中，作為ISE工程的子模塊使用，即可完成MicroBlaze控制器的軟件設計。其軟件處理流程如下圖3所示：

　　圖3 MicroBlaze軟件處理流程

　　四、本設計要點

　　無線電導航系統(tǒng)是實現(xiàn)民機和軍機近程導航的主要設備，而在具體調試時需要各種導航信號，來測試導航設備的定向靈敏度，定向精度和定向速度。由于各種導航信號有所不同，很少有通用的設備平臺能夠同時產生不同導航信號。并且由于傳統(tǒng)信號源都是機械、旋鈕式，無法將信號精度、大小做到令人滿意。傳統(tǒng)的信號源一般采用RC振蕩電路、LC振蕩電路、石英晶體振蕩電路或波形發(fā)生集成電路來實現(xiàn)，很難在較寬的頻帶內實現(xiàn)高質量、高頻率精度和高穩(wěn)定性波形的輸出，且一般頻率調節(jié)是通過調節(jié)電阻、電感、電容參數或變容二極管的電容量來實現(xiàn)，難于實現(xiàn)高精度和數控調節(jié)。本設計采用了嵌入式系統(tǒng)的思想，具有以下兩個顯著特點：

　　靈活性：能通過更換程序或模塊來適應多種工作頻段和多種工作方式；

　　通用性：系統(tǒng)結構通用，功能實現(xiàn)靈活。不同的通信系統(tǒng)可由相對一致的硬件利用不同的軟件來實現(xiàn)，系統(tǒng)功能的改進和升級也很方便。

　　本設計同時采用了大規(guī)模FPGA，可將信號源的定向精度提高至0.1度，輸出波形頻率分辨率達到0.01Hz，并且由于使用了高速DA芯片，最高數據率可達125MHz。

　　五、本設計主要應用

　　無線電導航系統(tǒng)是實現(xiàn)民機和軍機近程導航的主要設備，而在具體調試時需要各種導航信號，來測試導航設備的定向靈敏度，定向精度和定向速度。由于各種導航信號有所不同，很少有通用的設備平臺能夠同時產生不同導航信號。并且由于傳統(tǒng)信號源都是機械、旋鈕式，無法將信號精度、大小做到令人滿意。本文設計了一整套無線電導航數字信號源方案，以產生各種無線電導航信號，上位機控制具體命令，能保證較高的信號頻率精度、方位精度和頻率大小，使得信號源平臺具備信號產生方法靈活、參數變化速度快、信號頻譜純度高，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠等特點，完全能滿足一般無線電導航系統(tǒng)的技術要求，為無線電導航系統(tǒng)設計與測試提供了新思路，可以推廣至民/軍機的無線電導航調試使用。