基于软件无线电的罗盘激励器系统设计

董理濛+李勇

摘 要： 为了对某型无线电罗盘系统的性能进行调试与维护，提出了一种基于软件无线电思想的罗盘激励器的设计方案。对罗盘信号的结构和特点进行了分析，并重点对罗盘激励器的硬件和软件设计进行了介绍。系统硬件采用FPGA+DSP的方案，能够实现高速的运算和处理。软件部分则以DDS技术为核心，并通过调用FPGA的各种IP Core实现对罗盘信号的模拟输出。经过测试，采用该方案的罗盘激励器系统工作稳定，输出精度高，达到了各项指标的要求。

关键字： 软件无线电； 罗盘激励器； FPGA+DSP； DDS； IP Core

中图分类号： TN965.3?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）03?0038?04

Design of compass actuator system based on software radio

DONG Li?meng， LI Yong

（School of Electronic and Information， Northwestern Polytechnical University， Xian 710072， China）

Abstract： To maintain and debug a certain type of radio compass system， a design method of compass actuator is proposed， which is based on the thought of software radio. The structure and characteristics of the compass signals are analyzed， and the hardware and software design of the compass actuator are focused on. The FPGA and DSP are used in hardware system， which could achieve high speed computing and processing. The software uses Direct Digital Synthesis （DDS） technology， and realizes the analog output of compass signals by applying various IP Core of FPGA. Through the test， it is proved that the compass actuator based on the program is stable and the output accuracy is high， the various standards reach the requirment.

Keywords： software defined radio； compass actuator； FPGA+DSP； DDS； IP Core

0 引 言

罗盘激励器是用于测试和修复机载无线电罗盘系统的设备。通过模拟组合天线输出的导航信号，并将其输送给罗盘接收机，从而实现对无线电罗盘导航灵敏度以及系统工作稳定性的改善功能[1]。随着无线电罗盘在飞机导航中的大量应用，为保证罗盘的正常工作，罗盘激励器在无线电罗盘系统的生产与维护中发挥着极其重要的作用。

直接数字合成技术（Direct Digital Synthesis，DDS），在罗盘激励器的设计中有很高的应用价值。目前主要采用通过单片机控制DDS芯片，再送给外围控制、滤波电路来模拟罗盘信号的方法，但是该方法对DDS硬件的依赖性较大，且单片机工作速率低，抗干扰能力较差，使系统的灵活性及工作稳定性有所不足。为了改善这一问题，采用软件无线电的理论，设计并实现了一种基于FPGA+DSP的硬件方案，重点通过软件设计实现了对罗盘信号的模拟功能。

1 软件无线电思想及无线电罗盘结构

软件无线电（Software Defined Radio，SDR）是一种无线电广播通信技术，其基本思想是以一个固定的硬件平台作为基础，通过软件来实现无线电台的各项功能，也就是说，将A/D和D/A尽量的靠近天线，利用软件来替代硬件实现通信的各种功能，使系统具有模块化、灵活性以及可重构性的特点[2]。软件无线电思想的提出，使设备的通信功能对硬件的依赖性发生改变，实现了从模拟通信到数字通信后的第三次革命。

无线电罗盘是一种机载的导航设备。它通过组合天线接收地面导航台发射的中波信号，并从中解析出飞机纵轴相对于导航台的方位角信息，从而实现对飞机的正确导航。目前大多数无线电罗盘系统主要由接收机、控制台、方位指示器以及组合天线构成，其中接收机用于产生调幅罗盘信号，控制盒用于转换系统的工作状态，方位指示器用于指示飞机、电台的方位等[3]。组合天线是由两个环形天线和一个垂直天线构成，其中的两个环形天线分别叫作横向天线和纵向天线。环形天线是一种方向性的天线，其方向性是在水平面以环形天线为中心的“8”字图形，在垂直面没有方向性。而垂直天线则是一种无方向性天线。将环形天线和垂直天线组合后其方向性图是一种“心”形图形，具有单值定向的特性[4]，利用这一特性可以实现对飞机方位的精确导航。

2 组合天线信号的模型

根据组合天线的结构，罗盘接收机输入的罗盘信号是一个高频调幅信号，该信号的参考模型如下式所示：

[A{1+mcos（Ωt-θ）+Va}cosωct] （1）

式中：[ωc]为载波角频率；[m]为调幅系数；[A]为调幅信号载波的振幅；[Ω]为低频信号的频率；[Va]为摩尔斯码音频调制信号，是由导航台发出的辨识信号；[θ]是飞机相对方位角信息。现将式（1）展开：

[Acosωct+Amcos（Ωt-θ）cosωct+AVacosωct] （2）

其中，[AVacosωct]为无方向性垂直天线的输出信号，即音频调制信号，而具有方向性的环形天线输出的信号为：

[Amcos（Ωt-θ）cosωct] （3）

将式（3）展开得：

[Am（cosθcosωctcosΩt+sinθcosωctsinΩt）] （4）

则[cosθcosωct]为横向环形线圈的输出信号，[sinθcosωct]为纵向环形线圈的输出信号[5?6]；[sinΩt]和[cosΩt]为输入的两路低频正交信号，飞机的方位角信息就包含在低频信号的相位中。

3 DDS原理及使用

DDS是从相位概念出发直接合成所需波形的一种频率合成技术，最早由Joseph Tierney等三人于1971年提出，其原理框图如图1所示。

图1 DDS基本原理框图

DDS的工作原理为：在参考时钟的控制下，相位累加器对频率控制字在每个时钟作用下进行线性累加，得到的相位码对波形存储器进行寻址，使之输出相应的幅度码，再通过D/A转换器以及低通滤波器得到所需频率的平滑、连续的正、余弦波形。与传统的频率合成器件相比，DDS是全数字化实现，具有高分辨率、高转换速率、较大输出相对带宽等特点，而且便于集成。随着数字集成电路和微电子技术的发展，DDS广泛使用在电子领域，成为一种必不可少的技术[7?8]。

DDS可以通过专用的DDS芯片来实现，如美国 AD公司生产的AD985X系列芯片，可以产生高分辨率、高稳定度的信号波形。另外，利用FPGA也可以实现DDS的功能，一种是通过编写DDS程序代码来实现，另一种是通过调用已经封装好的DDS IP Core核来实现。目前大多数采用调用IP Core的方法来实现DDS功能，因为它无需编写代码，只需要对其接口进行配置后就能使用[9]。Xilinx公司为FPGA提供了预先设计好，并经过严格测试和优化过的IP Core，用户通过对Core的接口参数进行配置后就可以直接调用这些模块，这样节省了开发时间以及FPGA的逻辑资源，提高了设计效率。

4 罗盘激励器的设计

4.1 硬件设计

基于软件无线电的罗盘激励器硬件部分主要由电源电路、A/D转换电路、时钟电路、RS 232接口电路、FPGA和DSP电路、D/A转换电路以及滤波放大电路构成，其原理框图如图2所示。

图2 硬件原理框图

FPGA芯片采用Xilinx公司的Virtex?5系列XC5VLX50，它采用了60 nm级工艺，最高工作时钟能达到550 MHz，并内置多个25×18位的乘法器[10]，具有很高的运算能力。在设计中为FPGA外接PROM芯片XCF04S，它具有4 Mb存储空间，负责为FPGA进行动态加载。DSP芯片采用TI公司的C55X系列定点TMS320VC5509，最高工作频率可达到144 MHz，并为其外接FLASH芯片。DSP的地址总线、数据总线和DSP复位、DSP读写、DSP时钟等引脚都与FPGA的I/O口相连[11]，利用FPGA实现对DSP的控制，其他未使用的FPGA引脚均以悬空处理。

A/D部分采用ADI公司的AD9218芯片，具有两路输入以及10位的输出，负责对输入的两路正交低频信号进行模/数转换。D/A部分采用ADI公司单通道电流输出型10位芯片AD9760，更新频率为120 MSPS，负责对FPGA合成的数字化罗盘激励信号进行数/模转换。RS 232接口电路负责上位机与FPGA之间的通信，滤波放大电路负责对罗盘信号进行低通滤波及放大处理，时钟电路为FPGA提供外部时钟40 MHz。

4.2 软件设计

4.2.1 FPGA软件设计

FPGA是软件设计的核心部分，系统的大多数任务都是由FPGA来完成，主要实现与上位机和DSP的数据通信，对外围电路的控制以及合成罗盘信号的功能。该部分软件设计采用Verilog HDL语言，具有模块化的特点，其结构框图如图3所示。

图3 FPGA软件结构框图

A/D模块负责对A/D芯片的控制以及对两路正交低频数字化信号的锁存。RS 232模块负责接收上位机的串行指令，再通过数据总线将该指令传给DSP芯片。Morse生成器用于产生具有周期性的音频基带信号，再与音频载波进行乘法运算形成调制信号。分频器用于给系统其他模块提供特定的时钟频率，信号合成模块用于将低频信号、音频调制信号以及载波信号利用乘、加法运算合成罗盘激励信号。D/A模块负责对D/A芯片的控制，并且将信号合成模块输出的数字化罗盘信号经处理后发给D/A芯片。

设计中使用了多种IP Core，包括时钟管理DCM、双口RAM、DDS、查找表以及多个乘法器。其中DCM负责将输入的外部时钟信号进行锁相和倍频，为A/D芯片和D/A芯片提供工作时钟。双口RAM采用先写后读的模式，将DSP回传给FPGA的罗盘信号指令参数进行读操作，再写给信号合成模块。DDS、查找表以及乘法器主要用于合成罗盘信号，其中 DDS IP Core一共有两个，一个用于合成具有单值频率的音频载波，另一个用于合成具有变化频率的调幅载波，其频率控制字在上位机的控制下变化。

在配置DDS的IP Core参数时，频率控制字的配置是最为关键的地方。根据Xilinx公司的说明要求[12]，如果已知时钟为[fclk，]输出信号频率为[fout，]输出信号频率分辨率为[Δf]，则输入端口的频率控制字位数[Bθ（n）]为：

[Bθ（n）=log2fclkΔf] （5）

则DDS控制字的值[Δθ]为：

[Δθ=fout?2Bθ（n）fclk] （6）

说明在输入时钟和频率分辨率不变的情况下，若改变DDS输出信号的频率，只需改变频率控制字就能得到不同频率的输出信号。

另外，含有飞机方位角信息的低频信号是模拟罗盘信号的关键，根据数学表达式：

[cos（Ωt-θ）=cosΩtcosθ+sinΩtsinθ] （7）

该信号合成的过程为：当双口RAM读完DSP发送的指令后，将调幅载波频率所对应的控制字发送给DDS模块产生[cosωct]，将方位角度的控制字发送给查找表模块并产生[cosθ]和[sinθ，]再利用乘、加运算合成具有方位信息的低频信号。

4.2.2 DSP软件设计

DSP软件作为辅助部分，主要用于接收来自FPGA的指令，并对其进行解析再转化为控制字以及其他参数，回送给FPGA执行，从而实现了FPGA与DSP之间的数据交换。其程序的基本流图如图4所示。

图4 DSP软件流程图

DSP在上电后首先要进行锁相环、EMIF以及中断等各种寄存器的初始化，然后进入主循环。当FPGA向DSP发送指令时，DSP通过中断服务程序按字节接收指令，并按照数据协议的规定，利用校验模块判断指令的正确性，如果指令错误，则将该指令丢掉，回到初始化状态，如果指令正确，则对其进行解析，并将对应的频率和角度的控制字以及射频、模式和调幅指数的信息发送给FPGA。当指令发送完毕后程序再回到初始状态。

5 测试结果及系统性能指标

在经过硬件调试以及软件编写后，通过JTAG仿真器将软件下载到硬件板上，并且将系统232接口与计算机连接对其进行控制。利用Agilent MSO6012A型示波器对输出信号进行了测试，在此给出音频信号以及罗盘信号的波形结果，如图5，图6所示。

图5 音频调制信号波形

图6 罗盘激励信号波形

系统为输出设计了两种模式，一个为音频输出模式，即只有垂直天线的输出信号，一个为罗盘输出模式，即组合天线的输出信号。图5是摩尔斯音频调制信号波形，摩尔斯码基带频率为10 Hz，DDS产生的音频载波频率为1 020 Hz，输出峰?峰幅值为515 mV。图6为罗盘信号波形，其中低频信号频率为90 Hz，峰?峰值为1.5 V，并且方位角度为0°，调制频率为190 kHz，输出结果符合了罗盘天线信号的模型要求。

通过对系统的性能以及功能进行了测试，结果达到各项指标的设计要求，其主要技术指标如下：

（1） 频率范围：190～2 094 kHz，步进1 kHz。

（2） 角度范围：0～359°，步进1°。

（3） RF输出阻抗：50 Ω。

（4） 输入信号频率：70～100 Hz，幅度：[Vpp=]1～15 V。

（5） 稳定工作时间：≥12 h。

（6） 输出信号功率：-30 dBm±-3 dB。

（7） 方位角输出精度：≤±0.5°。

6 结 语

本文对组合天线的信号模型以及DDS原理进行了简述，并重点介绍了罗盘激励器系统硬件和软件的设计方案。系统具有程控接口，通过上位机的控制，实现了对全频段、全方位角度的罗盘信号的连续模拟，并达到了各项指标的要求。由于不同厂家生产的组合天线型号、种类居多，其规定的罗盘信号模型也有所区别，所以该方案在指标允许的情况下，只需重新设计系统软件，从而完成对输出罗盘信号的改变，这样大大节约了硬件成本以及研发时间，体现了软件无线电灵活、可重构的特点，在工程中具有一定的应用价值。

参考文献

[1] 赵冬梅，姜茂仁，王炜珽.AD9854在无线电罗盘测试信号源中的应用[J].科教信息，2007（17）：530?531.

[2] 陶玉柱，胡建旺，崔佩璋.软件无线电技术综述[J].通信技术，2011，44（1）：37?39.

[3] 薛松.软件无线电罗盘技术研究[D].成都：电子科技大学，2007.

[4] 杜永忠.罗盘（ADF）天线模仿仪的设计[D].西安：西安电子科技大学，2006.

[5] 于潞，唐金元，刘水.基于振幅比例变换法的程控型无线电罗盘信号模拟器设计[J].仪表技术，2012（7）：31?33.

[6] 于潞，唐金元.无线电罗盘信号模拟器的设计与实现[J].仪表技术，2012（5）：39?41.

[7] DU Xiao?ming， ZHANG Jun. DDS phase?locked swept source and study design [C]// 2011 International Conference on Computer Science and Network Technology. Harbin， China： ICCSNT， 2011： 146?149.

[8] 张鹏明，魏俊淦，田建学.试论DDS技术在无线电罗盘中的应用[J].机械与电子，2007（18）：98?99.

[9] 张献伟，任志良，陈光，等.基于Xilinx FPGA IP CPRE的可调正弦信号发生器设计[J].电子测量技术，2012，32（5）：1?4.

[10] 田耘，徐文波.Xilinx FPGA开发实用教程[M].北京：清华大学出版社，2008.

[11] 周渭民.基于DSP和FPGA的GPS卫星信号模拟源的硬件设计[D].成都：电子科技大学，2009.

[12] Xilinx Inc. DDS compiler v5.0 product specification [M]. USA： Xilinx， 2005.

[Bθ（n）=log2fclkΔf] （5）

则DDS控制字的值[Δθ]为：

[Δθ=fout?2Bθ（n）fclk] （6）

说明在输入时钟和频率分辨率不变的情况下，若改变DDS输出信号的频率，只需改变频率控制字就能得到不同频率的输出信号。

另外，含有飞机方位角信息的低频信号是模拟罗盘信号的关键，根据数学表达式：

[cos（Ωt-θ）=cosΩtcosθ+sinΩtsinθ] （7）

该信号合成的过程为：当双口RAM读完DSP发送的指令后，将调幅载波频率所对应的控制字发送给DDS模块产生[cosωct]，将方位角度的控制字发送给查找表模块并产生[cosθ]和[sinθ，]再利用乘、加运算合成具有方位信息的低频信号。

4.2.2 DSP软件设计

DSP软件作为辅助部分，主要用于接收来自FPGA的指令，并对其进行解析再转化为控制字以及其他参数，回送给FPGA执行，从而实现了FPGA与DSP之间的数据交换。其程序的基本流图如图4所示。

图4 DSP软件流程图

DSP在上电后首先要进行锁相环、EMIF以及中断等各种寄存器的初始化，然后进入主循环。当FPGA向DSP发送指令时，DSP通过中断服务程序按字节接收指令，并按照数据协议的规定，利用校验模块判断指令的正确性，如果指令错误，则将该指令丢掉，回到初始化状态，如果指令正确，则对其进行解析，并将对应的频率和角度的控制字以及射频、模式和调幅指数的信息发送给FPGA。当指令发送完毕后程序再回到初始状态。

5 测试结果及系统性能指标

在经过硬件调试以及软件编写后，通过JTAG仿真器将软件下载到硬件板上，并且将系统232接口与计算机连接对其进行控制。利用Agilent MSO6012A型示波器对输出信号进行了测试，在此给出音频信号以及罗盘信号的波形结果，如图5，图6所示。

图5 音频调制信号波形

图6 罗盘激励信号波形

系统为输出设计了两种模式，一个为音频输出模式，即只有垂直天线的输出信号，一个为罗盘输出模式，即组合天线的输出信号。图5是摩尔斯音频调制信号波形，摩尔斯码基带频率为10 Hz，DDS产生的音频载波频率为1 020 Hz，输出峰?峰幅值为515 mV。图6为罗盘信号波形，其中低频信号频率为90 Hz，峰?峰值为1.5 V，并且方位角度为0°，调制频率为190 kHz，输出结果符合了罗盘天线信号的模型要求。

通过对系统的性能以及功能进行了测试，结果达到各项指标的设计要求，其主要技术指标如下：

（1） 频率范围：190～2 094 kHz，步进1 kHz。

（2） 角度范围：0～359°，步进1°。

（3） RF输出阻抗：50 Ω。

（4） 输入信号频率：70～100 Hz，幅度：[Vpp=]1～15 V。

（5） 稳定工作时间：≥12 h。

（6） 输出信号功率：-30 dBm±-3 dB。

（7） 方位角输出精度：≤±0.5°。

6 结 语

本文对组合天线的信号模型以及DDS原理进行了简述，并重点介绍了罗盘激励器系统硬件和软件的设计方案。系统具有程控接口，通过上位机的控制，实现了对全频段、全方位角度的罗盘信号的连续模拟，并达到了各项指标的要求。由于不同厂家生产的组合天线型号、种类居多，其规定的罗盘信号模型也有所区别，所以该方案在指标允许的情况下，只需重新设计系统软件，从而完成对输出罗盘信号的改变，这样大大节约了硬件成本以及研发时间，体现了软件无线电灵活、可重构的特点，在工程中具有一定的应用价值。

参考文献

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[12] Xilinx Inc. DDS compiler v5.0 product specification [M]. USA： Xilinx， 2005.

[Bθ（n）=log2fclkΔf] （5）

则DDS控制字的值[Δθ]为：

[Δθ=fout?2Bθ（n）fclk] （6）

说明在输入时钟和频率分辨率不变的情况下，若改变DDS输出信号的频率，只需改变频率控制字就能得到不同频率的输出信号。

另外，含有飞机方位角信息的低频信号是模拟罗盘信号的关键，根据数学表达式：

[cos（Ωt-θ）=cosΩtcosθ+sinΩtsinθ] （7）

该信号合成的过程为：当双口RAM读完DSP发送的指令后，将调幅载波频率所对应的控制字发送给DDS模块产生[cosωct]，将方位角度的控制字发送给查找表模块并产生[cosθ]和[sinθ，]再利用乘、加运算合成具有方位信息的低频信号。

4.2.2 DSP软件设计

DSP软件作为辅助部分，主要用于接收来自FPGA的指令，并对其进行解析再转化为控制字以及其他参数，回送给FPGA执行，从而实现了FPGA与DSP之间的数据交换。其程序的基本流图如图4所示。

图4 DSP软件流程图

DSP在上电后首先要进行锁相环、EMIF以及中断等各种寄存器的初始化，然后进入主循环。当FPGA向DSP发送指令时，DSP通过中断服务程序按字节接收指令，并按照数据协议的规定，利用校验模块判断指令的正确性，如果指令错误，则将该指令丢掉，回到初始化状态，如果指令正确，则对其进行解析，并将对应的频率和角度的控制字以及射频、模式和调幅指数的信息发送给FPGA。当指令发送完毕后程序再回到初始状态。

5 测试结果及系统性能指标

在经过硬件调试以及软件编写后，通过JTAG仿真器将软件下载到硬件板上，并且将系统232接口与计算机连接对其进行控制。利用Agilent MSO6012A型示波器对输出信号进行了测试，在此给出音频信号以及罗盘信号的波形结果，如图5，图6所示。

图5 音频调制信号波形

图6 罗盘激励信号波形

系统为输出设计了两种模式，一个为音频输出模式，即只有垂直天线的输出信号，一个为罗盘输出模式，即组合天线的输出信号。图5是摩尔斯音频调制信号波形，摩尔斯码基带频率为10 Hz，DDS产生的音频载波频率为1 020 Hz，输出峰?峰幅值为515 mV。图6为罗盘信号波形，其中低频信号频率为90 Hz，峰?峰值为1.5 V，并且方位角度为0°，调制频率为190 kHz，输出结果符合了罗盘天线信号的模型要求。

通过对系统的性能以及功能进行了测试，结果达到各项指标的设计要求，其主要技术指标如下：

（1） 频率范围：190～2 094 kHz，步进1 kHz。

（2） 角度范围：0～359°，步进1°。

（3） RF输出阻抗：50 Ω。

（4） 输入信号频率：70～100 Hz，幅度：[Vpp=]1～15 V。

（5） 稳定工作时间：≥12 h。

（6） 输出信号功率：-30 dBm±-3 dB。

（7） 方位角输出精度：≤±0.5°。

6 结 语

本文对组合天线的信号模型以及DDS原理进行了简述，并重点介绍了罗盘激励器系统硬件和软件的设计方案。系统具有程控接口，通过上位机的控制，实现了对全频段、全方位角度的罗盘信号的连续模拟，并达到了各项指标的要求。由于不同厂家生产的组合天线型号、种类居多，其规定的罗盘信号模型也有所区别，所以该方案在指标允许的情况下，只需重新设计系统软件，从而完成对输出罗盘信号的改变，这样大大节约了硬件成本以及研发时间，体现了软件无线电灵活、可重构的特点，在工程中具有一定的应用价值。

参考文献

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[4] 杜永忠.罗盘（ADF）天线模仿仪的设计[D].西安：西安电子科技大学，2006.

[5] 于潞，唐金元，刘水.基于振幅比例变换法的程控型无线电罗盘信号模拟器设计[J].仪表技术，2012（7）：31?33.

[6] 于潞，唐金元.无线电罗盘信号模拟器的设计与实现[J].仪表技术，2012（5）：39?41.

[7] DU Xiao?ming， ZHANG Jun. DDS phase?locked swept source and study design [C]// 2011 International Conference on Computer Science and Network Technology. Harbin， China： ICCSNT， 2011： 146?149.

[8] 张鹏明，魏俊淦，田建学.试论DDS技术在无线电罗盘中的应用[J].机械与电子，2007（18）：98?99.

[9] 张献伟，任志良，陈光，等.基于Xilinx FPGA IP CPRE的可调正弦信号发生器设计[J].电子测量技术，2012，32（5）：1?4.

[10] 田耘，徐文波.Xilinx FPGA开发实用教程[M].北京：清华大学出版社，2008.

[11] 周渭民.基于DSP和FPGA的GPS卫星信号模拟源的硬件设计[D].成都：电子科技大学，2009.

[12] Xilinx Inc. DDS compiler v5.0 product specification [M]. USA： Xilinx， 2005.