基于GUI和矢量信号源的微波着陆信号模拟器设计*

冯翔，张斌

（空军工程大学信息与导航学院，西安710077）

基于GUI和矢量信号源的微波着陆信号模拟器设计*

冯翔，张斌

（空军工程大学信息与导航学院，西安710077）

提出了基于GUI和矢量信号源的微波着陆信号模拟器设计方法。首先利用MATLAB图形用户界面开发环境设计了集信号参数设置、干扰模拟和基带数据生成于一体的基带波形仿真功能；其次提出了一种改进的扫描波束模拟方法，实现了对微波着陆扫描信号的精确模拟；最后利用矢量信号源MG3700A对基带数据进行混合调制。测试结果表明，该信号模拟器达到设计要求。

微波着陆系统，信号模拟器，信号参数，图形用户界面，矢量信号源

0 引言

微波着陆系统（MLS）是新一代飞机精密引导着陆系统，为等待着陆的飞机提供方位、仰角和距离信息，是我军最重要的精密着陆系统［1］。灵活可靠的信号模拟器对于微波着陆系统的测试和校准有着重要的意义。

当前信号模拟器的设计方法大致可分为以下两类。一类是专用的信号模拟器，国外对这种模拟器的研究比较成熟，已经有型号产品提供，例如美国IFR公司生产的MLS-800，但是价格昂贵［2］。另一类是信号边界固定的信号模拟器，这类信号模拟器先由计算机完成目标信号的计算，形成数据文件，再将数据文件通过PCI总线等方式传入FPGA与DSP，实现信号的实时模拟［3］。这种方法设计的信号模拟器成本低，应用广泛。但也存在以下3个问题：一是快速灵活的基带数据生成对人机交互提出了比较高的要求，人机交互界面的设计成为该类信号模拟器设计中的一个重要环节；二是由于不同设计人员的设计思路和硬件实现方法不同，使得设计的产品难以维护，测试方法难以通用，这成为MLS测试中需要解决的实际问题；三是在硬件电路设计好后，信号的边界已经固定，使得难以在今后的使用中根据实际情况添加扩展功能。

本文介绍的信号模拟器设计方法充分利用了GUI将人机交互和MATLAB强大的仿真功能结合的优点，使得基带数据的生成和波形仿真完全由人机交互界面独立实现，再利用矢量信号源实现基带数据的混合调制，有效克服了前述信号模拟器设计中的缺点。不仅具有成本低，参数设置灵活，人机交互性能良好的优点，而且由于基带数据的生成完全依靠软件实现，使得可以根据实际需要添加各种扩展功能，大大缩短了系统调试的周期和成本。另外，采用专业仪器仪表公司生产的矢量信号源MG3700A代替FPGA实现信号的调制，既保证了信号模拟的精度，又便于配发和维护。

1 矢量信号源MG3700A简介

1.1MG3700A主要性能指标

安立公司生产的矢量调制信号源M3700A在标准配置情况下不仅能产生目前第2代和第3代移动通信所需要的信号，而且能产生第4代移动通信和无线局域网系统所需要的信号，它为基站、无线电话等无线设备的研发和生产提供了快速有效的解决方案［4］。其主要性能指标如表1所示。可见，该矢量信号源完全满足MLS信号模拟的要求。

表1 M3700A主要指标

1.2MG3700A基本操作流程

MG3700A具有自带的波形数据转换文件IQproducer，为矢量信号源的使用提供了许多方便。在MLS信号模拟过程中使用MG3700A的基本操作流程为：首先实现计算机和MG3700A的配置连接；然后利用IQproducer将基带波形文件转换为波形数据文件，并在time domain选项中查看峰值是否超限，波形是否削顶；最后将生成的波形数据文件下载到MG3700A内，完成对基带数据的调制。

2 系统工作原理

2.1MLS基本工作原理

MLS依据时间基准波束扫描原理工作，由地面设备和机载设备组成［5］。MLS为待着陆飞机提供航向信息、下滑信息和距离信息，实现飞机的着陆引导［6］。MLS的测角通过时基扫描波束（TRSB）技术实现。MLS的地面设备的相控阵天线辐射一个很窄的扇状波束，在覆盖区内以恒定速度进行“往”、“返”扫描，机载设备接收“往”扫脉冲与“返”扫脉冲，通过测量“往”扫脉冲与“返”扫脉冲的时间差就可获得相应的角度信息。制导角度值与脉冲间隔时间差之间的关系为：

式中，θ为角度值；t为飞机接收的往返脉冲时间差；T0为0角度进近时飞机接收到往返脉冲时间差；V为扫描速率。MLS测距算法为询问应答双程脉冲测距，由独立的测距设备精密测距器（DME/P）测量，在系统固定时延确定的情况下，测出询问信号与回答信号之间的时间间隔就可解算出距离信息。

2.2MLS信号格式

MLS信号是一个时分发射的信号，采用了混合调制方式。MLS的方位信号、仰角信号和数据信号在统一频率上时分发播，不同功能的信号占有各自的发射时隙［1］。调制方式上，MLS既有幅度调制还有BPSK调制和脉冲调制方式，可见MLS信号具有一定的复杂性。MLS信号格式如图1所示。本信号模拟器设计中所有MLS基带信号的生成，包括功能识别码，基本数据字内容，辅助数据字内容及地址完全按照ICAO附件10［7］的要求完成。

图1 MLS信号格式

2.3IQ调制原理

IQ调制原理又称为正交调制原理，它表明一个调制信号可以等价为两路相互正交的信号分别与cos（ωct）和sin（ωct）调制后的信号合成，即：

实际上I（t）和Q（t）是与s（t）有关的两路相互正交的基带信号，设s（t）的基带信号为sb（t），则sb（t）可表示为：

本信号模拟器在生成MLS基带信号时I路是基带数据信号，Q路是与I路等长的全0信号，这样做不但保证了I路与Q路的正交性，而且简化了信号的生成。

3 人机交互界面设计

3.1主界面布局

MATLAB的GUIDE中提供了多种设计模板，可以快速实现人机交互界面的搭建，同时在添加好所用元素后会自动生成对应的M文件框架，是一种高效的面向对象的界面设计方法。在界面的布局上，按不同的功能划分不同的模块，尽量做到简洁明了，整个主界面主要划分为主波束设置，多径波束设置，数据字设置，干扰模拟这几个模块。

3.2主波束设置模块

MLS的相控阵天线生成扫描波束的质量直接影响到MLS的角度测量精度。主波束设置模块中的参数设置项主要根据影响主波束质量的因素进行设置。角度设置项主要用来模拟扫描波束的角度；电平设置项主要用来模拟扫描信号的功率；波束宽度设置项用来设置扫描波束的宽度，它是影响扫描波束质量的关键因素。

3.3多径波束设置模块

多径信号会对角度信号产生比较明显的干扰，机场在选址和建设时对多径信号有多种防范措施，但远处的山体或机场中的建筑物（主要是表面较光滑的大型的机棚），仍然会形成多径干扰，不过产生的多径信号的径数已经很少。多径设置模块主要通过多径延迟和多径信号强度这两个参数模拟单径的多径角度信号，用于测试机载设备对多径信号的可容忍度，如果后续应用中需要加强多径干扰的模拟，可以进行扩展，只要增加相应选项和代码即可。

3.4干扰模拟模块

干扰模拟模块主要模拟两种干扰，一种是背景噪声，主要测试机载接收机的灵敏度；另一种是螺旋桨调制干扰。所谓螺旋桨调制是指对于带有螺旋桨的飞机，如果机载接收机天线装在螺旋桨的后侧，则由于螺旋桨对电波的周期性阻断，使得接收机收到的信号成为一个调幅信号，对接收机的处理产生不利影响。由于现在基本都是喷气式飞机，螺旋桨调制干扰的模拟作为扩展项，按实际情况选定是否添加该功能。

3.5数据字设置模块及界面中的参数传递

由于MLS的数据字种类较多，内容也各不相同，考虑到界面设计的简洁性，数据字设置采用调用子界面的方法实现，用户只要点击相应的按钮就会弹出相应的数据字设置界面，设置完成后关闭即可。采用这种方法可以提供比较好的人机交互，但也使得界面之间的参数传递变得十分关键，单一的参数传递方法实现起来比较困难。结合GUI的特点，同一界面内采用GUI数据（handles结构体）传递数据，handles结构体在GUIDE生成界面时会自动生成。对于需要在界面之间快速传递的变量数据，统一采用全局变量的方法传递，对于需要实时保存的变量数据采用调用save与load函数的方法实现保存和加载。

4 基带数据生成

4.1程序设计

基带数据生成采用模块化的编程思想，按照主界面、数据字设置子界面、波形显示子界面3部分编写。MLS基带数据的生成和波形仿真统一在波形显示子界面中编程实现，主界面通过调用子界面完成相应功能，程序流程图如图2所示。

图2 基带数据生成流程图

4.2改进的扫描波束模拟方法

扫描波束模拟是方位和仰角信号模拟中的关键部分，实际测试中要求扫描波束的波束宽度可调，这成为波束模拟中的难点。波束宽度是指扫描波束主波束-3 dB处的宽度。以往的文献中采用sinx/x的形式模拟扫描波束，这种方法虽然可以形象地模拟扫描波束的主瓣和旁瓣，但是这种方法不适合快速模拟宽度可调的扫描波束［13］。

针对这一问题，本文提出了改进的扫描波束模拟方法，即利用主瓣等效替代模型对扫描波束进行建模。主瓣等效替代模型为：

其中，B为3 dB主瓣波束宽度。

主瓣等效替代模型一般用于多径条件下测角误差的分析，它用同等宽度的高斯钟形脉冲替代扫描波束的主瓣，可以快速分析多径条件下接收机的测角误差［11-13］。根据MLS机载接收机原理，机载接收机并不是利用整个扫描波束来完成角度的解算，而是先检出峰值电平，再以此电平为标准设置3 dB门限，高于该门限的部分才能进入接收机，用于解算角度信息。所以对于机载接收机来说，波束主瓣中高于3 dB门限的部分才是有用信号，天线副瓣和主瓣中低于3 dB门限的部分可以不做考虑。MLS信号源作为MLS机载接收机的测试设备，用这种方法对扫描波束建模，在原理上是可行的。

假设扫描波束宽度为3，两种形式的扫描波束对比及误差仿真如图3所示。

图3 采用主瓣替代后的误差仿真

分析图3可知，在3 dB门限以上的范围内，采用主瓣等效替代后的误差几乎为0。因此，在不考虑波束旁瓣影响的情况下，用主瓣等效替代的方法模拟扫描波束是一种准确有效的波束模拟方法。

4.3基带波形仿真

设置方位模拟角度为16°，仰角模拟角度为10°，波束宽度为3，前导码和数据字电平为1 dB，扫描波束电平为9 dB，多路径波束电平为0.05 dB，基带信噪比为30 dB，多径时延为500 us的基带仿真波形如图4所示。

图4 MLS基带信号

5 矢量信号源输出信号分析

5.1扫描信号分析

设置方位信号角度为16°，将生成的基带信号导入矢量信号源，用示波器测量往返扫描脉冲之间的时间间隔Δt。示波器测试图如图5所示。

图5 实测方位扫描信号

根据MLS信号格式，飞机以零角度进近时收到的方位信号往返扫描脉冲间的时间差为6.8 ms［1］，天线波束的扫描速度为20 000°/s，示波器测得的往返扫描脉冲间的时间差为5.20 ms，根据2.1节式（1）计算得到的制导角度值：

可见实测值与预设值是相符的，说明该信号模拟器角度的模拟是准确的。

5.2多径信号分析

设置多径时延为500 us，矢量信号源输出的多径信号波形如图6所示。

图6 实测多径信号

用示波器测得的方位扫描脉冲和多径信号脉冲之间的时间间隔也为500 us，可见多径时延的预设值与实测值完全相符。

6 结论

本文提出的基于GUI和矢量信号源的信号模拟器设计方法，有效解决了MLS信号模拟中信号参数难以快速、灵活设置以及人机交互不便的问题，并且采用改进的扫描波束模拟方法，大大简化了扫描波束的建模，实现了扫描波束宽度的快速精确模拟。经过试验，该信号模拟器可以灵活快速地模拟MLS信号，各项指标达到预期的设计目标。这种信号模拟器的设计方法还可用于其他导航系统信号模拟器的设计。

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Design of Microwave Landing Signal Simulator Based on GUI and Vector Signal Generator

FENG Xiang，ZHANG Bin
（School of Information and Navigation，Air Force Engineering University，Xi’an 710077，China）

A design method of microwave landing signal simulator based on GUI and vector signal generator is proposed in this paper.First，a human-computer interaction interface with the function of signal parameters setting，interference simulation and baseband data generation is designed by MATLAB GUIDE.Second，an improved method of the scanning beam simulation which can realize accurate simulation of the microwave landing scanning single is proposed.Finally，baseband data is hybrid modulated by using vector signal generator MG3700A.The test results show that the signal simulator meets requirements of design.

microwavelandingsystem，signalsimulator，signalparameter，GUI，vectorsignal generator

TN955

A

1002-0640（2016）11-0158-05

2015-10-11

2015-11-02

国家自然科学基金资助项目（61273048）

冯翔（1991-），男，甘肃天祝人，硕士研究生。研究方向：军用无线电导航。