浅谈多普勒甚高频全向信标的数字化设计

冉银龙

（四川九洲空管科技有限责任公司，四川 绵阳 621000）

0 引言

多普勒甚高频全向信标根据其安装位置可分为航路DVOR和终端DVOR，是一种工作在甚高频波段，为装有相应设备的航空器提供其相对于该地面设备磁方位信息的导航设备[1-2]，使飞行员操纵飞机沿预选的航路飞行或进场着陆。我国导航系统建设的战略目标中明确提出了继续完善发展陆基导航系统，提供保证安全和交通流量所需的基础导航设施设备，并具备相应的冗余能力和备份能力，实现陆基导航系统和星基导航系统并存发展的双轨导航体制和技术政策。

1 多普勒甚高频全向信标的功能及工作原理

1.1 多普勒甚高频全向信标的功能

多普勒甚高频全向信标是利用多普勒效应原理研制的一种全向信标系统，其基本功能是为机载VOR接收机提供一个复杂的无线电信号（含30Hz基准相位信号和30Hz可变信号相位），经机载VOR接收机解调后，测试出地面甚高频全向信标台相对于飞机的VOR方向（以飞机所在位置磁北方位为基准，顺时针方向转至飞机与地面VOR信标台之间连线的夹角）[3]。飞行员在获得VOR方向后就可以根据此方向与预设的飞行方向进行对比和修正，从而保证飞机按照正确的飞行路线进行飞行或者降落。

1.2 多普勒甚高频全向信标的工作原理

多普勒效应是由于某种辐射源，如声源、光源或其他波源等的运动，或者观察者的运动，使观察者所接收到的声频、光频或其他波的频率发生改变的一种现象[4]。其实质就是辐射振荡源与接收点之间存在有相对运动时，从而导致接收设备接收到的振荡信号频率与辐射源发射的振荡信号频率发生偏差：接收设备向辐射源做相向运动时，接收到的频率大于振荡信号的发射频率，背向运动时接收到的频率小于振荡信号的发射频率，这两者之间的差值被称为多普勒频率或多普勒频移。多普勒甚高频全向信标是利用多普勒效应的原理，通过载波天线与边带天线分别发射基准相位信号和可变相位信号，机载VOR设备在接收到两个相位信号后进行相位比较求其差值，该差值即为飞机在磁北方向与多普勒甚高频全向信标台之间的夹角。

2 多普勒甚高频全向信标总体架构

以目前国内民航机场大量安装的AWA公司生产的VRB-51D型DVOR来讨论多普勒甚高频全向信标总体架构，根据AWA公司的技术资料，VRB-51D型DVOR由VRB-51D（1A71111）发射机柜和一套天线系统[5]构成。

天线系统由天线分配开关和49个阿尔福特（Alford）环形天线组成，其中48个天线安装在地网上面，直径为13.5m的圆周上，称之为边带天线，1个安装在圆中心，称之为载波天线。此外，还有1个八木监控天线安装在距离载波天线60-200m之间的位置。

单机构成的VRB-51D发射机柜由多种监视器、控制/遥控组件、多种信号生成器、放大组件及电源组件等共计21个模块/组件安装在6个框架中，当双机备份时由两个VRB-51D发射机柜和1个1A71697型继电器单元组成（共计47个模块/组件）[6]。VRB-51D发射机柜组成框图如图1所示。

图1 VRB-51D发射机柜组成框图Fig. 1 Composition block diagram of VRB-51D transmitter cabinet

3 多普勒甚高频全向信标的数字化设计

3.1 数字化设计的方法

根据DVOR的技术指标要求、工作原理，参考VRB-51D型DVOR发射机柜中共21个模块/组件的功能及其实现方法，可将其中大部分模块进行数字设计，合并为电源组件、监控器模块、信号激励源模块、边带放大器模块、载波功率放大器模块、射频切换单元、控制单元等共7种模块/组件（双机备份时为14个模块/组件）。且在进行数字设计后，模块的体积大大较小，因此在模块合并和小型化后将双机备份状态安装在1个机柜中，从而极大的较少了模块/组件数量，增加了系统的稳定性、可靠性、维护性，方便系统的安装和维护。

在合并后的模块/组件中电源组件、边带放大器模块、载波功率放大器模块分别为电源转换和发射功率放大模块，其中大部分器件仍然为模拟器器件，数字小型化设计对体积的改变较小，因此多普勒甚高频全向信标的数字化设计主要体现在监控器模块、信号激励源模块和射频切换单元模块。

3.2 监控器模块的数字化设计

监控器模块主要完成与控制单元之间的通信及空间合成信号的接收、解析和判断。其数字化设计方式为：（1）模块内部的ARM通过SPI总线与控制单元进行通信，获取系统控制指令和工作参数，同时根据获取的监测数据判断设备是否正常工作；（2）FPGA内部的控制命令和参数下传功能模块完成向信号激励单元模块和射频切换单元模块的传递；（3）FPGA内部的天线转换单元时序功能块完成边带天线控制时序的产生并发送给射频切换单元模块；（4）FPGA内部的监控数据收发模块完成对空间合成信号的接收和解析，并将解析后的数据上报到本地控制单元；（5）FPGA内部的告警指示模块根据监控数据收发模块解析的数据完成对告警指示灯的控制。通过ARM加FPGA及其外围电路的方式，利用其强大的通讯能力和控制能力、逻辑控制能力及数字处理能力，将VRB-51D型DVOR中的4种监控器和1个控制单元合并为1个模块/组件，极大的减少了组件数量。监控器功能原理框图如图2所示。

图2 监控器功能原理框图Fig.2 Block diagram of monitor function principle

3.3 信号激励单元的数字化设计

信号激励单元的主要功能是完成1路载波信号和4路边带信号的产生。其数字化设计的方式为：采用射频数字化调制方案，由射频信号生成、模拟处理、数据处理、时钟电路、故障检测、电源转换等功能电路组成。（1）射频信号生成电路主要由频率综合器件组成，完成5路调制信号的幅度、频率、相位产生及调整控制；模拟处理单元完成对射频信号的开关切换、滤波、放大。（2）数据处理单元在FPGA中以软件方式实现，由Data_Conv、DDS、CSB、USB/LSB 模块组合实现。（3）时钟电路由时钟生成器AD9516[7]和ADCLK846[8]组成，生成电路中各路频综的参考时钟900MHz，和FPGA参考时钟80MHz。（4）故障检测电路功能主要包括激励源调制通道故障、电源、频率检测，并将故障状态信息进行上报。（5）电源转换电路由DC/DC转换单元（LTM4644）、LDO 滤波单元[9]（LP38798、ADP1741）组成，将系统电源分机提供+12V电压，经DC/DC转换后，输出+5.5V、+3.6V、+2.2V、+1.0V 等电压；其中+5.5V、+3.6V、+2.2V经LDO滤波输出具有高电源纹波抑制比（PSRR）的+5V、+3.3V与+1.8V，作为信号激励源中模拟电路的低纹波电源供电。通过频率综合器件、FPGA及时钟生成器等数字器件，在1个模块中可以完成VRB-51D型DVOR中5种信号产生器及3种调制、驱动和保护组件。信号激励单元的功能原理框图如图3所示。

图3 信号激励单元功能原理框图Fig. 3 Schematic diagram of functional principle of signal excitation unit

3.4 射频切换单元的数字化设计

射频切换单元模块的主要功能为主备机射频切换、通道检测及发射信号有线闭环检测。因此射频切换单元的数字化设计主要体现在监控检测和发射信号有线闭环检测两个方面，其实现方式为：1）通道检测功能：定向耦合器输出的反向耦合信号经功率衰减、AD采样后送FPGA，FPGA根据采样数据完成信号幅度的判断，并幅度大小完成通道检测功能；2）发射信号有线闭环检测功能：由定向耦合器输出的正向耦合信号经功率衰减、AD采样后送FPGA，由FPGA内部的DDS模块完成数字解调及运算后得到信号的功率、频率、相位[10]，由SPI总线将信号的参数回传至信号激励单元，实现发射功能的闭环校准。射频切换单元的功能原理框图如图4所示。

图4 射频切换单元功能原理框图Fig. 4 RF switching unit functional schematic diagram

4 结论

本文通过对照AWA公司生产的VRB-51D型DVOR的功能组件构成，通过数字设计，将其由21种模块/组件合并为7种模块/组件，并详细阐述了监控器、信号激励单元和射频切换单元的数字化设计和实现方式，极大的减少了模块/组件数量，增加了整机的稳定性、可靠性、维护性，方便系统的安装和维护，对多普勒甚高频全向信标的数字化设计、研制工作具有积极意义。