基于矢量信号发生器的MLS信号产生与校准研究

刘云飞，舒轶昊，张建明，臧传蕾

（1.海军航空大学青岛校区，山东青岛，266041；2.中国人民解放军91001部队，北京，100036 ；3.中国电子科技集团公司第二十研究所，陕西西安，710068）

0 引言

微波着陆（MLS）是精密引导系统，为飞机提供相对于着陆点的方位、仰角及距离信息，微波着陆信号的模拟对地面设备和机载设备测试起着至关重要的作用，传统方法是应用模拟器实现微波着陆信号的生成，为地面设备和机载设备提供方位、仰角、数据及射频电平等定标指示，当模拟器设计完成后，其信号边界已经确定，如果需要对扫描信号波束宽度、波束间隔及数据码速率、相位调制等特性进行调整，这种情况下模拟器就显得无能为力。

微波着陆信号体制基于时分多路复用技术（TDM），各种制导功能和数据传输功能在同一频率上工作，各自占有一定时隙，信号中既有数字信号，也有模拟信号，数字信号采用DPSK调制，模拟信号主要包括覆盖区外指示信号(OCI)及用于角度测量的“往”、“返”扫描脉冲。

微波着陆信号模拟、校准是微波着陆系统的重要环节，直接影响地面、机载设备的功能、性能测试。目前通常应用微波着陆模拟器实现信号模拟，而角精度的校准是通过对功率放大的模拟信号进行模拟检波，应用示波器测量检波信号扫描波束之间的时间间隔，经计算得到角精度，DPSK性能，将微波着陆信号下变频，分别存储相位变化前后的两个中频信号，通过比较两个波形的相位和幅度变化实现。

随着矢量信号的产生与分析、研究的不断深入，矢量信号产生器、矢量信号分析仪（Vector signal analysis，VSA）已广泛应用于雷达、导航、通信等各领域，矢量信号产生器基于IQ调制，结合适当的编程工具，实现MLS信号的调制输出，通过调整信号源可对输出功率、包络和脉内调制等作精确控制，基于高速数字示波器采集矢量信号发生器输出的扫描波束信号，可实现微波着陆角度信号校准；应用矢量信号分析仪测试矢量信号发生器输出数据信号的EVM特性，可实现数据信号相位误差、矢量幅度误差（EVM）的等性能标校，最终完成瞬变MLS信号的快速、准确、高效测量及校准。

1 MLS信号格式

1.1 MLS信号特性

微波着陆地面设备由方位制导设备、仰角制导设备和精密测距仪及基本数据传送系统组成，MLS数据传输系统向飞机提供用于精密进近和着陆的必要信息，分为基本数据和辅助数据，基本数据包括地面设备识别、信号覆盖范围、可用最低下滑道、MLS设备性能级别和所用频道等与着陆有关的数据，而辅助数据一般包括地面设备的安装状况、航空气象情报、跑道状况和其他辅助信息。

MLS地面台信号的发射采用了时分多路复用技术，全部角度制导信息和数据都在同一频率上发射，不同功能的信号都占有自己的发射时隙，在每个发射时隙前部用差动相移键控（DPSK）调制的前导码来区分不同的模块。图1是微波着陆高速方位功能信号的构成。

图1 高速方位制导功能的信号格式

前导信号包括载波截获段、巴克码和功能识别码三部分，全部信号在±42º(对于高速方位制导功能)的比例覆盖区中发射，载波截获段中有段同步头，它是一段未经调制的纯载波，接着是用差分相移键控（DPSK）调制的编码，共占832us.差分相移键控是利用前后码元之间载波相位的相对变化来传递信息的一种编码方式。

接收机基准时间码即同步码，采用5位Barker码，其固定形式为11101，其功能是使接收机产生一个基准时间，各个功能格式中的其他码均严格按照基准时间而产生。

对于不同的功能来说，扇区信号的内容也有所不同，对方位制导功能而言，由地面设备识别码、机载天线选择脉冲、覆盖区外指示（OCI）信号和接收处理器检查脉冲组成。

1.2 角度测量原理

MLS的测角基于时基扫描波束技术，MLS地面设备辐射一个很窄的扇状波束，在相应的覆盖区域内进行往返扫描，对方位台而言，扫描波束在水平范围内的顺时针和逆时针扫描，对仰角台则相对于向上和向下扫描。接收机在接收到“往”扫和“返”扫两次扫描波束后，测定其时间差，这个时间差值的大小与飞机在空中相对于跑道的角位置有直接关系，由此得到飞机在空中的角位置。

其中: θ——方位（或仰角）制导角度值（º）；

t——任意进近角时飞机接收到“往”和“返”脉冲之间的时间差；

T0——以零角度进近飞机时接收到“往”和“返”脉冲之间的时间差；

以高速方位为例，此时最大扫描角度为-42º～+42º，扫描速度v=20º/ms，往返扫描两次经过中心0º之间的时间T0=4.8ms。

2 基于矢量发生器的MLS信号产生

Agilent E4438C矢量信号产生器频率覆盖范围为250KHz～6GHz,可以产生各种复杂的调制信号，具有优良的输出功率、低相位噪声、精确的频率稳定性，满足MLS接收机从中频到射频调试的需要。

2.1 IQ调制原理

矢量信号产生器是基于IQ调制输出矢量信号的，IQ调制又称正交调制，矢量调制信号可等效为两路基带信号与相互正交载波信号调制后的信号合成，即：

2.2 N5182A矢量信号发生器性能

Agilent N5182A是目前工程上常用的矢量信号发生器，其主要技术性能如表1所示。

表1 Agilent N5182A矢量信号发生器性能

2.3 软件工具及编程

2.3.1 MATLAB

应用MATLAB作为PSG的波形编码程序，可以将数字波形从MATLAB移入PSG矢量信号产生器内的任意波形发生器。

2.3.2 Download Assistant

Agilent公司Download Assistant程序将IQ波形送入任意波形发生器内。此外，Download Assistant还将MATLAB的关键词添加到数据控制程序上，并将数据数组通过GPIB或LAN借口送入信号发生器。

2.3.3 Agilent IO Libraries Suite

应用Agilent IO Libraries Suite程序，可以很方便的把计算机与测试仪器连接起来，这个程序包含PC机与仪器相连需要的库函数，使计算机编程控制仪器、发出指令并接收相应的数据。

2.3.4 应用LAN借口实现计算机与仪器之间连接

LAN接口提供了一种计算机与仪器之间廉价高速的连接方式，通过该网口可以实现计算机与测试仪器的可靠通信，另外Agilent IO Libraries Suite 可以自动扫描，识别并配置测试仪器与计算机，当计算机与测试仪器连接正常后，该软件可以自动监测到所连接仪器类型与连接状态。

2.4 编程中的一些问题

由于MLS信号中包含有多种调制方式，既有简单的脉冲调制还有比较复杂的幅度调制，还包含DPSK数字调制，对幅度及相位的调制精度都有很高的要求，在一般的测试仪器中很难模拟出来，而现在通过对矢量信号产生器进行编程可以很方便的实现。

2.4.1 时钟设定

Agilent N5182A矢量信号产生器中任意波形发生器的时钟频率设置范围从1Hz到100MHz,为了对提高调制精度，时钟频率设置为smplclk=100MHz,这便使时间与波形中的每一点都联系起来，此时波形中的每一点占据10ns.

2.4.2 数据信号中前后沿的控制

为了合理控制脉冲的上升时间和下降时间，避免在数据信号前后沿产生不必要的过冲信号，还能满足数据信号上升下降沿的需要，在程序中将脉冲分成四个部分：上升(rise)、工作(on)、下降(fall)和切断（off），脉冲的工作和切断应用ones和zeros函数来进行填充。

脉冲的上升沿和下降沿利用升余弦函数特性，为了构建两个预选波形，程序中利用函数ramp=-1:2/n:1-2/n形成-1线性斜升到+1启动，对于斜坡函数，若线性斜升继续下去，则跟在数组中最末点之后的点将精确为1，斜坡函数常常乘以作为函数一部分的π的某一倍数，以形成正弦波。

在脉冲上升沿，将斜坡乘以±π/2，然后取结果的正弦，这将给出具有第一点为-1，最末点接近+1的正弦波的中心，向结果加1并除2便给出所需波形，最终方程有下列形式：

rise=(1+sin(ramp*pi/2))/2

同理，数据信号的下降沿也同上设置。

2.4.3 控制输出功率

信号发生器的输出脉冲功率，由MATLAB来控制是很方便的，当时，信号发生器输出脉冲功率等于面板功率点平，MATLAB设定输出功率的命令（应用Download Assistant）为：

[status,status_description]=age_sendcommand(io,’power-60’)。

2.4.4 码元之间的相移

由于MLS数据信号为DPSK调制，码元宽度为64us，在程序中可以利用am(调幅)波形乘以pm（调相）波型的正弦或余弦来完成IQ变换，码元之间的相差为0º则pm相位为0，若为π，则pm相位为π，这样就形成码元之间的相移，输出DPSK调制信号。

2.4.5 扫描波束的编程输出

根据天线的方向图，这里我们可以很方便的应用MATLAB语言编辑出sinc函数描述的幅度调制波形，波形函数为abs(sinc(1*(10e-5)*(n1-20000))),再与相位调制相乘得出扫描波形，此时既有主瓣信号，也有旁瓣信号输出，与实际扫描波形非常接近。

3 MLS信号测试校准

3.1 角度测试

以往MLS角度测量，首先是对信号进行功率放大，然后检波变成视频信号，应用数字示波器测量角度信号扫描波束之间的时间间隔，经计算得到角度，这种方法不但需要的仪器较多，包括功率放大器、射频检波器和数字示波器，而且，经过这些器件后，信号可能会存在一定失真，影响测量精度。随着测试仪器功能、性能的不断提高，应用高速数字示波器对MLS信号进行直接采样，通过数学运算即可实现MLS角度测量。这里采用Tek公司的DPO71254B数字示波器，其允许输入信号频率为12GHz，最高采样率为50GHz，以高速方位为例说明MLS角度的测量方法。

标校过程如下：

矢量信号发生器生成波束宽度为100μs（相当于天线扫描波束宽度2°），高速方位角为0°（“往”、“返”扫描脉冲时间间隔为4.8ms）的微波着陆信号。计算机控制下，应用数字示波器采集矢量信号发生器输出射频信号，经过Hilbert变换获得信号包络。

由于“往”“返”两扫描波束的时间间隔表征MLS角度，应用示波器测量“往”扫描波束的上升和下降沿的70%点至“返”扫描波束的上升和下降沿的70%点之间的时间间隔t升、t降（如图2所示），测试结果：t升=4.8002564ms，σ升=345.3ns，t降=4.8002039ms，σ降=313.4ns。

图2 MATLAB基带波形

图3 微波着陆角度信号标校示意图

图4 微波着陆方位信号测试示意图

图5 数字示波器MLS信号测试

按以下公式计算往、返扫描波束时间间隔；

按以下公式计算角度：

式中：θ0——角度测量值，（°）；

T——角度为0时，往、返扫描波束的时间间隔，高速方位为4800μs；

t——往、返扫描波束时间间隔，μs；

V——扫描速度比例常数，为0.02°/μs。

3.2 DPSK调制特性测试

由于MLS信号采用了IQ正交调制技术，数字调制信号可以用IQ两路来表示，为了衡量这种IQ正交调制信号质量，把这个信号当作一个矢量来分析，这个矢量信号可以映射到星座图(Constellation)的I轴（横轴）Q轴（纵轴）上，可以分别对IQ两路信号进行分析，测试出矢量调制的信号质量。应用Agilent 89601矢量信号分析仪可以对Agilent N5182AC输出的DPSK数据信号进行各项指标测试，其中包括EVM、幅度误差、相位误差及星座图等等。

3.2.1 EVM

EVM为误差矢量信号平均功率的平方根值和参考信号平均功率的平方根值之间的比值，实际也就是误差矢量信号和参考信号的均方根值（RMS：Root Mean Square）之间的比值，并把这种比值以百分比的形式表示。其中，参考信号为被测信号经过测试仪器理想的解调恢复出来的，误差信号为测量信号和参考信号的矢量之差。实际测量EVM=3.85%。

3.2.2 幅度误差

幅度误差为测量信号和参考信号幅度之差的均方根值与参考信号幅度的均方根值之间的比值，并以百分比的形式表示，实际测量Mag Error=3.76%。

3.2.3 相位误差

相位误差为测量信号和参考信号相位之差的均方根值，实际测量Phase Error=482.84mdeg。

3.2.4 星座图

数字系统采用了IQ正交调制器，信号被分成了相互正交的两部分 I（In- phase）路和 Q（Quadrature）路信号。在坐标轴上，以I路为横轴和Q路为纵轴，任何IQ调制信号都可以映射为一系列信号点，这些信号点就组成了星座图。信号点的幅度和相位就相当于信号的幅度和相位，所以星座图对于分析信号误差是一个非常有用的工具。有关测试的星座图、频谱、眼图及相关的测试数据如图6。

4 结论

通过对微波着陆系统简要分析，提出了应用矢量信号发生器产生MLS信号方法，及基于高速数字示波器和矢量信号分析对MLS信号角度、DPSK特性的校准方法，并且进行了仿真及实际测试，与传统应用MLS模拟器方法相比MLS信号特性调整灵活，并且MLS信号的EVM、幅度误差、相位误差、角精度等各项指标都有较大提高。