CN107976701A - 基于总线架构的多模导航模拟器动态可重构系统及方法 - Google Patents

基于总线架构的多模导航模拟器动态可重构系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于总线架构的多模导航模拟器动态可重构系统及方法，包括：信号调理模块，用于实现射频信号进行信号处理并输出给下变频模块；下变频模块，用于实现与下本振模块的本振信号混频后变成中频信号，并送入收发一体基带模块；收发一体基带模块，根据需要测试的无线电导航设备，通过动态可重构技术，实现导航模拟器的基带发生并输出给上变频模块；上变频模块，将输入的导航模拟基带信号与上本振模块输出的本振信号进行上变频后初步衰减后送到功率控制模块输出。本发明体积小，功耗低，成本也很低，非常适合现场与外场的小型化便携式测试需求，可方便应用于航空导航设备的现场维修测试特别是机载、舰载等导航设备的外场维修检测。

Description

基于总线架构的多模导航模拟器动态可重构系统及方法
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，特别是涉及基于总线架构的多模导航模拟器动态可重构系统及方法。
背景技术
航空无线电导航设备实现对飞机进行近中远程航行与进场着陆等引导功能，是航空电子系统重要组成部分。无线电导航设备众多，涉及微波着陆、仪表着陆、甚高频全向信标、塔康、精密测距与无线电罗盘等设备。在完成作战任务前后、日常维护等过程都需要对这些导航设备开展现场维护保障工作以确保其功能正常性和性能指标。
各类战机的无线电导航设备现场维护保障模式通常采用针对特定装备的一个个模拟器来分别完成各个设备的现场检测。为了满足各种不同型号装备现场维护保障的需求，要配备大量的现场检测模拟器，造成现场维护保障规模庞大。特别是随着导航装备的种类越来越多、装备复杂性的不断增加，专用模拟器存在着体积大、数量多、专用性强等缺点，导致装备维护保障的规模越来越庞大，维修越来越复杂，同时也不方便随飞机进行转场。
为解决模拟器小型化问题，很多公司和单位研制了基于标准总线的微波着陆、塔康、高度表、甚高频全向信标、精密测距和仪表着陆等各种导航装备模拟器模块，这些模拟器都是以独立PXI模块的结构形式来实现各个装备信号的模拟，但只能独立操作使用，还是专用模块的概念，虽然减小了体积尺寸，但模拟器数量仍然没有减少。
如图1所示，独立模块形式航空无线电导航设备模拟器组成框图，由几个PXI机箱组成，每个机箱内分别包含微波着陆模拟器、仪表着陆模拟器、高度表模拟器、无线电罗盘模拟器、甚高频全向信标模拟器、塔康模拟器、精密测距模拟器、指点信标模拟器、ATC模拟器等模拟器，最后通过射频开关模块统一路由选择输出。可以看出，每种模拟器配置了专用的模拟器模块，模块数量众多，所需体积还是比较大，重量也不轻，不便于飞机进行转场，无法满足现场与外场的小型化便携测试需求。
目前，现有技术存在以下缺点：
1，独立模块形式航空无线电导航设备模拟器配置了专用的模拟器模块，模块数量众多，所需体积还是比较大，重量也不轻，不便于飞机进行转场。
2，独立模块形式航空无线电导航设备模拟器所需模块数量众多，硬件成本高，非常不实用。
3，独立模块形式航空无线电导航设备模拟器模块多，功耗很大，体积大，无法满足现场与外场的小型化便携测试需求。
综上所述，现有技术中对于导航模拟器的使用存在着数量多体积大等的技术问题，尚缺乏有效的解决方案。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了基于总线架构的多模导航模拟器动态可重构系统，本发明采用射频收发一体与软件无线电设计结构，通过综合化射频通道技术，通过总线与桥接数字处理平台灵活按需加载多模导航模拟器，仅需要一套小型化硬件平台就可实现多种模拟器功能动态可重构与实时加载，大大减少了模块数量和体积，降低了硬件成本，满足现场与外场的小型化便携式测试需求，可方便应用于航空导航设备的现场维修测试特别是机载、舰载等导航设备的外场维修检测。
基于总线架构的多模导航模拟器动态可重构系统，包括：
信号调理模块，用于实现对需要测试的无线电导航设备发送的射频信号进行信号处理并将处理后的信号输出给下变频模块；
下变频模块，用于实现将接收的信号与下本振模块的本振信号混频后变成中频信号，并送入收发一体基带模块；
收发一体基带模块，根据需要测试的无线电导航设备，通过动态可重构技术，加载相应的FPGA程序和上位机软件，实现导航模拟器的基带发生并输出给上变频模块；
上变频模块，将输入的导航模拟基带信号与上本振模块输出的本振信号进行上变频后初步衰减后送到功率控制模块；
功率控制模块，对上变频模块输出信号进行信号处理后输出。
进一步的，所述上变频模块采用IQ调制方式，对I路和Q路基带信号进行调制后输出。
进一步的，所述收发一体基带模块中利用动态可重构技术，具体为：通过桥接FPGA配置收发一体基带平台，首先将导航模拟器的FPGA配置文件进行大端转小端变换，再通过PXI/PXIe接口传输给桥接FPGA电路，桥接FPGA电路通过收发一体基带平台的配置管脚进行动态加载，通过加载相应的导航模拟器FPGA程序与软件，实现导航模拟器的基带发生。
进一步的，所述收发一体基带模块根据模式选择是否对收入中频信号做出响应，或直接产生各导航模拟器所需的特殊制式模拟信号，并输出给上变频模块。
进一步的，上述系统中当需要模拟某个导航模拟器时，通过动态可重构实时加载相应的数字程序，调用相应的上位机软件平台程序，设置模拟器对应的本振频率和变频方式，实现所需模拟器信号的模拟。
基于总线架构的多模导航模拟器动态可重构方法，包括：
对航空无线电导航设备发送的射频信号进行信号处理；
将信号处理后的射频信号与第一本振信号混频后变成中频信号；
根据需要测试的无线电导航设备，通过动态可重构技术，加载相应的FPGA程序和上位机软件，实现导航模拟器的基带发生；
将导航模拟基带信号与第二本振信号进行上变频后初步衰减；
将衰减后的信号进行功率处理后输出。
进一步的，动态可重构技术具体为：通过桥接FPGA配置收发一体基带平台，首先将导航模拟器的FPGA配置文件进行大端转小端变换，再通过PXI/PXIe接口传输给桥接FPGA电路，桥接FPGA电路通过收发一体基带平台的配置管脚进行动态加载，通过加载相应的导航模拟器FPGA程序与软件，实现导航模拟器的基带发生。
进一步的，在将信号处理后的射频信号与第一本振信号混频后变成中频信号后，选择是否对收入中频信号做出响应，或直接产生各导航模拟器所需的特殊制式模拟信号。
进一步的，将导航模拟基带信号与第二本振信号进行上变频后初步衰减时，采用IQ调制方式，对I路和Q路基带信号进行调制后输出。
进一步的，当需要模拟某个导航模拟器时，通过动态可重构实时加载相应的数字程序，调用相应的上位机软件平台程序，设置模拟器对应的本振频率和变频方式，实现所需模拟器信号的模拟。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用软件无线电和PXI/PXIe标准总线的开放式体系架构，通过动态可重构与实时加载技术，实现微波着陆、仪表着陆等多种无线电导航模拟器的高度集成，具有体积小、功耗低、成本低与适合外场应用等优点。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为独立模块形式航空无线电导航设备模拟器组成框图；
图2为本发明多模模拟器硬件平台组成框图；
图3导航模拟器动态可重构实现框图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，机载航空导航模拟器种类众多，采用PXI/PXIe总线结构的导航模拟器模块降低了导航模拟器的体积和重量，但导航模拟器模块数量众多，体积大，重量也不轻，不便于飞机进行转场，无法满足现场与外场的小型化便携测试需求。为了解决如上的技术问题，本申请提出了基于总线架构的多模导航模拟器动态可重构系统。
现有产品中，航空无线电导航设备涉及的罗兰C接收机、罗盘接收机、指点信标、仪表着陆接收机、甚高频全向信标、塔康及精密测距、高度表、微波着陆接收机等导航设备。从各导航模拟器对应的频率范围可以获得，最低频率为100kHz罗兰C，最高频率微波着陆射频频率不超过6GHz。除微波着陆模拟器采用数字调制方式，其它模拟器均使用模拟调制方式。每种模拟器对应信号带宽都比较窄，MHz级别以下。特殊地，塔康、精密测距、高度表等模拟器除了需要信号模拟功能，还需要信号接收功能，包含接收与模拟功能。
根据以上无线电导航模拟器的频率、调制方式等特点，本发明提出一种基于PXI/PXIe总线架构的多模导航模拟器的动态可重构系统，以软件无线电体系架构为基础，采用“全数字基带+射频变频”模式，通过数字处理平台动态可重构技术实现各模拟器的实时按需加载。“射频变频”方式采用综合化射频通道技术，射频通道的频率范围覆盖100kHz～6GHz全频段，将各导航模拟器的硬件平台化。“全数字基带”方式将各模拟器的功能尽量用数字电路来实现，各模拟器除频率差别外，其它信号样式与调制方式全部用数字电路或上位机软件来实现，实现各导航模拟器软件平台化。
本申请的一种典型的实施方式中，提供了基于总线架构的多模导航模拟器动态可重构系统，该基于总线架构的多模导航模拟器动态可重构系统，采用PXI/PXIe标准总线与软件无线电体系结构，以“全数字基带+射频变频”模式为核心，通过综合化射频通道技术，将硬件平台划分为下本振模块、信号调理模块、下变频模块、收发一体基带模块、上变频模块、功率控制模块与上本振模块，硬件平台如图2所示。
其中，下本振模块，提供接收无线电导航设备信号时下变频模块混频时所需的本振信号；上本振模块，模拟各无线电导航设备信号时上变频模块变频时所需的本振信号；可见，上下本振模块作用就是分别为上变频模块与下变频模块提供本振信号。
由于塔康、精密测距、ATC与无线电罗盘模拟器涉及射频信号发送与接收，且对接收信号做出响应，本发明采用收发一体结构形式，特别是将基带信号的接收与发生做到单模块里，共享FPGA，实现接收与发送的实时交互。
由于多模导航模拟器覆盖频段最高可达6GHz，硬件平台采用综合化射频通道技术，将多模导航模拟器的模拟频段高度宽带化，通过模拟通道的复用技术，只需更换FPGA程序和上位机软件，在单通道内实现所有导航模拟器，结构简单。
航空无线电导航设备发送的射频信号经过本发明的信号调理模块进行功率衰减、放大以及滤波等处理后输出给下变频模块。在下变频模块中与下本振模块的本振信号混频后变成中频信号，并送入收发一体基带模块。
本申请中，收发一体基带模块包括PXI/PXIe总线接口、桥接FPGA电路和收发一体基带平台，PXI/PXIe总线接口，用于将上位机控制代码、数据以及FPGA程序加载到桥接FPGA电路；桥接FPGA电路，实现对上位机控制代码与数据的桥接与译码功能；收发一体基带平台，用于实现各航空无线电导航设备模拟器的基带信号采集、数字处理、数字基带信号产生与基带信号模拟调理等功能。
具体的，收发一体基带模块根据需要测试的航空无线电导航设备，通过动态可重构技术，加载相应的FPGA程序和上位机软件。如图3所示，动态可重构技术通过桥接FPGA配置收发一体基带平台，首先将航空无线电导航设备模拟器的FPGA配置文件进行大端转小端变换，再通过PXI/PXIe接口传输给桥接FPGA电路，桥接FPGA电路，实现对上位机控制代码与数据的桥接与译码功能，桥接FPGA电路通过收发一体基带平台的配置管脚进行动态加载。通过加载相应的航空无线电导航设备模拟器FPGA程序与软件，实现航空无线电导航设备模拟器的基带信号发生。收发一体基带模块根据模式选择是否对收入中频信号做出响应，也可直接产生各导航模拟器所需的特殊制式模拟信号，并输出给上变频模块。
在实际应用中，优先选用上述PXI/PXIe接口，PXI/PXIe接口用于将上位机控制代码、数据以及FPGA程序加载到桥接FPGA电路，该接口具有标准总线、速度快、适用于合成仪器等特点，当然，其他接口能够满足请的上述要求可也，本申请不做具体限定。
另外，上变频模块将输入的导航模拟基带信号与上本振模块输出的本振信号进行上变频后初步衰减后送到功率控制模块。上变频模块采用IQ调制方式，对I路和Q路基带信号进行调制后输出。
功率控制模块对上变频输出信号进行多级放大、多级衰减等处理后输出，对于低于250MHz频率的信号通过二级混频方式实现低频信号输出，如罗盘、指点信标等模拟信号。
当需要模拟某个导航模拟器时，硬件平台通过动态可重构实时加载相应的数字程序，调用相应的上位机软件平台程序，控制硬件平台各模块，设置导航模拟器中上本振模块与上变频模块对应的本振频率和变频方式，实现所需模拟器信号的模拟。
PXI/PXIe标准总线与软件无线电体系架构，以“全数字基带+射频变频”模式为核心，通过综合化射频通道技术，将硬件平台划分为信号接收与发送功能模块，大大降低了模块体积、模块功耗以及硬件成本等，非常适合外场应用。
采用综合化射频通道技术，将多模导航模拟器的模拟频段高度宽带化，通过模拟通道的复用技术，在单通道内实现所有导航模拟器。
关于单通道实现所有导航模拟器：其中，上变频模块与功率控制模块都是单通道调理与输出的，最终通过模拟通道复用技术实现所有导航模拟器。
基带模块采用收发一体架构，将基带信号的接收与发生整合到单模块里，共享FPGA数据处理单元，实现接收与发送的实时交互，兼容特殊模拟器需要接收功能。
收发一体基带模块采用动态可重构技术，通过PXI/PXIe接口和桥接FPGA芯片加载大端转小端后的配置文件，实现微波着陆、仪表着陆等多模导航模拟器的按需加载。
通过硬件平台组成可以看出，通过动态可重构技术，本发明只需要7个PXI/PXIe模块就可实现多种导航信号模拟。相比于基于独立模块形式的导航信号模拟，体积、重量和功耗大大降低。
本申请的另一种实施例中，基于PXI/PXIe总线架构的多模导航模拟器的动态可重构方法，包括的步骤为：
对航空无线电导航设备发送的射频信号进行信号处理；
将信号处理后的射频信号与第一本振信号混频后变成中频信号；
根据需要测试的无线电导航设备，通过动态可重构技术，加载相应的FPGA程序和上位机软件，实现导航模拟器的基带发生；
将导航模拟基带信号与第二本振信号进行上变频后初步衰减；
将衰减后的信号进行功率处理后输出。
本发明采用软件无线电和PXI/PXIe标准总线的开放式体系架构，通过动态可重构与实时加载技术，实现微波着陆、仪表着陆等多种无线电导航模拟器的高度集成，具有体积小、功耗低、成本低与适合外场应用等优点。
基于PXI/PXIe总线架构的多模导航模拟器的动态可重构方法以软件无线电体系架构为基础，采用“全数字基带+射频变频”模式，通过数字处理平台动态可重构技术实现各模拟器的实时按需加载，具有体积小、功耗低、成本低与适合外场应用等优点。
“射频变频”方式采用综合化射频通道技术，射频通道的频率范围覆盖100kHz～6GHz全频段，将多模导航模拟器的模拟频段高度宽带化，通过模拟通道的复用技术，在单通道内实现所有导航模拟器，结构简单。
基带模块采用收发一体架构，将基带信号的接收与发生整合到单模块里，共享FPGA数据处理单元，实现接收与发送的实时交互，兼容特殊模拟器需要接收功能。
本发明体积小，功耗低，成本也很低，非常适合现场与外场的小型化便携式测试需求，可方便应用于航空导航设备的现场维修测试特别是机载、舰载等导航设备的外场维修检测。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于总线架构的多模导航模拟器动态可重构系统，其特征是，包括：
信号调理模块，用于实现对需要测试的无线电导航设备发送的射频信号进行信号处理并将处理后的信号输出给下变频模块；
下变频模块，用于实现将接收的信号与下本振模块的本振信号混频后变成中频信号，并送入收发一体基带模块；
收发一体基带模块，根据需要测试的无线电导航设备，通过动态可重构技术，加载相应的FPGA程序和上位机软件，实现导航模拟器的基带发生并输出给上变频模块；
上变频模块，将输入的导航模拟基带信号与上本振模块输出的本振信号进行上变频后初步衰减后送到功率控制模块；
功率控制模块，对上变频模块输出信号进行信号处理后输出。
2.如权利要求1所述的基于总线架构的多模导航模拟器动态可重构系统，其特征是，所述上变频模块采用IQ调制方式，对I路和Q路基带信号进行调制后输出。
3.如权利要求1所述的基于总线架构的多模导航模拟器动态可重构系统，其特征是，所述收发一体基带模块中利用动态可重构技术，具体为：通过桥接FPGA配置收发一体基带平台，首先将导航模拟器的FPGA配置文件进行大端转小端变换，再通过PXI/PXIe接口传输给桥接FPGA电路，桥接FPGA电路通过收发一体基带平台的配置管脚进行动态加载，通过加载相应的导航模拟器FPGA程序与软件，实现导航模拟器的基带发生。
4.如权利要求1或3所述的基于总线架构的多模导航模拟器动态可重构系统，其特征是，所述收发一体基带模块根据模式选择是否对收入中频信号做出响应，或直接产生各导航模拟器所需的特殊制式模拟信号，并输出给上变频模块。
5.如权利要求1所述的基于总线架构的多模导航模拟器动态可重构系统，其特征是，当需要模拟某个导航模拟器时，通过动态可重构实时加载相应的数字程序，调用相应的上位机软件平台程序，设置模拟器对应的本振频率和变频方式，实现所需模拟器信号的模拟。
6.基于总线架构的多模导航模拟器动态可重构方法，其特征是，包括：
对航空无线电导航设备发送的射频信号进行信号处理；
将信号处理后的射频信号与第一本振信号混频后变成中频信号；
根据需要测试的无线电导航设备，通过动态可重构技术，加载相应的FPGA程序和上位机软件，实现导航模拟器的基带发生；
将导航模拟基带信号与第二本振信号进行上变频后初步衰减；
将衰减后的信号进行功率处理后输出。
7.如权利要求6所述的基于总线架构的多模导航模拟器动态可重构方法，其特征是，动态可重构技术具体为：通过桥接FPGA配置收发一体基带平台，首先将导航模拟器的FPGA配置文件进行大端转小端变换，再通过PXI/PXIe接口传输给桥接FPGA电路，桥接FPGA电路通过收发一体基带平台的配置管脚进行动态加载，通过加载相应的导航模拟器FPGA程序与软件，实现导航模拟器的基带发生。
8.如权利要求6所述的基于总线架构的多模导航模拟器动态可重构方法，其特征是，在将信号处理后的射频信号与第一本振信号混频后变成中频信号后，选择是否对收入中频信号做出响应，或直接产生各导航模拟器所需的特殊制式模拟信号。
9.如权利要求6所述的基于总线架构的多模导航模拟器动态可重构方法，其特征是，将导航模拟基带信号与第二本振信号进行上变频后初步衰减时，采用IQ调制方式，对I路和Q路基带信号进行调制后输出。
10.如权利要求6所述的基于总线架构的多模导航模拟器动态可重构方法，其特征是，当需要模拟某个导航模拟器时，通过动态可重构实时加载相应的数字程序，调用相应的上位机软件平台程序，设置模拟器对应的本振频率和变频方式，实现所需模拟器信号的模拟。
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