CN112448728B - 基于ima架构的机载综合无线电通信导航系统及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于航空技术领域，提供了一种基于IMA架构的机载综合无线电通信导航系统及工作方法，该系统包括：射频单元，接收外部通信及导航射频信号，发射本机通信射频信号；数字信号处理单元，对射频信号进行采样、数字变频和基带信号的数字处理、导航信号的调制解调；音频信号处理单元，对音频信号进行编码和解码，通过音频接口电路完成模拟音频信号的放大；数据总线控制单元，用于内部数据的监测，并完成与飞行管理系统或独立控制显示装置的数据传输。采用射频信号和数字信号分层处理的方式，通过射频前端各功能通道统一设计和频段兼容通道合并共用，数字信号集中处理的模式，使系统电路得到了最大限度的精简和综合。

Description

基于IMA架构的机载综合无线电通信导航系统及工作方法

技术领域

本发明属于航空技术领域，提供了一种基于IMA架构的机载综合无线电通信导航系统及工作方法。

背景技术

近年来，作为战略性新兴产业，我国通用航空产业在各类政策引导激励下，发展条件日益成熟。但由于我国航空工业长期以军为主，民机的研发起步较晚，尤其是通用航空的航电系统与国外先进技术水平差距较大，这种情况难以适应通航产业的战略性发展要求，严重阻碍了国内通航产业的快速发展。

目前，由于我国通用航空研发制造能力较弱，国内大部分通航飞机和设备还主要依赖进口，国际竞争力不足。在机载无线电通信导航系统方面，除极少数高端机外，绝大部分通航飞机配备的还是分立式和联合式无线电通信导航系统。

分立式无线电通信导航系统各设备都有自己独立的控制盒和显示仪表，各设备相互独立，设备繁多、操作复杂，且体积和重量较大。由于结构专用性强，缺少灵活性、难以实现大量的信息交换，任何改进都需要通过更改硬件来实现，所以难以满足现代通航飞机，尤其是小型通航飞机的性能需求。

联合式系统由于采用了计算机和总线技术，虽然大大降低了飞机上线缆重量，同时将电子系统的显示和控制进行了综合，方便了飞行员驾驶。但由于只对控制和显示系统进行了综合，机载设备依然众多，系统交联关系复杂，维护保障难度大，且计算资源浪费，对于通航飞机，尤其是小型通航飞机的安装和使用也存在局限性。另外，联合式无线电通信导航系统由于大部分机载端机相互独立，也存在性能的提升和功能的扩展问题。

发明内容

本发明实施例提供了一种基于IMA架构的机载综合无线电通信导航系统，旨在解决现有通航飞机无线电通信导航系统设备繁多、设备功能单一导致的综合性、通用性和扩展性差的问题。

本发明是这样实现的，一种基于IMA架构的机载综合无线电通信导航系统，该系统包括：

射频接收单元，射频发射单元，数字信号处理单元、音频信号处理单元、数据总线控制单元及时钟生产单元，射频接收单元，射频发射单元与数字信号处理单元连接，数字信号处理单元与音频信号处理单元、数据总线控制单元及时钟生成单元连接，射频接收单元与射频发射单元连接；

射频接收单元，用于通信射频信号及导航射频信号的接收、滤波和放大；

射频发射单元，用于通信射频信号的滤波、驱动放大和功率放大和发射；

数字信号处理单元，用于通信射频信号及导航射频信号的采样、数字变频和基带信号的数字处理、及通信导航信号的调制解调；

音频信号处理单元，用于音频信号的编码和解码，以及通过音频接口电路完成模拟音频信号的放大；

数据总线控制单元，用于内部数据的监测，并通过外部接口完成与飞行管理系统或独立控制显示装置的数据传输；

时钟生成单元，主要用于生成系统所需的时钟信号和振荡器基准频率信号。

进一步的，所述射频接收单元包括：

LOC/VOR接收机射频前端，接收甚高频108MHz～118MHz频率射频信号；

GS接收机射频前端，接收超高频329MHz～335MHz频率射频信号；

MB接收机射频前端，接收甚高频75MHz定频频率的射频信号；

通信接收机射频前端，接收本机甚高频118MHz～137MHz频率射频信号；

射频发射单元包括：通信发射机射频前端，发射甚高频118MHz～137MHz频率射频信号。

进一步的，数字信号处理单元包括：

第一A/D数模转换器、第二A/D数模转换器、第三A/D数模转换器、第四A/D数模转换器，第一A/D数模转换器的输入端与LOC/VOR接收机射频前端的输出端连接，第二A/D数模转换器的输入端与GS接收机射频前端的输出端连接，第三A/D数模转换器的输入端MB接收机射频前端的输出端连接，第四A/D数模转换器的输入端与通信接收机射频前端的输出端连接；

第一DDC数字下变频器及第二DDC数字下变频器，第一A/D数模转换器、第二A/D数模转换器的输出端与第一DDC数字下变频器的输入端连接，第三A/D数模转换器、第四A/D数模转换器的输出端与第二DDC数字下变频器的输入端连接，第一DDC数字下变频器及第二DDC数字下变频器的输出端与FPGA电路连接；

DUC数字上变频器，输入端与FPGA电路连接，输出端与混频器，混频器的输出端与通信发射机射频前端的输入端连接；

DSP数字信号处理器通过总线与第一DDC数字下变频器、第二DDC数字下变频器及FPGA电路连接。

进一步的，音频处理单元包括：

若干个音频编解码器，音频编解码器的前端与FPGA电路连接，后端与音频接口电路连接，控制和配置端与DSP数字信号处理器连接；音频接口电路后端通过音频连接器与机上系统相连。

进一步的，数据总线控制单元包括：

数据总线处理器、CPLD电路、RS485收发器、电压检测接口和时钟电路，数据总线处理器通过FPGA电路创建的接口与DSP数字信号处理器连接，通过CPLD电路和RS485收发器与外部系统连接，通过电压监测接口监测系统内的电压。

本发明是这样实现的，一种基于IMA架构的机载综合无线电通信导航系统的工作方法，所述方法具体如下：

步骤1：LOC/VOR接收机射频前端、GS接收机射频前端及MB接收机射频前端通过天线接收各自频段的导航射频信号，并进行多级的滤波和放大，并发送至对应A/D模数转化器；

步骤2：A/D模数转化器将模拟射频信号被采样并转换为并行数字信号，并发送至对应的DDC数字下变频器；

步骤3：DDC数字下变频器将并行数字信号变换为正交基带数字信号，再将正交基带数字信号变换为串行正交基带数字信号，并传输至到FPGA电路；

步骤4：FPGA电路49将串行正交数字基带信号转换为并行正交数字基带信号，并进入FPGA电路创建的对应FIFO缓存器；

步骤5：DSP数字信号处理器读取FIFO缓存区内存储的并行正交数字基带信号，对并行正交数字基带信号分别进行解调和解算处理，得到需要的导航数据；

步骤6：导航数据经FPGA电路创建的内部接口电路进入数据总线控制单元，通过外部接口将导航数据传送至飞行管理系统或独立控制显示装置。

本发明是这样实现的，一种基于IMA架构的机载综合无线电通信导航系统的工作方法，所述方法具体如下：

步骤1：通信接收机射频前端接收的通信射频信号，进行多级的滤波和放大，并发送至第四A/D模数转换器；

步骤2：第四A/D模数转换器将模拟射频信号转换为并行数字信号，并发送至第二DDC数字下变频器；

步骤3：第二DDC数字下变频器将并行数字信号变换为正交基带数字信号，将正交基带数字信号变换为串行正交基带数字信号，并传输至到FPGA电路；

步骤4：FPGA电路将串行正交数字基带信号被转换为并行正交数字基带信号，并进入FPGA电路创建的对应FIFO缓存器；

步骤5：DSP数字信号处理器读取FIFO缓存区内存储的并行正交数字基带信号，对并行正交数字基带信号进行解调和解算处理，得到需要采样率的音频基带数字信号；

步骤6：将音频基带数字信号发送到各音频编解码器进行解码，而后经数模转换得到音频模拟信号，音频模拟信号通过音频接口电路输出。

本发明是这样实现的，一种基于IMA架构的机载综合无线电通信导航系统的工作方法，所述方法具体如下：

步骤1：触发通信发话按钮，用户的语音信号依次经选定的麦克风、音频接口进入各音频编解码器，音频解码器对模拟音频信号进行采样和编码，转换成音频数字信号，进入FPGA电路中的FIFO存储器。

步骤2:DSP数字信号处理器读取音频数字信号，对音频数字信号进行音频滤波和电平压缩，然后振幅调制成基带载波信号，输出到在FPGA电路；

步骤3：FPGA电路通过插值将数据速率提高到设定值，输出到DUC数字上变频器；

步骤4：DUC数字上变频器经过插值将数据速率增大至所需的数据输出速率，经D/A模数转换，从而产生需要的模拟中频输出。

步骤5：输出的模拟中频与压控振荡器输出的本振频率进行混频，从而产生一个需要频率的甚高频射频信号；

步骤6：甚高频射频信号输出到通信发射机射频前端，经收/发转换开关传输至天线进行发射。

本发明提供基于IMA架构的机载综合无线电通信导航系统具有如下益效果：

1.数字化程度高，接收机采用直接采样架构，除射频前端必要的模拟信号接收、滤波和放大电路外，射频以下实现了全数字化。这不仅保证了设备性能的提高，而且提高了设备的抗干扰能力，减小了环境影响，极大降低了设备的体积和重量，同时也有效降低了设备成本；

2.综合化程度高，采用射频信号和数字信号分层处理的方式，通过射频前端各功能通道统一设计和频段兼容通道合并共用，以及数字信号集中处理的模式，不仅使系统电路得到了最大限度的精简和综合，由于电路的精简，有效降低了设备成本；

3.适用性强，同时兼具必需的机载无线电通信和的导航基本功能，包括甚高频无线电通信收发机功能、VOR全向信标系统接收机功能、ILS仪表着陆系统航向和下滑接收机功能，以及MB指点信标接收机功能，因此本发明既可可以作为各种综合航电系统的无线电单元使用，也可以与独立控制显示装置协同工作，灵活应用于各种通航飞机；

4.扩展性强，模块化结构、全数字化以及软件无线电技术的综合运用，保证了设备的良好扩展性。未来只要适当改进软件功能就能对系统功能进行相关的拓展。例如，根据需求，可以增加ACARS(飞机通信寻址与报告系统)调制解调器、VDL M2(甚高频数据链模式2)接收机、VDL M3(甚高频数据链模式3)接收机功能。另外，未来还可以扩展为LAAS(局域增强系统)接收机，与GPS系统配合完成飞机的全天候着陆功能。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于IMA架构的机载综合无线电通信导航系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的数字信号处理单元的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的LOC/VOR接收机射频前端、GS接收机射频前端、MB接收机射频前端及通信接收机射频前端及通信发射机射频前端的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的音频处理单元的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的总线控制器单元的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的时钟生成单元的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为本发明实施例提供的基于IMA架构的机载综合无线电通信导航系统的结构示意图，为了便于说明，仅示出与本发明实施例相关的部分。

该系统包括：

射频接收单元，射频发射单元，数字信号处理单元、音频信号处理单元、数据总线控制单元及时钟生产单元，射频接收单元，射频发射单元与数字信号处理单元连接，数字信号处理单元与音频信号处理单元、数据总线控制单元及时钟生成单元连接，射频接收单元与射频发射单元连接；

射频接收单元，用于通信射频信号及导航射频信号的接收、滤波和放大

射频发射单元，用于通信射频信号的滤波、驱动放大和功率放大和发射；

数字信号处理单元，主要用于通信射频信号及导航射频信号的采样、数字变频和基带信号的数字处理、及通信导航信号的调制解调；

音频信号处理单元，主要用于音频信号的编码和解码，以及通过音频接口电路完成模拟音频信号的放大；

数据总线控制单元，用于内部数据的监测，通过外部接口完成与飞行管理系统或独立控制显示装置的数据传输；

时钟生成单元，主要用于生成系统所需的时钟信号和振荡器基准频率信号。

在本发明实施例中，射频接收单元包括：

LOC/VOR接收机射频前端，其输入端通过射频接口、同轴电缆与天线连接，其输出端与数字信号处理单元连接，接收甚高频(VHF)108MHz～118MHz频率射频信号，用于ILS仪表着陆系统的航向信标(LOC)和VOR全向信标系统射频导航信号的接收、滤波和放大，其中，ILS仪表着陆系统的LOC航向信标工作于108～112MHz频率范围，所以与VOR全向信标系统共用射频通道。

GS接收机射频前端，其输入端通过射频接口和同轴电缆与天线连接，输出端与数字信号处理单元连接，接收超高频(UHF)329MHz～335MHz频率射频信号，用于ILS仪表着陆系统的GS下滑信标射频导航信号的接收、滤波和放大。

MB接收机射频前端，其输入端通过射频接口、同轴电缆与天线连接，输出端与数字信号处理单元的连接，工作于甚高频(VHF)75MHz定频频率，用于MB指点信标台射频信号的接收、滤波和放大。

通信接收机射频前端，其输入端通过收/发转换开关、射频接口及同轴电缆与天线连接，输出端与数字信号处理单元的连接，接收本机甚高频(VHF)118MHz～137MHz频率射频信号，用于通信射频信号的接收、滤波和放大。

射频发射单元包括：通信发射机射频前端，输入端与数字信号处理单元的混频器连接，输出端通过收/发转换开关、射频接口及同轴电缆与天线连接，发射甚高频(VHF)118MHz～137MHz频率射频信号，用于本机射频信号的滤波、驱动放大和功率放大和发射。

在本发明实施例中，数字信号处理单元的结构示意图如图2所示，包括：

第一A/D数模转换器37、第二A/D数模转换器38、第三A/D数模转换器39、第四A/D数模转换器40，第一A/D数模转换器37的输入端与LOC/VOR接收机射频前端的输出端连接，第二A/D数模转换器38的输入端与GS接收机射频前端的输出端连接，第三A/D数模转换器39的输入端MB接收机射频前端的输出端连接，第四A/D数模转换器40的输入端与通信接收机射频前端的输出端连接；

第一DDC数字下变频器45及第二DDC数字下变频器44，第一A/D数模转换器37、第二A/D数模转换器38的输出端与第一DDC数字下变频器45的输入端连接，第三A/D数模转换器39、第四A/D数模转换器40的输出端与第二DDC数字下变频器44的输入端连接，第一DDC数字下变频器45及第二DDC数字下变频器44的输出端与FPGA电路49；

DUC数字上变频器43，输入端与FPGA电路49连接，输出端与混频器连接；

DSP数字信号处理器48通过总线与第一DDC数字下变频器45、第二DDC数字下变频器44及FPGA电路49连接。

在本发明实施例中，音频处理单元的结构示意图如图4所示，包括：

若干个音频编解码器(66；67；68)，音频编解码器(66；67；68)与音频接口电路69连接，通过音频接口电路完成模拟音频信号的放大和输入输出，音频编解码器的前端与FPGA电路49连接，后端与音频接口电路69连接，控制和配置端与DSP数字信号处理器48连接；音频接口电路69后端通过音频连接器与机上系统相连。

在本发明实施例中，总线控制器单元的结构示意图如图5所示，包括：

数据总线处理器55、CPLD电路53、RS485收发器54、电压检测接口56和时钟电路，数据总线处理器55通过FPGA电路49创建的接口与DSP数字信号处理器48连接，通过CPLD电路53和RS485收发器54与外部系统连接，通过电压监测接口56连接系统内各监测电压。

在本发明实施例中，时钟生成单元的结构示意图如图6所示，包括：

双数模转换器60、温度补偿晶体振荡器61、第一压控晶体振荡器62、第二压控晶体振荡器63、温度补偿晶体振荡器61和压控晶体振荡器(62；63)，主要用于生成系统所需的时钟信号和振荡器基准频率信号。

实施例1，基于IMA架构的机载综合无线电通信导航系统，导航接收机具体工作过程如下：

步骤1：LOC/VOR接收机射频前端、GS接收机射频前端及MB接收机射频前端通过天线接收各自频段的导航射频信号，并进行多级的滤波和放大，从而得到需要的通带选择特性和增益，这主要是为了在下一级模数转换时减小通带噪声和防止混叠；

步骤2：经过滤波和放大的射频信号分别进入对应的A/D模数转化器，模拟射频信号被采样并转换为行数字信号，LOC/VOR接收机射频前端的射频信号进入第一A/D模数转化器37、GS接收机射频前端的射频信号进入A/D模数转化器38、MB接收机射频前端的射频信号进入A/D模数转化器39；

步骤3：并行数字信号随后分别进入对应的DDC数字下变频器，在DDC数字下变频器中，信号首先经过正交数字变频变换为正交基带数字信号，随后经过一系列的数字滤波和抽取，变换为具有需要的数字传输速率的串行正交基带数字信号，第一A/D模数转化器37及第二A/D模数转化器38的数字信号进入第一DDC数字下变频器45，第三A/D模数转化器39的数字信号进入第二DDC数字下变频器44；

步骤4：随后串行正交基带数字信号由第一DDC数字下变频器45及第二DDC数字下变频器44通过串行端口输入到FPGA电路49中，在FPGA电路49中，串行正交数字基带信号被转换为并行正交数字基带信号，并进入FPGA电路49创建的对应FIFO缓存器。

步骤5：DSP数字信号处理器48通过FPGA电路49创建的接口及内部总线读取FIFO缓存区内存储的并行正交数字基带信号。在DSP数字信号处理器48中，对并行正交数字基带信号分别进行解调和解算处理，输出所需的导航数据；

步骤6：DSP数字信号处理器48解调和解算后得到的导航数据(VOR、LOC、GS、MB)，经FPGA电路49创建的内部接口电路进入数据总线控制单元，而后经过对外数据总线输出到飞行管理系统或独立控制、显示装置进行导航指示。

步骤1中，LOC/VOR接收机射频前端、GS接收机射频前端及GS接收机射频前端，综合运用组合LC滤波技术、SAW声表面波滤波器以及低噪声放大器和射频放大器，射频通道可以得到需要的增益和良好的选择性，这样，在步骤2的第一A/D模数转换器37、第二A/D模数转换器38及第三A/D模数转换器39中进行采样和数字变换后，有效减少了噪声干扰，防止了混叠现象的发生。

步骤2中、步骤3中，采用“直接采样”和数字下变频技术对射频信号进行采样和数字变频，舍弃了传统超外差接收机繁杂的模拟变频电路。其中在步骤2的第一A/D模数转换器37、第二A/D模数转换器38及第三A/D模数转换器39中在不违反带通信号采样定理的原则下，采用了尽可能低采样频率的欠采样技术，通道的输出采样率可以编程。在步骤3的第一DDC数字下变频器45及第二DDC数字下变频器44中采用了数控振荡器、数字正交下变频，以及数字信号的抽取和数字滤波技术。DSP数字信号处理器48通过8位微型端口接口配置两个DDC数字下变频器中(45；44)的寄存器，它必须将通道NCO数控振荡器调整到指定的射频载波频率，以完成通道选择，同时编程抽取率，并加载选择滤波器。

步骤4中，FPGA电路49通过主要完成以下功能：为DSP数字信号处理器48提供一个接口，以实现寄存器访问FPGA电路49功能，并为DSP数字信号处理器48提供一个中断事件接口；在数据总线控制单元和DSP数字信号处理器48之间提供一个DPRAM接口；为第一DDC数字下变频器45及第二DDC数字下变频器44创建FIFO以缓存数据，FIFO存储器可以被DSP数字信号处理器48访问，处理离散输入输出以控制系统正常工作。

步骤5中DSP数字信号处理器48通过编程对接收到的数字信号进行抽取、插值、滤波、解调等处理，并通过一些现有的专用算法解算出各种专用导航信号。

步骤6中数据总线控制单元，一方面通过FPGA电路49创建的DPRAM接口与DSP数字信号处理器48传递数据，另一方面通过外部接口与机载飞行管理系统连接，向机载设备提供需要的导航信号。

实施例2，本发明提供一种基于IMA架构的机载综合无线电通信导航系统，通信接收机具体工作过程如下：

步骤1：通信接收机射频前端通过天线接收的通信射频信号进行多级的滤波和放大，得到需要的通带选择特性和增益，这主要是为了在下一级模数转换时减小通带噪声和防止混叠。

步骤2：经过滤波和放大的射频信号分别进入第四A/D模数转换器40，在此，对模拟射频信号进行采样并转换为并行数字信号。

步骤3：并行数字信号随后进入第二DDC数字下变频器44，在第二DDC数字下变频器44中，信号首先经过正交数字变频变换为正交基带数字信号，随后经过一系列的数字滤波和抽取，变换为具有需要的数字传输速率的串行正交基带数字信号。

步骤4：随后串行正交基带数字信号由第二DDC数字下变频器44通过串行端口输入到FPGA电路49中，在FPGA电路49中，串行正交数字基带信号被转换为并行正交数字基带信号，并进入FPGA电路49创建的对应FIFO缓存器。

步骤5：DSP数字信号处理器48通过FPGA电路49创建的接口及内部总线读取FIFO缓存区以收集并行正交数字基带信号。在DSP数字信号处理器48中，对信号进行解调和解算处理，得到需要采样率的音频基带数字信号。

步骤6：音频基带数字信号，由DSP数字信号处理器48经过FPGA电路49内部总线及接口发送到各音频编解码器(66；67；68)，音频编解码器对音频基带数字信号进行解码，而后经数/模转换得到音频模拟信号。音频模拟信号随后进入音频接口电路，并由此输出到机载系统的耳机电路供飞行员收听。

步骤1中，综合运用组合LC滤波技术、低噪声放大器和射频放大器，经过精心设计和调整，射频通道可以得到需要的增益和良好的选择性，这样，在步骤2的第四A/D模数转换器40中进行采样和数字变换后，有效减少了噪声干扰，防止了混叠现象的发生。

步骤2中、步骤3中，采用“直接采样”和数字下变频技术对射频信号进行采样和数字变频，舍弃了传统超外差接收机繁杂的模拟变频电路。其中在步骤2的第四A/D模数转换器40中，在不违反带通信号采样定理的原则下，采用了尽可能低采样频率的欠采样技术，通道的输出采样率可以编程。在步骤3的第二DDC数字下变频器44中采用了数控振荡器、数字正交下变频，以及数字信号的抽取和数字滤波技术。DSP数字信号处理器48通过8位微型端口接口配置第二DDC数字下变频器44中的寄存器，它必须将通道NCO数控振荡器调整到指定的射频载波频率以完成通道选择，同时编程抽取率，并加载选择滤波器。

步骤4中FPGA电路49通过编程主要完成以下功能：为DSP数字信号处理器48提供一个接口，以实现寄存器访问FPGA电路49功能，并为DSP数字信号处理器48提供一个中断事件接口；在数据总线控制器8和DSP数字信号处理器48之间提供一个DPRAM接口；DDC为数字下变频器2和音频编解码器创建FIFO以缓存数据，FIFO存储器，可以被DSP数字信号处理器48访问，处理离散输入输出以控制系统正常工作。

步骤5中，DSP数字信号处理器48通过编程对接收到的数字信号进行抽取、插值、滤波、解调等处理，得到音频基带数字信号。

步骤6中，音频编解码器(66；67；68)为系统提供所有的音频输入和输出，可最多配置有6个音频输入、5个音频输出和一个扬声器输出。每个音频输入可以配置为麦克风或线路输入。每个音频输出可以驱动一个耳机或一个线路输出。扬声器输出驱动飞机的播音(PA)系统。

实施例3，本发明提供一种基于IMA架构的机载综合无线电通信导航系统，发射机具体工作过程如下：

步骤1：触发通信发话按钮，用户语音信息经选定的麦克风输入经过音频接口进入各音频编解码器(66；67；68)，在此，模拟音频信号被采样和编码，转换成音频数字信号，音频数字信号进入FPGA电路49中的FIFO存储器。

步骤2:DSP数字信号处理器48通过访问FPGA电路49中的FIFO存储器，获得音频数字信号。DSP数字信号处理器48对音频数字信号进行音频滤波和电平压缩，然后振幅调制一个基带载波信号。

步骤3：被音频数字信号振幅调制的基带载波信号由DSP数字信号处理器48输出到在FPGA电路49中，FPGA电路49中通过插值将数据速率提高到需要的值，并输出到DUC数字上变频器43中。

步骤4：在DUC数字上变频器43中，经过插值数据速率再次增加，以产生需要的数据输出速率，而后数据经过数字正交上变频和D/A模数转换，从而产生需要的模拟中频(IF)输出。

步骤5：模拟中频(IF)输出与压控振荡器输出的本振频率进行混频，从而产生一个需要频率的甚高频(VHF)射频信号。

步骤6：甚高频(VHF)射频信号经数字模块输出到发射机射频前端，在通信发射机射频前端中，甚高频(VHF)射频信号经过两级功率放大和滤波选择，最后经由收/发转换开关到达天线并发射出去。

步骤3中，FPGA电路49通过编程主要完成以下功能：为DSP数字信号处理器48提供一个接口，以实现寄存器访问FPGA电路49功能，并为DSP数字信号处理器48提供一个中断事件接口；在数据总线控制单元和DSP数字信号处理器48之间提供一个DPRAM接口；为音频编解码器(66；67；68)创建FIFO以缓存数据，FIFO存储器可以被DSP数字信号处理器48访问；接收来自DSP数字信号处理器48的发射机输出，插值发射机数据，为DUC数字上变频器43创建FIFO和接口以输出数据到DUC数字上变频器43。

步骤4中，DUC数字上变频器43中采用了数字正交上变频技术和数字控制振荡器(NCO)技术，DSP数字信号处理器48必须对DUC数字上变频器43中的数字控制振荡器(NCO)电路进行编程，以获得需要的中频频率。

步骤5中，使用了锁相环和压控振荡器(PLL/VCO)技术、模拟上变频技术，DSP数字信号处理器48必须通过编程控制压控振荡器(VCO)输出频率，以获得选定的射频载波频率。

实施例4，本发明提供一种基于IMA架构的机载综合无线电通信导航系统，所述系统射频模块(1)通信发射机射频前端工作过程如下：

步骤1：从混频器来的118～137MHz的音频调幅信号，经滤波器25进入驱动放大器26，在驱动放大器26中，对射频信号进行预先放大，以驱动后级功率放大器28；

步骤2：而后信号经滤波器27进入功率放大器28，在此，射频信号进行第一级功率放大。

步骤3：而后信号经滤波器29进入功率放大器30，在此，射频信号进行最后的功率放大，以达到需要的输出功率。

步骤4：而后射频功率信号进入收/发转换开关，在发射状态，收/发转换开关断开天线与接收机的信号连接，接通与发射机的信号连接，最终射频信号由天线发射出去。

实施例5，本发明提供一种基于IMA架构的机载综合无线电通信导航系统，射频模块(1)中通信接收机射频前端工作过程如下：

步骤1：天线接收到的118-137MHz射频(RF)信号经收发机前端的谐波滤波器和收/发转换开关到达接收机的前端带通滤波器17。在接收状态，收/发转换开关断开天线与发射机的信号连接，接通与接收机的信号连接。

步骤2：信号经带通滤波器17限制带宽后进入接收机的前置放大器18，这是一个低噪声高频放大器，其主要作用是提高输出信号的信噪比。

步骤3：而后信号进入滤波器19，该滤波器是一个通道选择滤波器，它提供了陡峭的滤波形状边缘，这对带外信号的抑制至关重要。

步骤4：信号从滤波器19输出到衰减器20，该衰减器由DDC数字下变频器44来的外部信号控制，用来防止过驱动ADC。

步骤5：而后信号经放大器21进入滤波器22。放大器21是一个差分放大器，该级以后信号变换为差分信号。滤波器22是一个差分滤波器，是通信接收机射频前端中最后一段滤波电路。

步骤6：射频信号由滤波器22进入到放大器23，在此，信号获得需要的增益后输出到的A/D模数转换器40。

通信接收机射频前端的AGC自动增益控制电路用来防止前置放大器18发生失真。

LOC/VOR接收机射频前端、GS接收机射频前端及MB接收机射频前端与通信接收机射频前端的工作原理基本相同，图3为本发明实施例提供的LOC/VOR接收机射频前端、GS接收机射频前端、MB接收机射频前端及通信接收机射频前端及通信发射机射频前端的结构示意图。

实施例6，本发明提供一种基于IMA架构的机载综合无线电通信导航系统，数字模块(2)中时钟生成单元工作原理如下：

1.通信系统时钟

通信系统时钟频率为57.344MHz，由DSP数字信号处理器48控制双数模转换器60，并从而控制压控晶体振荡器63生成。通信系统时钟提供给A/D数模转换器39、40和DDC数字下变频器。

2.导航系统时钟

导航系统时钟频率为49.152MHz，由DSP数字信号处理器48控制双数模转换器60，并从而控制压控晶体振荡器64生成。导航系统时钟提供给A/D数模转换器37、38和DDC数字下变频器45。

3.DUC数字上变频器4343时钟

由振荡器65生成，频率为196.608MHz。

4.DSP数字信号处理器48时钟

由温度补偿晶体振荡器61生成19.2MHz时钟信号，提供给DSP数字信号处理器48、DSP数字信号处理器4850和FPGA电路49。

5.信号发生器/锁相环时钟

由由温度补偿晶体振荡器64生成19.2MHz时钟信号，作为信号发生器/锁相环42的基准频率，以控制压控振荡器41生成通信发射机本振频率。

本发明提供基于IMA架构的机载综合无线电通信导航系统具有如下益效果：

1.数字化程度高，接收机采用直接采样架构，除射频前端必要的模拟信号接收、滤波和放大电路外，射频以下实现了全数字化。这不仅保证了设备性能的提高，而且提高了设备的抗干扰能力，减小了环境影响，极大降低了设备的体积和重量，同时也有效降低了设备成本；

2.综合化程度高，采用射频信号和数字信号分层处理的方式，通过射频前端各功能通道统一设计和频段兼容通道合并共用，以及数字信号集中处理的模式，不仅使系统电路得到了最大限度的精简和综合，由于电路的精简，有效降低了设备成本。

3.适用性强，同时兼具必需的机载无线电通信和的导航基本功能，包括甚高频无线电通信收发机功能、VOR全向信标系统接收机功能、ILS仪表着陆系统航向和下滑接收机功能，以及MB指点信标接收机功能，因此本发明既可可以作为各种综合航电系统的无线电单元使用，也可以与独立控制显示装置协同工作，灵活应用于各种通航飞机。

4.扩展性强，模块化结构、全数字化以及软件无线电技术的综合运用，保证了设备的良好扩展性。未来只要适当改进软件功能就能对系统功能进行相关的拓展。例如，根据需求，可以增加ACARS(飞机通信寻址与报告系统)调制解调器、VDL M2(甚高频数据链模式2)接收机、VDL M3(甚高频数据链模式3)接收机功能。另外，未来还可以扩展为LAAS(局域增强系统)接收机，与GPS系统配合完成飞机的全天候着陆功能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于IMA架构的机载综合无线电通信导航系统，其特征在于，所述系统包括：

射频接收单元、射频发射单元、数字信号处理单元、音频信号处理单元、数据总线控制单元及时钟生产单元，射频接收单元、射频发射单元与数字信号处理单元连接，数字信号处理单元与音频信号处理单元、数据总线控制单元及时钟生成单元连接，射频接收单元与射频发射单元连接；

射频接收单元，用于通信射频信号及导航射频信号的接收、滤波和放大；

射频发射单元，用于通信射频信号的滤波、驱动放大和功率放大和发射；

数字信号处理单元，用于通信射频信号及导航射频信号的采样、数字变频和基带信号的数字处理、通信导航信号的调制解调；

音频信号处理单元，用于音频信号的编码和解码，以及通过音频接口电路完成模拟音频信号的放大；

数据总线控制单元，用于内部数据的监测，并通过外部接口完成与飞行管理系统或独立控制显示装置的数据传输；

时钟生成单元，用于生成系统所需的时钟信号和振荡器基准频率信号；

所述射频接收单元包括：

LOC/VOR接收机射频前端，接收甚高频108MHz~118MHz频率射频信号；

GS接收机射频前端，接收超高频329MHz~335MHz频率射频信号；

MB接收机射频前端，接收甚高频75MHz定频频率的射频信号；

通信接收机射频前端，接收甚高频118MHz~137MHz频率射频信号；

射频发射单元包括：通信发射机射频前端，发射甚高频118MHz~137MHz频率射频信号；

数字信号处理单元包括：

第一A/D数模转换器、第二A/D数模转换器、第三A/D数模转换器、第四A/D数模转换器，第一A/D数模转换器的输入端与LOC/VOR接收机射频前端的输出端连接，第二A/D数模转换器的输入端与GS接收机射频前端的输出端连接，第三A/D数模转换器的输入端MB接收机射频前端的输出端连接，第四A/D数模转换器的输入端与通信接收机射频前端的输出端连接；

第一DDC数字下变频器及第二DDC数字下变频器，第一A/D数模转换器及第二A/D数模转换器的输出端与第一DDC数字下变频器的输入端连接，第三A/D数模转换器及第四A/D数模转换器的输出端与第二DDC数字下变频器的输入端连接，第一DDC数字下变频器及第二DDC数字下变频器的输出端与FPGA电路连接；

DUC数字上变频器，输入端与FPGA电路连接，输出端与混频器，混频器的输出端与通信发射机射频前端的输入端连接；

DSP数字信号处理器通过总线与第一DDC数字下变频器、第二DDC数字下变频器及FPGA电路连接；

音频处理单元包括：

若干个音频编解码器，音频编解码器的前端与FPGA电路连接，后端与音频接口电路连接，控制和配置端与DSP数字信号处理器连接；音频接口电路后端通过音频连接器与机上系统相连；

数据总线控制单元包括：

数据总线处理器、CPLD电路、RS485收发器、电压检测接口和时钟电路，数据总线处理器通过FPGA电路创建的接口与DSP数字信号处理器连接，通过CPLD电路和RS485收发器与外部系统连接，通过电压监测接口监测系统内的电压。

2.一种基于权利要求1所述基于IMA架构的机载综合无线电通信导航系统的工作方法，其特征在于，所述方法具体如下：

步骤1：LOC/VOR接收机射频前端、GS接收机射频前端及MB接收机射频前端通过天线接收各自频段的导航射频信号，并进行多级的滤波和放大，并发送至对应A/D模数转化器；

步骤2：A/D模数转化器将模拟射频信号被采样并转换为并行数字信号，并发送至对应的DDC数字下变频器；

步骤3： DDC数字下变频器将并行数字信号变换为正交基带数字信号，再将正交基带数字信号变换为串行正交基带数字信号，并传输至到FPGA电路；

步骤4： FPGA电路将串行正交数字基带信号转换为并行正交数字基带信号，并进入FPGA电路创建的对应FIFO缓存器；

步骤5：DSP数字信号处理器读取FIFO缓存区内存储的并行正交数字基带信号，对并行正交数字基带信号分别进行解调和解算处理，得到需要的导航数据；

步骤6：导航数据经FPGA电路创建的内部接口电路进入数据总线控制单元，通过外部接口将导航数据传送至飞行管理系统或独立控制显示装置。

3.一种基于权利要求1所述基于IMA架构的机载综合无线电通信导航系统的工作方法，其特征在于，所述方法具体如下：

步骤1：通信接收机射频前端接收的通信射频信号，进行多级的滤波和放大，并发送至第四A/D模数转换器；

步骤2：第四A/D模数转换器将模拟射频信号转换为并行数字信号，并发送至第二DDC数字下变频器；

步骤3：第二DDC数字下变频器将并行数字信号变换为正交基带数字信号，将正交基带数字信号变换为串行正交基带数字信号，并传输至到FPGA电路；

步骤4： FPGA电路将串行正交数字基带信号被转换为并行正交数字基带信号，并进入FPGA电路创建的对应FIFO缓存器；

步骤5：DSP数字信号处理器读取FIFO缓存区内存储的并行正交数字基带信号，对并行正交数字基带信号进行解调和解算处理，得到需要采样率的音频基带数字信号；

步骤6：将音频基带数字信号发送到各音频编解码器进行解码，而后经数模转换得到音频模拟信号，音频模拟信号通过音频接口电路输出。

4.一种基于权利要求1所述基于IMA架构的机载综合无线电通信导航系统的工作方法，其特征在于，所述方法具体如下：

步骤1：触发通信发话按钮，用户的语音信号依次经选定的麦克风、音频接口进入各音频编解码器，音频解码器对模拟音频信号进行采样和编码，转换成音频数字信号，进入FPGA电路中的FIFO存储器；

步骤2: DSP数字信号处理器读取音频数字信号，对音频数字信号进行音频滤波和电平压缩，然后振幅调制成基带载波信号，输出到在FPGA电路；

步骤3：FPGA电路通过插值将数据速率提高到设定值，输出到DUC数字上变频器；

步骤4：DUC数字上变频器经过插值将数据速率增大至所需的数据输出速率，经D/A模数转换，从而产生需要的模拟中频输出；

步骤5：输出的模拟中频与压控振荡器输出的本振频率进行混频，从而产生一个需要频率的甚高频射频信号；

步骤6：甚高频射频信号输出到通信发射机射频前端，经收/发转换开关传输至天线进行发射。

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