CN114567389A - 航空电台信号源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种航空电台信号源，精度高、转换时间快、稳定可靠，实用性强。本发明通过下述技术方案实现：微机控制模块根据通信协议编写程序代码，将工作方式、工作状态、频点代码的指令和产生的各种控制信号，通过总线发送给频率综合器，频率综合器基于直接数字频率合成器DDS和锁相环PLL，得出一、二本振输出频率，频率综合器产生相应的频率控制码，得到波段控制码和相应的控制信号，该信号经过射频信号调理电路处理后输出到待测设备，实现待测设备所需要的激励信号，并提供航空电台需求的各个频率值、幅值，通过设置跳频的跳速，对频率综合器的数据传输、变频跳频的使能控制以及码字转换，施对航空电台常规指标的调试测试。

Description

航空电台信号源
技术领域
本发明涉及一种采用跳频通信体制的航空通信设备，尤其是机载超短波抗干扰航空电台便携式信号源装置。
背景技术
随着电子技术的发展，无线电通信技术的应用越来越广泛，越来越多的航空电子设备采用跳频通信体制，跳频通信在现代航空通信设备的应用也越来越多，但对信号源的要求也越来越高。为保证跳频通信设备性能，需要提供稳定、可靠、精度高、频率转换速度极快、分辨率高、能实现数字化调制的频率源，其中最难的就是跳频信号的实现，然而跳频通信设备却面临着维护、保障的难题。不同类型的通信设备对跳频的性能要求不同，为达到对众多跳频通信设备性能的测试，传统设计方法往往要设计多个信号源，这样在使用时一方面给外场机务工作者增加了工作负担，另一方面也造成了资源的巨大浪费，再加上原来技术条件的限制，原跳频信号源已不能满足新装备测试需要。
航空通信设备是一个快速发展的领域，通信设备存在着种类繁多、型号复杂的现状，设备一旦脱离飞机，就失去正常工作所必需的信号环境。为达到跳频测试系统的可靠性、抗干扰性、可移植性、可扩展性，在设计信号源时还要综合考虑不同跳速航空通信设备的测试问题，对比目前跳频信号源两种常用的基于DDS和基于PLL的方案，基于DDS的跳频信号源具有频率分辨率高的优点，但是最高工作频率一般小于100MHz，不能满足超短波通信的需要；而基于PLL的跳频信号源具有工作频率高的优点，但是频率分辨率却比较低，这两种方案都不能满足跳频信号源的测试需求。
航空HF电台是航空通信系统的重要组成部分,担负着空空、空地之间的远程通信,关系到空空、空地之间的通信安全。航空电台作为装备在飞机上的无线电通信设备,为保证电台的工作性能,需要定期在地面对电台的性能指标进行测试.要在地面测试航空电台的性能, 就必须构建相应的航空电台。
目前电台的测试是通过两台通用信号源与频谱仪、综合测试仪、示波器、专用调试台等仪器完成灵敏度、动态范围、音频失真度、输出功率、镜频抑制、频率响应等指标测试和维修，需要的仪器数量多，且各个通用仪器体积庞大且价格昂贵，极不方便，对于外场航空电台的测试及维修更是无法实现，只能靠经验进行故障定位容易造成用户误判故障产品，将无故障产品返回设备厂家维修，这样严重影响产品返修速度，增加了航空设备的故障数，增加了售后成本，影响飞机出勤率。
随着航空工业的快速增长，飞机的装备数量急剧增多，航空通信电台的大量交付，使得外场保障的压力越来越大，返修数量急剧增加，对于设备的故障定位和故障的排除有了一个更高的要求。
为保证大规模飞机的完好率和出勤率需求，航空通信产品的故障率必须降低，外场故障定位和修复率都必须提高。快速故障定位、现场故障排除以及内场故障修复效率的提高，将是未来航空产品生命中期要求的发展趋势。需要一套测试设备来解决外场的测试和维修问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有机载超短波抗干扰航空电台外场维修无专用的频率值及幅度可变的时钟信号的问题，提供一种精度高、转换时间快、稳定可靠，实用性强的航空电台信号源。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，航空电台信号源，包括：连接总电源的电源模块，通过频率综合器顺次串联的微机控制模块和显控界面，其特征在于：电源模块将一路输入电压向信号源中各个部分供电，微机控制模块根据通信协议编写程序代码，采用同步串行通信方式通过串行通信接口与频率综合器通信，将工作方式、工作状态、频点代码的指令和产生的各种控制信号，通过总线发送给频率综合器，频率综合器基于直接数字频率合成器DDS和锁相环PLL，根据锁相环PLL输出频率的关系，得出一本振输出频率f1和第二本振输出频率f2，二本振输出的高频信号根据跳频控制信号经过处理得到某一时刻跳频信号，频率综合器产生相应的频率控制码，得到波段控制码、第一本振数据载入、第二本振数据载入以及DDS控制码相应的控制信号，该信号经过射频信号调理电路处理后输出到待测设备，实现待测设备所需要的激励信号，并输出一组可变的＞1GHz的频率、以及两个固定大于0.8GHz的频率，提供航空电台需求的各个频率值、幅值，并与其它通用仪器相配合，通过设置跳频的跳速，对频率综合器的数据传输、变频跳频的使能控制以及码字转换，利用信号源外部相联的微机，施对航空电台常规指标指标的测试。
本发明具有如下有益效果：
信号源稳定可靠。本发明针对不同跳速航空通信设备的测试问题，采用连接总电源的电源模块，通过频率综合器顺次串联的微机控制模块和显控面模块，电源模块通过对一路输入电压进行不同的变压给信号源中各个部分供电，符合各部分的供电需求。微机控制部分用于产生各种控制信号，通过总线实现对频率综合器的控制。操作者通过人机交互界面实现对微机部分的控制。频综部分采用直接数字频率合成和锁相环，输出一组可变的1GHz左右的频率、以及两个固定大于0.8GHz的频率提供给收发模块使用。通过软件设置跳频信号的跳速和 PN码序列，配合其它设备可以实现对通信设备的检测。改变跳频信号源工作方式，还可以作为多种通信设备的信号源，在施加跳频激励信号的情况下，通过通信设备灵敏度、音频响应等主要技术指标的测试，对照通信设备技术指标，测试结果满足设备技术要求。能够代替两台通用信号源，其体积只有普通信号源8648C体积的一半，能更好的节省空间，携带与摆放方便，另外减少了仪器的租赁费，有很好的经济性。与其它便携设备仪器共同完成多种信号航空通信电台各项指标的测试维修，解决了外场装备检修时无信号源的难题。
本发明采用微机控制模块根据通信协议编写程序代码，采用同步串行通信方式通过串行通信接口与频率综合器通信，将频率综合器的工作方式、工作状态、频点代码的指令和产生的各种控制信号，通过总线发送给频率综合器。这种基于“DDS+PLL”实现的通信设备检测信号源克服了跳频通信设备测量的难题，该信号源充分利用了频率合成中DDS产生频率分辨率高和锁相环输出频率高的优点，克服DDS输出频率低和锁相环频率分辨率低的缺点，实现了对通信设备的控制。宽频带、调速高、抗干扰能力强、可扩展性好。以高本振常规环为例，参考相噪是在DDS与晶振混频后经64分频后得到，DDS与晶振相噪均很低，再经过环路倍频则得到输出相噪在偏离载波1KHz、10KHz优于－95dBc/Hz；对环路带宽以外，VCO在100KHz处的相噪优于－125dBc/Hz。优越的相位噪声使信号源工作稳定、可靠。
信号源精度高、转换时间快。本发明基于直接数字频率合成器DDS和锁相环PLL，根据锁相环PLL输出频率的关系，得出一本振输出频率f1和第二本振输出频率f2，二本振输出的高频信号等于某一时刻跳频信号的输出，频率综合器产生相应的频率控制码，得到波段控制码、第一本振数据载入、第二本振数据载入以及DDS控制码相应的控制信号，该信号经过射频信号调理电路处理后输出到待测设备，实现待测设备所需要的激励信号；输出一组可变的＞1GHz的频率、以及两个固定大于0.8GHz的频率提供给收发模块，与PLL相比较，DDS换频速度极快，为PLL的数千倍、频率分辨力高达10－6Hz，但杂散性能不如PLL，为了实现频率快速转换、产生高精度的信号、具有较强的杂散抑制能力，本发明采用DDS 与PLL相结合的技术实现频率合成。一方面，产生的信号精度特别高，使用方便灵活，适于数字化电子设备的应用，能完成各种调制；另一方面，频率转换速度极快，小于1uS，通过选取合理环路鉴相频率提高环路带宽，使环路的频率转换时间小于18uS，满足快速跳频的要求。试验结果表明该信号源具有频率稳定度高、频率分辨率高、频率转换时间短、改变频率方便等优点。
实用性强、操作界面简便。本发明输出航空电台需求的各个频率值、幅值，并与其它通用仪器相配合，把跳频信号源输出端接到通信设备上，通过设置跳频的跳速，对频率综合器的数据传输、变频跳频的使能控制以及码字转换，利用信号源外部相联的微机，实施对航空电台常规指标的测试。只需接上220V交流电就可工作，设计采用触摸屏操作对设备的参数进行修改，设计程控可变衰减改变信号输出幅度，同时设计LCD液晶显示器显示出其工作状态。使用者通过人机交互的界面便捷、快速设置所需的频率值及幅度值。解决了外场航空电台测试维修无信号源的难题。
本发明适用于机载超短波抗干扰航空电台调试测试及维修的便携式信号源装置。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明；
图1是本发明航空电台专用信号源系统组成框图示意图；
图2是图1电源模块组成框图示意图；
图3是图1微机控制模块组成框图示意图；
图4是图1频率综合器综合模块组成框图示意图；
图5是图4频率综合器低本振部分的电路原理示意图；
图6是4频率综合器高本振部分的电路原理示意图。
具体实施方式
参阅图1。在以下描述示意性的优选实施例中，种航空电台信号源，包括：连接总电源的电源模块，通过频率综合器顺次串联的微机控制模块和显控界面，其特征在于：电源模块将一路输入电压向信号源中各个部分供电，微机控制模块根据通信协议编写程序代码，采用同步串行通信方式通过串行通信接口与频率综合器通信，将工作方式、工作状态、频点代码的指令和产生的各种控制信号，通过总线发送给频率综合器，频率综合器基于直接数字频率合成器DDS和锁相环PLL，根据锁相环PLL输出频率的关系，得出一本振输出频率f1和第二本振输出频率f2，二本振输出的高频信号根据跳频控制信号经过处理得到某一时刻跳频信号，频率综合器产生相应的频率控制码，得到波段控制码、第一本振数据载入、第二本振数据载入以及DDS控制码相应的控制信号，该信号经过射频信号调理电路处理后输出到待测设备，实现待测设备所需要的激励信号，并输出一组可变的＞1GHz的频率、以及两个固定大于0.8GHz的频率，提供航空电台需求的各个频率值、幅值，并与其它通用仪器相配合，通过设置跳频的跳速，对频率综合器的数据传输、变频跳频的使能控制以及码字转换，利用信号源外部相联的微机，实施对航空电台常规指标的调试测试。
参阅图2。信号源由外加电源统一进行供电。电源模块采用两端接地GND三组 DC/DC变换器来实现信号源内部的电压转换，产生数据处理，频综，衰减功能电路需要的 +15V、+5V、-5V电源电压来驱动频率源。而频率源的总功耗在7W左右，故采用 24V/15V(2A)、24V/5V(2A)及24V/-5V(1A)的3组DC/DC变换器来实现。单电源+3V供电，功耗<0.6W；具有宽的输入灵敏度：-10～+5dBm。
参阅图3。微机控制模块包括：带有扩展串口和通信接口的逻辑控制单元，与逻辑单元相连的AD/DA变换电路和CPU处理器，逻辑单元采用同步串行通信方式，根据通信协议编写程序代码，通过CPU处理器串行通信接口对频率综合器传输数据，变频跳频的使能控制信号以及码字转换，给频率综合器发送工作方式、工作状态、频点代码的指令，并与显控面模块通信。
使用者可以通过显控模块人机交互的界面来控制微机模块，在给频率综合器发送控制指令的同时，微机模块内部的LCD液晶显示器同时显示出其工作状态。
参阅图4、图5。频率综合器由低本振和高本振两个部分组成，低本振部分包括：晶振和总线控制模块，以及晶振顺次串联的12分频器、鉴相器PD、低通滤波器LPF、压控振荡器VCO和程控衰减器，其中，DDS与一个PLL形成第一本振信号，鉴相器PD、低通滤波器LPF、压控振荡器VCO、可编程分频器(÷N)构成一个锁相频率合成器的单环PLL。 DDS可以选用AD9850，锁相环PLL可以采用MCl45158，或选用PE3236。
DDS利用正弦信号相位线性增加，并且以2π或360°为一个周期的特性，用一固定频率的时钟，根据所需产生的信号周期确定相位或周期量化单位，不断按此量化单位累加并不断地mod2π每mod一次2π便产生出一个以量化单位为间隔的一定数量的相位值，再按这些离散相位值由正弦表中查出相应的正弦值(这些正弦值都以二进数据表示)，便得到所需频率的数字式相位、幅度正弦信号，由于时钟频率固定，以所不同相位步进量便可产生不同的频率。
晶振频率经12分频为FPD＝G/12，通过低通滤波器LPF滤除的干扰，提高信号的频谱纯度后，通过数模混合实现PLL电路在基准频率；当环路锁定时，进入鉴相器PD的两个基准信号频率相等，通过压控振荡器VCO得到频率控制信号FVCO＝N*FPD，改变N的数值，即可改变信号的频率，该频率控制信号FVCO经程控衰减器后生成低本振频率FL1/FL2，形成单环PLL第一本振信号，第一本振振荡器用来提供收发所需要的两个频率，且固定大于0.8GHz的混频信号。另一个PLL得到第2个本振信号，完成合成频率所需要的控制码和控制逻辑，通过滤波电路滤除一本振和二本振的干扰，提高信号的频谱纯度。其详细组成分见图5、图6。
参阅图6。高本振部分包括：连接晶振的直接数字式频率合成器DDS和总线控制模块，以及顺次串联的低通滤波器LPF、混频器、表声滤波器、与总线控制模块相连的64分频器、鉴相器PD、压控振荡器VCO、可编程分频器、程控衰减器，其中，鉴相器PD通过低通滤波器LPF连接压控振荡器VCO与可编程分频器(÷N)构成典型的锁相频率合成器 PLL。高本振产生采用直接数字频率合成器DDS+PLL频率合成技术，晶振G作为DDS的时钟，DDS通过总线控制模块产生频率FDDS，该频率经过LPF滤波后与晶振产生的G混频得到频率FZ，该频率FZ经过声表滤波器滤除不需要信号作参考信号FREF，FREF经过64分频器进入环路PLL。当环路PLL锁定时，进入鉴相器PD的两个信号频率相等，通过压控振荡器VCO得到频率控制信号FVCO＝N*FPD，改变N的数值，即可改变信号的频率，FVCO经程控衰减器后生成高本振频率FH。
高本振频率FH形成环路PLL的第二本振输出的高频信号为某一时刻跳频信号的输出，该信号经过射频信号调理电路处理后输出到待测设备，实现待测设备所需要的激励信号，频率综合器监测频率控制中心的频率码是否发生变化，如果发生变化则把数据送到DDS和 PLL单元，否则，返回控制中心继续扫描；然后等待PLL达到锁定，如果没有达到锁定，则失锁计数增加l，对此信号进行判断，如果该信号小于6，则控制中心再一次发送频率码到DDS和PLL单元，如果失锁计数信号大于等于5，则发出失锁告警信号显示频率综合成器故障。
一本振和二本振的信号根据跳频控制信号经过处理形成跳频通信所需要的某一时刻的频率。在不同时刻就会产生不同的频率，频率合成器产生的频率最后送到调理电路进行处理二本振信号的产生和一本振有所不同，它的产生主要由MCl45158锁相环实现，其参考频率和DDS的参考频率相同，这样保证了整个频率合成器频率稳定度。
以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及设备；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种航空电台信号源，包括：连接总电源的电源模块，通过频率综合器顺次串联的微机控制模块和显控界面，其特征在于：电源模块将一路输入电压向信号源中各个部分供电，微机控制模块根据通信协议编写程序代码，采用同步串行通信方式通过串行通信接口与频率综合器通信，将工作方式、工作状态、频点代码的指令和产生的各种控制信号，通过总线发送给频率综合器，频率综合器基于直接数字频率合成器DDS和锁相环PLL，根据锁相环PLL输出频率的关系，得出一本振输出频率f1和第二本振输出频率f2，二本振输出的高频信号根据跳频控制信号经处理得到某一时刻跳频信号，频率综合器产生相应的频率控制码，得到波段控制码、第一本振数据载入、第二本振数据载入以及DDS控制码相应的控制信号，该信号经过射频信号调理电路处理后输出到待测设备，实现待测设备所需要的激励信号，并输出一组可变的＞1GHz的频率、以及两个固定大于0.8GHz的频率，提供航空电台需求的各个频率值、幅值，并与其它通用仪器相配合，通过设置跳频的跳速，对频率综合器的数据传输、变频跳频的使能控制以及码字转换，利用信号源外部相联的微机，施对航空电台常规指标指标的测试。
2.如权利要求1所述的航空电台信号源，其特征在于：电源模块采用两端接地GND三组DC/DC变换器来实现信号源内部的电压转换，产生数据处理，频综，衰减功能电路需要的+15V、+5V、-5V电源电压来驱动频率源。
3.如权利要求1所述的航空电台信号源，其特征在于：微机控制模块包括：带有扩展串口和通信接口的逻辑控制单元，与逻辑单元相连的AD/DA变换电路和CPU处理器，逻辑单元采用同步串行通信方式，根据通信协议编写程序代码，通过CPU处理器串行通信接口对频率综合器传输数据，变频跳频的使能控制信号以及码字转换，给频率综合器发送工作方式、工作状态、频点代码的指令，并与显控面模块通信。
4.如权利要求1所述的航空电台信号源，其特征在于：频率综合器由低本振和高本振两个部分组成，低本振部分包括：晶振和总线控制模块，以及晶振顺次串联的12分频器、鉴相器PD、低通滤波器LPF、压控振荡器VCO和程控衰减器，其中，鉴相器PD、低通滤波器LPF、压控振荡器VCO、可编程分频器÷N构成一个锁相频率合成器的单环PLL，晶振、12分频器与PLL形成第一本振信号。
5.如权利要求1所述的航空电台信号源，其特征在于：晶振频率经12分频为FPD＝G/12，通过低通滤波器LPF滤除的干扰，提高信号的频谱纯度后，通过数模混合实现PLL电路在基准频率；当环路锁定时，进入鉴相器PD的两个基准信号频率相等，通过压控振荡器VCO得到频率控制信号FVCO＝N*FPD，改变N的数值，即可改变信号的频率，该频率控制信号FVCO经程控衰减器后生成低本振频率FL1/FL2，形成单环PLL第一本振信号。
6.如权利要求1所述的航空电台信号源，其特征在于：高本振部分包括：连接晶振的直接数字式频率合成器DDS和总线控制模块，以及顺次串联的晶振、低通滤波器LPF、混频器、表声滤波器、64分频器、鉴相器PD、压控振荡器VCO、可编程分频器、程控衰减器，其中，鉴相器PD通过低通滤波器LPF连接压控振荡器VCO与可编程分频器(÷N)构成典型的锁相频率合成器PLL。
7.如权利要求1所述的航空电台信号源，其特征在于：DDS利用正弦信号相位线性增加，并且以2π或360°为一个周期的特性，用一固定频率的时钟，根据所需产生的信号周期确定相位或周期量化单位，不断按此量化单位累加并不断地mod2π每mod一次2π便产生出一个以量化单位为间隔的一定数量的相位值，再按这些离散相位值由正弦表中查出相应的正弦值，这些正弦值都以二进数据表示，便得到所需频率的数字式相位、幅度正弦信号，即实现了频率综合。
8.如权利要求7所述的航空电台信号源，其特征在于：高本振产生采用直接数字频率合成器DDS+PLL频率合成技术，晶振G作为DDS的时钟，DDS通过总线控制模块产生频率FDDS，该频率FDDS经过LPF滤波后与晶振产生的G混频得到频率FZ，该频率FZ经过声表滤波器滤除不需要信号作参考信号FREF，FREF经过64分频器进入环路PLL；当环路PLL锁定时，进入鉴相器PD的两个信号频率相等，通过压控振荡器VCO得到频率控制信号FVCO＝N*FPD，改变N的数值，即可改变信号的频率，FVCO经程控衰减器后生成高本振频率FH。
9.如权利要求9所述的航空电台信号源，其特征在于：高本振频率FH形成环路PLL的第二本振输出的高频信号为某一时刻跳频信号的输出，该信号经过射频信号调理电路处理后输出到待测设备，实现待测设备所需要的激励信号，频率综合器监测频率控制中心的频率码是否发生变化，如果发生变化则把数据送到DDS和PLL单元，否则，返回控制中心继续扫描；然后等待PLL达到锁定，如果没有达到锁定，则失锁计数增加l，对此信号进行判断，如果该信号小于6，则控制中心再一次发送频率码到DDS和PLL单元，如果失锁计数信号大于等于5，则发出失锁告警信号显示频率综合成器故障。
10.如权利要求1所述的航空电台信号源，其特征在于：一本振和二本振的信号根据跳频控制信号经过处理形成跳频通信所需要的某一时刻的频率；在不同时刻就会产生不同的频率，频率合成器产生的频率最后送到调理电路进行处理二本振信号的产生和一本振有所不同，它的产生主要由MCl45158锁相环实现，其参考频率和DDS的参考频率相同，这样保证了整个频率合成器频率稳定度。
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