INDRA DVOR VRB-53D边带信号产生与辐射时序探究

INDRA DVOR VRB-53D边带信号产生与辐射时序探究

李晓冬

（民航安徽空管分局 安徽 合肥 230000）

摘要：近几年来，越来越多的民航空管局开始安装更新INDRA公司的DVOR VRB-53D设备，安徽空管分局也将在今年完成对该型号设备的安装使用，本文通过理论分析阐述了边带信号的产生与辐射时序原理，为民航安徽空管分局新型DVOR平台建设工作打下基础。

关键词：边带信号；天线；辐射时序；SGU；NCO；DDS；

0引言

INDRA DVOR VRB-53D设备由固态组件构成，通过数字化控制实现信号产生。它同时将基准相位信号和可变相位信号发送到各自的天线系统，天线系统效率高、可靠性好，尺寸小。DVOR地面信标发射多个信号，这些信号在空间中合成以模拟复杂的双边带信号。飞机从这个信号中获取两个30Hz的信号，其中一个信号是基准相位信号，与飞机所处方位无关。另一个信号称为可变相位信号，与发射信号的磁方向具有一一对应关系。通过测量基准30Hz和可变30Hz信号之间的相位差来获得方位信息。

1边带信号辐射流程

VRB-53D包括两个相同的系统，每个系统由一个控制和监视单元（CMU），一个监视接收单元（MRU），一个信号产生系统（SGS）和一个电源单元（PSU）组成，它们与中央天线和天线分配系统（ADS）以及一个或多个监视器接收天线相互连接。一个信号产生系统包含四个模块：信号产生单元（SGU）、边带功率放大器（SPA，数量2个）和基准功率放大器（RPA）。SGU输出8路经过混合函数调制的边带信号，经SPA功率放大器进行放大，放大到天线发射所需要的功率，再经过ADS天线分配系统将两个SPA输出的8路边带信号依次送到48根边带天线上进行辐射。

2 边带信号的产生

边带信号由信号产生单元（SGU）产生，SGU生成9个信号：基准信号，四个上边带信号和四个下边带信号。边带信号在被放大之后通过ADS被分配给各个天线，ADS又接收来自SGU的切换信息。任何时候，SGU都会从其两个NCO IC（U260 AD9959和U262 AD9959）中产生八个边带信号。这些边带输出中的四个被设置为偏移到载波频率+9960Hz的频率。其他四个边带信号被设置为偏移到载波频率-9960Hz的频率。

边带信号是通过SGU里核心芯片AD9959生成的，该芯片是一款高性能的四通道DDS 频率合成芯片，其最高采样速率可达500Msample／S。它通过一个公用的参考时钟同步四个独立的DDS通道，避免了由于器件差异引起的时钟同步困难的问题。每个DDS通道均采用独立的32bit频率控制字（FTW），14bit相位偏移控制字，并通过10bit DAC转化为标准正弦输出，因此它能在各通道灵活地提供频率、相位、幅度控制。这AD9959的四个DDS核均由32bit相位累加器和相位－幅度转换器组成。当相位累加器开始计数并且相位增量（即频率控制字）大于0时，相位－幅度转换器把相位累加器的输出数据作为波形存储器的取样地址将相位信息通过cos（θ）操作转换为幅度信息，从而输出数字正弦波（即梯形正弦波）。图1为DDS的系统框图：

图1：DDS系统框图

在VRB-53D中，SGU使用包含在三个集成芯片IC中的九个数控振荡器(NCO)。其中两个集成芯片IC，每个具有四个输出，直接生成八个边带信号，另外一个芯片输出载波信号以及参考信号。这九个NCO使用相同的主时钟，由TCXO U600在频率24.8832MHz上产生的。该信号(Tx_Ref_Clk_In)也可以通过背板从外部源馈入。在NCO内部，此频率乘以预定因子，以产生合成器的系统时钟FS，通过向DDS中地址为0x04的频率寄存器写入32位频率控制字FTW，频率控制字由累加器累加得到相应的相码,相码寻址ROM进行相码-幅码变换输出不同的幅度编码,再经过数模变换器得到相应的阶梯波, 最后经低通滤波器对阶梯波进行平滑,即得到由频率控制字决定的连续变化的输出波形。输出信号的频率与频率控制字（FTW）之间的关系满足下式：

SGU中第一个NCO集成芯片用于生成载波信号，输出同步时钟SYNC—CLK，充当时钟控制器，并保持其他两个NCO集成芯片的振荡器同步。同时NCO产生载波和边带信号，作为数字模拟转换（DAC）阶段的一部分，实现了调幅。

边带信号采用复杂的混合函数信号调制（Blending），DAC输出的调制信号频率为360Hz，FPGA从SGU的外部SDRAM 中读取Blending 信号比例因子作为幅度控制字，每10.85us改变一次AD9959射频输出信号幅度值，完成混合函数调制。

边带信号也需要调制，因为发射信号不是简单地从一个天线转换到另一个天线，当发射的信号在任何给定天线处达到最大值时，则没有其他天线在发射。随着下一天线的功率开始增加，前一天线的功率开始减小。当新天线达到最大值时，先前的天线功率减小到零，而下一个天线开始辐射信号。此过程称为混合，通过适当地AM调制边带信号以模拟虚拟天线在两个相邻天线之间的空间上的平滑运动来实现。因此，空间中的每个边带信号从多达四个相邻天线辐射。来自每个天线的信号在幅度和相位上均受到控制。VRB-53D采用的控制方案的目的包括：模拟环形阵列周围的单个信号源从一个天线到下一个天线的平滑线性（随时间）旋转，并且还补偿由于阵列中天线之间的耦合。

每个边带输出信号必须从一个偏移量到另一个偏移量，每秒30次。信号频率总是成对变化的：当一个从高偏移到低时，另一个从低偏移到高。当一个信号从一个边带频率变化到另一个时，它必须与其他三个具有相同频率的信号具有相同的相位，即所有四个信号必须同相。

3 边带天线切换与系统时序

DVOR信标使用48根边带天线，逆时针方向从1号到48号编号。安装系统时注意尽量使1号边带天线、中央载波天线和磁北方向在一条直线上。

天线环被分成两个部分，其一是天线1到24组成，另外一部分是天线25到48组成。对于30Hz切换周期的前半部分（即：16.6毫秒），LSB能量被馈送至第一组中的天线（1至24），从天线1开始，USB能量从天线25开始馈送到第二组（25至48）内的天线。对于后半周期，情况相反。

天线切换的时序如图2中的系统时序图所示。这显示了天线切换，30 Hz AM 基准信号与信标中其他相关信号之间的关系。零度（或时间t=0）是指30 Hz AM 基准正弦波过零点位置。在零度时，LSB能量处于峰值，从1号天线辐射，并且USB能量也处于峰值，从25号天线辐射（如图2中的交叉线“包络”所示）。半个周期后，在180度时，USB从天线1发出，LSB从天线25发出。注意：图2仅显示了边带信号（从1号天线到2号天线以及从 25号天线到26号天线）。当一个天线正在发射时，两个相邻的天线也会发射幅度和相位合适的补偿信号。

图2：天线切换时序图

为了调整台站的方位角，30Hz AM 基准相对于天线切换信号而变化。由于信号是数字合成的，调整范围为±180°。

边带信号通过一个固定边带射频通道馈送到天线。该通道的频率（LSB或USB）、相位及其调幅幅度（混合功能）在任何时刻都由数控振荡器(NCO)控制，而NCO则由固件控制。在任何时刻，ADS（Antenna Distribution Switch）在SGU同步信号作用下，将两个SPA输出的8路边带信号依次送到48个边带天线上，48个边带天线被分为8组,每组6个，每路边带信号通过6个开关依次连接到一个天线组里的6个天线上。每组天线里任何时刻只有一个开关闭合，与之相连的天线就和驱动该天线组的这路边带信号相连。当开关断开时，与之相连的天线和一个 50 欧姆的负载阻抗相连。

两个SPA一共输出8个边带通道，4个通道发送下边带信号，4个通道发送上边带信号，每个通道同时馈送一个天线。天线环上有48个天线，然后ADS切换一个边带通道，馈送6个天线中的一个。其分布如图3所示。

图3：天线系统时序

4 结语

相较于民航系统目前在用的THALES DVOR 432全向信标设备，INDRA VRB-43D设备采用DDS技术，边带信号的产生更简单，同时上、下边带天线采用四天线辐射，外侧的两根天线辐射补偿信号，增强了信号辐射面积，抵消了天线之间的耦合，使得该套系统在运行中更为稳定，也为民航业导航系统打下坚实的基础。作者简介：李晓冬，男 ，汉族 ，安徽合肥，本科，助理工程师，研究方向：INDRA VRB 53D边带信号的产生与辐射