基于FPGA的罗盘激励器研究

发布时间：2017-09-28 07:16

  本文关键词：基于FPGA的罗盘激励器研究

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【摘要】：无线电罗盘是机载无线电导航系统的重要组成设备,它能连续自动的指出航向角,引导飞机正确航行,其技术性能的优劣直接影响飞机的飞行安全。因此,对航空无线电罗盘各项性能指标进行定期检测是十分必要的。罗盘激励器是检测罗盘性能的专用设备,传统的罗盘激励器由一个通用信号源和一个天线模仿仪组成,其整个系统体积大,不便携带,且价格高。并且天线模仿仪通常采用电机驱动式的机械结构,或者采用模拟电路,容易产生干扰,输出的罗盘信号不纯净。因此传统罗盘测试系统存在测试精度差,测试方位角固定在某几个值,可靠性低等缺点。本文在深入分析调幅制罗盘工作原理和现有的某罗盘测试系统的基础上,针对现有测试系统存在的不足,基于FPGA技术,提出了一种全新的无线电罗盘激励器的设计方案。该方案以USB作为上位机通信接口,以FPGA芯片为信号处理核心,在FPGA内部基于DDS技术生成各种调制信号,通过查找表法实现导航方位角的生成,采用过零检测算法和幅值比较算法在FPGA内部重构出与罗盘接收机中同频同相的低频信号,最后在FPGA内产生导航AM信号,实现环形天线的平衡调制,合成符合单调幅制或双调幅制罗盘信号模型的组合信号。在输出信号幅度控制模块中,设计了一个基于R2R结构乘法型DAC的数控衰减器,该衰减器衰减范围大、体积小、成本低,可以使罗盘激励器输出信号幅度在50uv~1V之间连续变化,设计变化步进为15uv,实测变化步进在228uv时是准确的,输出信号最低幅度低于50uv,满足罗盘灵敏度测试信号要求。本文还对罗盘激励器中的核心技术DDS进行了分析研究,对DDS相位截断误差造成的杂散进行了simulink仿真,对抑制杂散的相位抖动,噪声整形等技术也进行了仿真,通过仿真表明相位抖动可以很好的抑制DDS输出信号的杂散。在实际FPGA系统中,以M序列作为扰码进行相位抖动。本文还基于Labview设计了上位机软件,在上位机软件中加入了罗差预处理模块,可以有效的抵消实际罗盘中的罗差补偿,使测得的罗盘数据能直接反映罗盘的性能。最后,根据设计的方案制作了实际的软硬件系统,并进行了性能测试。测试结果表明,该方案产生的信号基本能满足某型罗盘性能测试要求。将其应用于该型无线电罗盘的检测系统中,可以大大提高检测的工作效率和提升整个系统的准确度和稳定度,并且还能降低成本和功耗。
【关键词】：FPGA 罗盘激励器 DDS R2R 数控衰减器 AM
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V249.324
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-12
• 符号对照表12-13
• 缩略语对照表13-17
• 第一章 绪论17-23
• 1.1 课题研究背景及意义17-18
• 1.2 国内外研究现状18-20
• 1.2.1 国外研究现状18-19
• 1.2.2 国内研究现状19-20
• 1.3 论文研究工作安排20-23
• 第二章 无线电罗盘定向原理和DDS技术分析23-39
• 2.1 无线电罗盘基本功能和结构23
• 2.1.1 无线电罗盘基本功能23
• 2.1.2 调幅制无线电罗盘基本组成23
• 2.2 无线电罗盘的定向原理23-30
• 2.2.1 环形天线的方向性24-25
• 2.2.2 垂直天线的方向性25
• 2.2.3 心脏形方向图25-26
• 2.2.4 单调幅制罗盘定向原理数学分析26-28
• 2.2.5 双调幅制罗盘定向原理数学分析28-30
• 2.3 罗盘误差与干扰分析30-31
• 2.3.1 象限误差的产生30-31
• 2.3.2 电波传播误差31
• 2.3.3 互调干扰误差31
• 2.4 DDS技术分析31-36
• 2.4.1 DDS的基本结构和工作原理31-32
• 2.4.2 DDS技术的主要特点32-33
• 2.4.3 DDS输出特性和杂散分析33-36
• 2.5 抑制相位截断杂散的常用措施与仿真36-39
• 第三章 罗盘激励器硬件系统设计39-59
• 3.1 罗盘激励器设计指标39-40
• 3.1.1 罗盘测试需求39
• 3.1.2 激励器设计指标39-40
• 3.2 系统总体架构40
• 3.3 FPGA电路40-43
• 3.3.1 下载配置电路41-42
• 3.3.2 复位电路42
• 3.3.3 时钟电路设计42-43
• 3.4 D/A子系统电路设计43-46
• 3.5 A/D子系统电路设计46-47
• 3.6 DAC程控衰减电路设计47-51
• 3.6.1 R2R乘法型DAC工作原理48
• 3.6.2 R2R衰减电路仿真48-49
• 3.6.3 基于DAC芯片的衰减电路设计49-51
• 3.7 滤波器设计51-55
• 3.8 USB通讯模块设计55-57
• 3.9 电源模块设计57-59
• 第四章 罗盘激励器软件设计59-77
• 4.1 可编程逻辑器件及其开发环境介绍59-60
• 4.1.1 FPGA简介59
• 4.1.2 FPGA设计流程59
• 4.1.3 Quartus II 12.0 集成开发环境59-60
• 4.2 软件整体架构设计60-61
• 4.3 导航方位角产生模块61-62
• 4.4 USB接口模块设计62-63
• 4.5 DDS核心模块实现63-65
• 4.5.2 相位累加器设计64
• 4.5.3 波形存储器设计64-65
• 4.6 导航AM信号的FPGA实现65-66
• 4.7 继电器开关控制逻辑设计66-67
• 4.8 DDS杂散抑制模块实现67-68
• 4.8.1 频率控制字调整模块设计67-68
• 4.8.2 相位抖动模块设计68
• 4.9 低频调制信号同步模块设计68-71
• 4.9.1 单调幅制罗盘同步信号产生模块设计68-69
• 4.9.2 双调幅制罗盘同步信号产生模块设计69-71
• 4.10 外围接口控制模块71-73
• 4.10.1 AD控制模块71-72
• 4.10.2 DA控制模块72
• 4.10.3 程控衰减器控制模块72-73
• 4.11 上位机软件设计73-77
• 4.11.2 固件程序设计74-75
• 4.11.3 USB驱动程序设计75
• 4.11.4 用户应用程序设计75-77
• 第五章 系统性能测试77-83
• 5.1 输出波形观测77-78
• 5.2 输出频率范围78-79
• 5.3 输出信号幅度测试79-80
• 5.4 实际用于某型号双调幅制罗盘的性能测试80-81
• 5.4.1 灵敏度测试80
• 5.4.2 方位精度测试80-81
• 5.5 本章小节81-83
• 第六章 总结与展望83-85
• 6.1 总结83
• 6.2 展望83-85
• 参考文献85-89
• 致谢89-91
• 作者简介91-92

【参考文献】

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1 董理o，

本文编号：934515