（电路与系统专业论文）基于VXI总线的无线电测向处理器的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 无线电测向不仅在民用的无线电监测和管理领域起着重要作用，而且在现代 军事电子对抗中也必不可少。作者在深入研究了当前国内外无线电测向技术和 v x i 总线技术的基础上，提出并实现了一种新的模块化、基于v x i 总线的无线 电测向处理器，这对于国民经济和国防安全都有着巨大意义。 论文所设计的硬件平台是一个可以实现多种测向算法的通用平台。在论文 中，作者对多种无线电测向算法作了研究，并在作者所设计的硬件平台上实现了 相关干涉仪测向算法。 论文的主要内容包括：v x i 总线消息基接口硬件设计、测向功能电路的实现、 字串行通信协议的实现、s c p i 命令翻译以及v x i 总线仪器驱动器设计等。其中 作者在设计v x i 总线消息基接口时，考虑了这一接口的通用性，实现了消息基 接口的复用。 关键词：无线电测向；v x i 总线；d s p 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t r d f ( r a d i o d i r e c t i o nf i n d i n g ) i sn o to n l yp l a y i n ga ni m p o r t a n tr o l ei nt h e a r e ao fc i v i lr a d i om o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n t ，b u ta l s ou s e di n d i s p e n s a b l yi n m o d e r nm i l i t a r ye l e c t r o n i cw a r f a r e an e wm o d u l a r i z e dv x i b u sb a s e dr a d i o d i r e c t i o nf i n d i n gp r o c e s s o ri sp r o p o s e dw i t he x p l o r i n gt h ea c t u a lt e c h n o l o g yo f r a d i od i r e c t i o n f i n d i n g a n dv x l b u si n d e p t h t h i s h a v e v e r yi m p o r t a n t s i g n i f i c a n c et oo u rc o u n t r y se c o n o m y a n dn a t i o n a ld e f e n c e t h eh a r d w a r ep l a t f o r m ，d e s i g n e db yt h ea u t h o r , c a ni m p l e m e n tv a r i o u s r a d i od i r e c t i o nf i n d i n gp r i n c i p l e s v a r i o u sr a d i od i r e c t i o nf i n d i n gp r i n c i p l e sa r e r e s e a r c h e di n t h i s p a p e r ，a n d c o r r e l a t i v ei n t e r f e r o m e t e r p r i n c i p l e s a r e i m p l e m e n t e d i nt h ev x i b u sb a s e dh a r d w a r ep l a t f o r m t h i st h e s i si n c l u d e st h eh a r d w a r ed e s i g no fm e s s a g e d b a s e di n t e r f a c e ，t h e h a r d w a r eo ff u n c t i o n a lc i r c u i to fr a d i od i r e c t i o nf i n d i n g ，t h er e a l i z a t i o no ft h e w o r ds e r i a lt r a n s f e r s ，t h et r a n s l a t i n go fs c p ic o m m a n d sa n dt h ep r o g r a m m eo f v x ： b u sb a s e di n s t r u m e n td r i v e r , w h e nt h ea u t h o rd e s i g n e dt h eh a r d w a r eo f m e s s a g e d _ b a s e di n t e r f a c e ，r e u s eo f t h ei n t e r f a c ei sc o n s i d e r e db yt h ea u t h o r t h e r e f o r e ，t h eh a r d w a r eo fm e s s a g e d b a s e di n t e r f a c ec a nb er e u s e di n o t h e r v x i b u sb a s e dm o d u l e s k e yw o r d s ：r a d i od i r e c t i o nf i n d i n g ，v x i b u s ，d s p i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：塑皇坠日期：! 竺三! ! ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：邱巫绳、导师签名 堂鍪吼巡羔多 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景和意义 随着无线电频谱资源的广泛应用和无线电通信的日益普及，为了有效和可靠 地利用有限的频谱资源，以及确保无线电通信的畅通，无线电监测和无线电测向 已经必不可少，其地位和作用日益重要。 软件无线电 1 】【2 i 和测量自动化技术的发展，使得无线电测向处理器和监测接 收机的性能和系统扩展性得到了迅速提高。 为了实现无线电测向处理器的模块化和自动化，需要选取合适的总线。v x i 总线 3 【4 1 广泛应用于测量自动化和虚拟仪器领域，世界上众多的电子仪器公司开 发了种类繁多的v x i 模块并有强大的支持能力，为用户组建测试系统提供了方 便。系统集成和软件开发快速方便，构成的系统稳定可靠。因此，我们选用了 v x i 总线测试平台，研究和开发基于v x i 总线的无线电测向系统。 v x i 总线是一种新型测量仪器系统的标准总线。由于它具有标准开放、结构 紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用等优点，短短的十年 时间里，便得到了工业界的认可，特别是近几年，随着“v x i p l u g & p l a y ”联盟的不 懈努力和v x i 总线产品的不断涌现，v x i 总线系统的组建和使用越来越方便， 其应用也越来越广，尤其是在组建大、中规模自动测试系统以及对速度、精度要 求较高的场合，有着其他仪器系统无法比拟的优势。 作者把无线电测向和v x i 总线技术的结合起来，开发出适应需要的新一代 无线电测向处理器，产品主要用于国家无线电管理、国防、公安、广播电视、航 管部门等。 1 2 国际国内研究状况和进展 无线电测向处理器的研究最初可以追溯到上个世纪初，那时人们利用天线的 方向性来对海上船舶进行导航，此后在二次世界大战中，人们研究了采用各种测 向原理的测向处理器，这些测向处理器在不同的场合得到广泛应用，但是这些测 向处理器都是基于模拟电子技术的，因而测向的精度、速度以及其他技术指标都 北京工业大学工学硕士学位论文 受到很大限制，直到上世纪8 0 年代以后，随着数字信号处理技术和数字器件的 突飞猛进，无线电测向处理器开始由模拟技术转向数字技术，各种技术指标也得 到极大提高。 首先，高速、多位a d c 提高了数据采集速度和精度。空中的无线电信号要 经过天线和下变频接收机的处理才能最终转化为测向所需要的信号。受到目前器 件速率的限制，射频信号无法直接被数字化，因此接收机负责将信号速率降低到 可以被数字化处理的频率。显然a d c 的速度越快，所采集的信号时间分辨率就 越高，即相同时间内信号具有更多的样本，因此采用高速a d c 的测向系统对于 跳频和突发等信号具有更强的捕捉能力。同时a d c 的精度越高，每个样本的比 特数就越多，可以为系统提供更宽的动态范围，使得测向系统能够适应不同强度 的信号。 其次，高速d s p 芯片【5 】提高了数据处理速度。近年来，d s p 芯片种类不断 增多，处理速度不断提高，价格不断下降，同时实际应用中多个d s p 的并行处 理逐渐成为热点，可以说d s p 芯片为各种数字信号处理算法提供了强大的支持。 国内外所有的测向处理器都采用了高速的d s p 芯片进行测向运算，尽管测向算 法不同，但是d s p 芯片强大的指令系统和高速的处理能力使得它实现任何测向 算法都游刃有余。 再次，新的测向算法提高了测向的速度和精度。在模拟技术时代，无线电波 的方向主要来自对入射电波的幅度或相位的分析，这些分析都是基于模拟技术进 行，因此不但精度受到影响，而且也无法对信号进行更复杂的运算。 数字技术改变了这一切，采用数字信号处理技术可以对数字样本进行更复杂 的处理以得到精确的结果。数字技术带来更多的测向算法，例如干涉仪测向算法、 相关干涉仪测向算法、伪多普勒测向算法等，而且每一种测向算法根据接收机和 天线的具体配置情况有不同的实现和优化方法。此外，由于数字信号处理技术的 巨大优点，一些曾经被认为已经落后的测向算法，例如比幅式测向算法在吸收了 数字信号处理的长处之后现在也成为国内外无线电测向处理器常用的测向算法。 各种测向原理和数字信号处理的结合极大地提高了测向的速度和精度。 目前，国内外的无线电测向系统大都采用外部的工控机作为控制，工控机内 第1 章绪论 部采用i s a 或者p c i 总纠6 1 ，有些仍然采用传统的分立仪器组合实现。其中把 v x i 总线和测向处理器结合起来的目前只有美国c u b i c 公司。美国c u b i c 公司生 产的v x i 接收机翻嘲和v x i 比幅式测向处理器可以用来构成无线电测向系统， 但是该系统采用w a t s o n w a t t 比幅式测向体制，而国内的用户对干涉仪体制的测 向处理器的需求较大，目前国内外还没有基于v x i 总线的干涉仪体制测向处理 器。因此我们研制基于v x i 总线无线电测向处理器就具有极大的意义。 本项目完成后，不仅可以满足我国无线电监测、国防、安全等部门的实际需 要，还可以打破少数发达国家对我国的技术封锁，为我国的无线电监测、国防、 安全等部门的设备建设做出贡献。 1 3 论文各部分的主要内容 论文的第2 章讨论了v x i 总线标准以及v x i 总线仪器。第3 章概述了无线 电测向系统构成和各种测向原理，并对一些测向算法进行了研究。第4 章论述了 基于v x i 总线测向处理器的设计与实现，包括硬件的设计和相应的软件设计。 第5 章讲述了仪器驱动器的结构，编写了仪器驱动器的实现函数。 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章v x i 总线测试系统 2 1v x i 总线概述 v x i 总线测试平台是公认的2 1 世纪仪器总线系统和自动测试系统的优秀平 台。它是v m e 总线在仪器领域的扩展( v m e b u se x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 。 v x i 总线仪器的优点是：易于集成为不同用途的自动测试系统，具有优良的交互 操作性，数据传输率高，可靠性高，易维修，体积小，重量轻，功耗低，可移动 性好，价格与传统自动钡4 试系统相比具有巨大的竞争潜力，同时它具有稳定的电 源，强有力的冷却能力和严格的r f i e m i 屏蔽。由于它的标准开放、结构紧凑、 数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点， 很快得到广泛的应用。 2 1 1v x i 总线的产生 v x i 总线规范是由c o l o r a d od a t as y s t e m ，h e w l e t tp a c k a r d ，r a c a ld a n a ， t e k t r o n i x 和w a v e t e k 等五家国际著名的测试和仪器公司组成的联合体共同制定 的。该联合体于1 9 8 7 年7 月提出了v x i 总线规范的第一个版本，几经修改和完 善，于1 9 9 2 年9 月1 7 日经i e e e 标准局批准为i e e e 1 1 5 5 一1 9 9 2 标准，1 9 9 8 年颁布了2 0 版本。它综合了g p i b 总线 9 1 和v m e 总线1 0 1 的优点。 g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 为8 位并行通用接口总线，是最流行 的台式仪器之间及与计算机之间的通信接口。g p i b 的硬件规范和软件协议已纳 入工业标准i e e e 4 8 8 1 和i e e e 4 8 8 2 。g p i b 是最早的仪器总线，目前多数仪器 都配置了遵循i e e e4 8 8 的g p i b 接口，可以方便地使用不同厂商的仪器构建用 户的测试系统。 典型的g p i b 测试系统包括计算机、计算机g p i b 接口卡和g p i b 仪器，所 有器件以菊花链形式连接到总线上。每台g p i b 器件有唯一的地址，由计算机控 制操作。系统中的仪器可以增加、减少或更换，只需对计算机的控制软件作相应 修改。符合g p i b 总线规范的仪器通过标准的s c p i ( s t a n d a r dc o m m a n d sf o r p r o g r a m m a b l ei n s t r u m e n t s ) 命令相互通信，因而系统集成和软件开发者不必关心每 个仪器的内部细节和协议，缩短了应用开发时间。 4 第2 章v x i 总线测试系统 但是g p i b 的数据传输速度一般低于1 m b s ，不能满足仪器间高速数据传输 的需要。 v m e 总线规范广泛应用于3 2 位或6 4 位微型计算机系统，于1 9 8 7 年被i e e e 接受为标准。v m e 总线接口规范在机械和电气逻辑两个方面作了规定，机械方 面规定了v m e 器件的物理尺寸、v m e 背板和机箱等，所有v m e 器件都作为一 个插板插入到机箱中通过背板通信；逻辑上规定了模块之间的通信协议。v m e 总线的目标是总线上任意两台器件间可以通信而不受其他器件影响，因此v m e 是为多处理器系统而设计的，比i s a 、p c i 等单处理器外设、局部总线有明显的 优点，适合构成性能强大的多处理器系统。 与g p i b 总线相比，v m e 总线设备之间可以高速通信，因此v m e 也应用 于电子仪器领域。但由于v m e 是为数字系统而设计，用于精密的模拟测量时噪 声过大；另外，器件通信采用- 7 进制寄存器读写方式进行，不采用s c p i 标准命 令，编程时需了解每个器件的内部结构和寄存器功能，不如g p i b 器件方便。 v x i 总线联盟总结了这两种总线的优缺点，吸收两者高速通信和易于集成 的优点，并增加一些新的功能，创建了目前最好的卡式仪器标准v x i 总线标 准。 2 1 2v x i 总线标准规范 v x i 总线测试平台的核心是解决v x i 总线系统硬件和软件的标准化，从而 提高系统的互用性，使之更易于集成和应用。v x i 总线规范的主要目的是： ( 1 ) 使设备之间以明确的方式通信： ( 2 ) 使v x i 系统比标准的机架堆叠式系统具有更小的物理尺寸： ( 3 ) 使用专门的通信协议和更宽的数据通道为测试系统提供更高的系统吞 吐率； ( 4 ) 提供可用于军事模块化仪器系统的测试设备； ( 5 ) 通过使用虚拟仪器原理方便地扩展测试系统的功能； ( 6 ) 通过使用统一的公共接口降低系统集成时的软件开发成本； ( 7 ) 在该规范内定义实现多模块仪器系统的方法。 5 北京工业大学工学硕士学位论文 国际上现有两个v x i 总线组织。一个是v x i 总线联合体，另一个是v p p ( v x i p l u g & p l a y ) 系统联盟儿】，前者主要负责v x i 总线硬件( 即仪器级) 标准规范的 制订；而后者的宗旨是通过制订一系列的v x i 总线软件( 即系统级) 标准来提 供一个开放的系统结构，使其更容易集成和使用。所谓v x i 总线标准体系就由 这两套标准构成。 v x i 总线仪器级的主要文件包括： v x i 总线系统规范( i e e e l l 5 5 1 9 9 2 ) ( v x i - 1 ) ，v x i 总线扩展的寄存器基器件和扩展的存储器器件( v x i 2 ) ，v x i 总线 器件识别的字符串命令( v x i 一3 ) ，v x i 总线通用助记符( v x i 一4 ) ，v x i 总线通用 a s c i i 系统命令( v x i 一5 ) ，v x i 总线多机箱扩展系统( v x i 一6 ) ，v x i 总线共享存储 器数据格式规范( v - 7 ) ，v x i 总线冷却测量方法x i 一8 ) ，v x i 总线标准测试程 序规范( v x i 一9 ) ，v x i 总线高速数据通道( v y d 一1 0 ) 。 v x i 总线系统级的主要文件包括：v p p 系统框架技术规范( v p p 一2 ) ，仪器驱 动程序技术规范( v p p 一3 ) ，标准的软件输入输出接e l 技术规范( v p p 4 ) ，v x i 组件 知识库技术规范( v p p 一5 ) ，包装和安装技术规范( v p p 一6 ) ，软面板技术规范 ( v p p 一7 ) ，v x i 模块主机机械技术规范( v p p - 8 ) 和仪器制造商缩写规n ( v p p 一9 ) 。 v p pl o g o 技术规范和组件注册( v p p 1 0 ) 。每一个规范下面根据情况不同还包括 一些子规范。例如v p p 3 的仪器驱动程序技术规范下面还包括仪器驱动器的结 构和设计规范、开发工具规范、功能面板规范等。 2 2v x i 总线系统的体系结构 2 2 1v x i 总线仪器系统物理和电气结构 从物理结构看，一个v x i 总线系统由一个主机箱和各种v x i 总线测试仪器 构成。如图2 1 所示，主机箱并非普通的机箱，它不但负责为嵌入模块提供安 装环境与背板连接，而且在电磁兼容性、电源分布、v x i 主机箱和嵌入模块的冷 却方法与气流要求等方面必须符合v x i 总线规范的要求，以保证仪器的正常工 作。 v x i 总线仪器是一种插卡式仪器，共有a 、b 、c 、d 四种尺寸的仪器模块 标准。如图2 2 所示。v m e 总线本身有两种尺寸，a 尺寸和b 尺寸，分别有一 个( p 1 ) 和两个连接器( p 1 和p 2 ) 。v x i 总线以i e e e 一1 0 1 4 v m e b u s 标准为基础， 6 第2 章v x i 总线测试系统 图2 - 1v x i 总线仪器物理结构 并在v m e 标准的基础上增加了一个连接器( p 3 ) 和两种模块尺寸( c 尺寸和d 尺寸) 。p 1 连接器和p 2 连接器的中排插针严格按照v m e 规范的定义保留下来 v x i 总线规范对v m e 的p 2 连接器外面两排插针和v x i 所增加的p 3 连接器作 了定义。 圃r 0 。 2 3 3 m m xt b o m m 图2 - 2 四种v x i 模块尺寸 2 3 3 m m x 3 4 0 m m 3 6 8 m m 3 4 0 m m 其中最常用的是c 尺寸的模块，其大小为2 3 3 5 m m x 3 4 0 m m 。图2 3 是一个 典型的c 尺寸的v x i 总线仪器。如图，仪器模块的外部主要有前面板和用来插 入背板的p 1 和p 2 连接器。前面板上另有仪器输入输出接口以便和v x i 系统其 他模块或外部模块通过前面板传递信号。弹出把手的功能是为了方便卡式仪器的 插拔。 从电气结构看，在v x i 总线系统中，命令、数据、地址和所有消息都是通 过总线传递的。v x i 总线系统的全部总线都印制在v x i 主机箱内的背板上，并 通过p 1 、p l 、p 2 连接器与各仪器模块连接。v x i 总线系统是在v m e 总线系统 的基础上，增加了为适应仪器系统所需的总线而构成的。 7 团图 北京工业大学工学硕士学位论文 - r 。：洚出把手 r 一 前 l | _ | i 面l | r j 参_ 板1使器输入 输出接口 卜 i弹出把手 图2 - 3 一个典型的c 尺寸的v x i 总线仪器 图2 - 4 表示出了v x i 总线系统的结构。从功能上分，v x i 总线系统共有以 下8 种总线： ( 1 ) v m e 计算机总线； ( 2 ) 时钟和同步总线； ( 3 ) 模块识别总线； ( 4 ) 触发总线： ( 5 ) 相加总线； ( 6 ) 局部总线； ( 7 ) 星形总线； ( 8 ) 电源线。 v m e 计算机总线包含了数据传输总线d t b ，数据传输的仲裁总线，优先级中 断总线和公用总线。总线仲裁采用4 级优先级：同优先级通过菊花链连接仲裁， 在菊花链位置靠前的优先级较高。中断也采用菊花链连接，共有7 级优先级。 模块识别总线源于零号槽，分别和各个插槽相连，用来识别槽中是否有器件。 触发总线可由任意模块驱动。触发总线有2 种，8 根t t l 电平总线用于模块间通 信，包括仪器触发、挂钩、时钟或逻辑状态的传送。2 条e c l 触发线用作模块 间定时源，传送时钟。触发线也可以作为数据传送线。 局部总线是1 2 根由相邻安装模块确定的菊花链总线。对于多模块系统，可 第2 章v x i 总线测试系统 一 模块识别线 埘 nl 星形线 i i 片 睡瓣 嗣班 线 群多 印嚆咻。 l| 7 m g b u s i 一 ji l触发总线 1 相加总线 一 图2 - 4 v x l 总线结构 总线 以利用局部总线进行2 个局部总线协议相容的相邻器件之问的快速通信，由于不 同过全局总线，可以和全局总线上的事件同步发生，避免了大量数据传输对全局 总线的竟争。 相加总线是一条模拟相加接点，任何模块都可以通过电流源驱动，也都可以 通过高阻缓冲放大器接收总线上的信息。 2 2 - 2 v x i 总线仪器 v x i 总线仪器是组成v x i 总线系统最基本的逻辑组件。通常，一个仪器将 占据一个v x i 插槽，但也允许在一个插槽内实现多个仪器或一个仪器占据多个 插槽。个单机箱v x i 系统最多可以有2 5 6 个器件。每个v x i 器件都有一个用 于确定其寄存器在上述寻址空间所在位置的8 - b i t 逻辑地址。 v x i 总线仪器根据其支持的通讯协议能力可以分为四类：寄存器基器件、消 息基器件、存储器件和扩展器件。 所有的v x i 总线器件都必须有一组配置寄存器，系统通过访问v x i 总线上 背板的p 1 口的这些配置寄存器来识别器件的类型、型号、生产厂家、地址空问 9 北京工业大学工学硕士学位论义 与所要求的存储器空间。v x i 总线配置寄存器的分配如图2 5 所示。 偏移寄存器 状态控制寄存器 器件类型寄存器 i d 寄存器 图2 - 5v x i 总线配置寄存器 寄存器基器件支持v x i 总线寄存器分配图，不支持v x i 总线的通信协议。 它只具有最低级的通讯能力。通过这组公共的配置寄存器，资源管理器( r e s o l l r c e m a n a g e r , 简称r m ) 可以在系统初始化时自动进行系统与存储器配置。典型的寄 存器基仪器包括简单的开关、数字i o 卡等极少需要智能或者根本不需要智能的 仪器。 0 e 0 c o a 0 8 f数据低寄存器 j数据高寄存器 l响应寄存器 l 协议信号寄存器 图2 - 6v x i 总线通讯寄存器 除寄存器基器件以外，v x i b u s 规范还定义了同时具有通讯寄存器 ( c o m m u n i c a t i o n r e g i s t e r ) 和配置寄存器的所谓消息基器件。v x i 总线定义的 通讯寄存器如图2 - 6 ，通讯寄存器用来实现高级的命令传输。v x i 总线与某一消 息基器件的通讯都是在该器件的响应寄存器的控制下，读写数据低和数据高寄存 器里一个1 6 b i t 字符串来实现的。 所有的消息基v x i 总线器件，无论是哪家厂商生产的，都必须能用v x i 专 用字串行协议进行最低限度的通讯。有了这种最低限度的通讯能力，就可建立像 共享内存这样的高性能通讯通道，从而发挥v x i 总线带宽能力的优势。典型的 消息基仪器有频谱分析仪、零槽控制器和开关控制器等。 存储器器件具有配置寄存器，主要用来实现存储功能，但不具各通讯能力， 第2 章v x i 总线测试系统 例如磁泡存储器、r a m 和r o m 插件卡一类的仪器。 扩展器件是一种专用的v x i 总线器件，这类器件主要是为了允许将来定义 更新种类的仪器，以支持更高的兼容性。 2 1 2 1 3v x i 总线系统控制方案 v x i 总线系统的配置方案1 2 1 是影响系统整体性能的最大因素之一。常见的 系统配置方式有外控式、嵌入式和m x i 三种控制方案 在第一种外控式方案里，v x i 系统采用外部主控计算机控制整个系统。计算 机通过g p i b 或者i e e e l 3 9 4 总线连接到v x i 总线仪器。以g p i b 接口方式为例， 计算机通过g p i b 和g p i b v x i 翻译器向v x i 仪器发送命令串，而g p i b v x i 接 口模块起到把v x i 字符串协议翻译成g p i b 协议的作用。这种翻译过程使得系统 的随机读写速度严重下降。g p i b 的最大吞吐率可达1 m b t y e s ，但是这种方式下 的数据传输速率要低于这个数字。 目前这种方案多采用i e e e l 3 9 4 总线连接，i e e e l 3 9 4 是一种高速串行总线， 最高速度可达4 0 0 m b p s ，计算机通过1 3 9 4 总线向零槽控制器发送v x i 命令，这 种传输方式透明，可以极大地提高数据传输速度。 第二种方案是嵌入式控制方案，采用这种方案的系统外部没有计算机，而是 采用一个插入v x i 零槽并赢接与背板总线相连的嵌入式计算机。由于外部不需 要计算机，因此这种系统配置方案的物理尺寸最小，并因控制计算机直接与背板 总线相连而获得最高的系统性能。在这种方案里零槽控制器可以直接读写消息基 和寄存器基仪器，消除了不同接口转换和数据在v x i 系统与外部计算机之间传 输对系统速度的影响。数据在仪器之间以二进制的形式并行、高速传输，主控计 算机就象传统的智能仪器内部的微处理器一样工作，因而获得了最高的系统性 能。 第三种系统配置方案使用高速的m 总线连接器将外部计算机接入v x i 背 板总线，使外部的计算机可以像嵌入式计算机一样直接控制v x i 背板总线上的 仪器模块。这种系统控制方案从零槽控制器的硬件构成到主控机与v x i 主机箱 之间的连接方式都类似于g p i b 控制方案，但从功能上完全等效于嵌入式控制方 北京工业大学工学硕士学位论文 案。因此，该方案既有外挂式的灵活性，又有嵌入式的高性能。 2 3 本章小结 本章阐述了v x i 总线的产生、v x i 总线标准以及v x i 总线系统体系结构等 并讲述了v x i 总线系统的控制方案。 第3 章无线电测向 3 1 无线电测向概述 第3 章无线电测向 电磁波入射方向的信息通常包含在电磁场极化向量的状态以及相位波前f 等 相位面) 的状态中，电磁场的幅度( 峰值般表示本地场强) 是不包含方向特性的。 从1 8 9 9 年布朗发明的第一个测向机即垂直旋转环( 框) 测向机直到现在，绝大多 数测向机都是用这两个物理特性之一来确定方向的。这里的极化向量是指电场强 度( e 线) 和磁场强度( h 线) 相对于传播方向的取向，相位波前是指电磁场在空间 传播过程中的等相位面，传播方向就是等相位面的法线方向，所谓的测向就是求 解等相位面的法线方向。无线电测向是一项较为传统的涉及多学科的综合技术， 现代计算机技术和信息技术为无线电测向技术的进步和发展注入了新的活力。 3 1 1 无线电测向系统组成 一般情况下，无线电测向系统由五个基本单元组成：天线、接收机、测向处 理器、天线控制和方位显示单元，如图3 1 。 图3 - 1 测向系统组成 其中天线单元用来接收射频信号能量，有的天线直接把射频信号传输给接收 机进行处理，有的天线则能将此射频信号转化为携带了信号方位角度信息的信 北京工业大学工学硕士学位论文 号。天线单元有各种形式，如偶极子，线形天线阵，圆形天线阵。一般来说，考 虑到波长对测向精度的影响，一个天线单元只覆盖特定的一段频带范围。 接收机进行下变频处理，主要把信号从射频( r f ) 变频到中频( i f ) 或者基 带( b a s e b a n d ) 。接收机现在均采用宽带数字接收机，可以在较宽的频带内对信 号进行数字化处理，并且可以将结果以数字化形式存储，供其他模块调用。 测向处理器主要是完成模拟或数字信号处理、测向算法、系统模型误差或测 向误差的校正、方向信息的存储和回放、示向度显示输出和测向控制等。 天线控制主要是对天线阵的选择切换( 包括天线阵测向基础的选择切换和天 线阵元类型的选择切换) 和天线阵波束的旋转控制等。 最后由测向结果显示模块以各种方式显示来波方向，比如方位角频谱、极 性图、柱状图、瀑布图。 3 1 2 无线电测向系统的应用 无线电测向系统应用在三个方面： ( 1 ) 测定未知辐射源方向和位置的测向系统。测向站( 台) 可以是固定的， 也可以是移动的。例如在无线电频谱监测领域，对未知干扰源的测向和定位。 ( 2 ) 测定已知辐射源方向，用以确定自身位置的测向系统。这时测向机 般安装在运动的载体上，例如航海船舶和天空飞机上的导航设备。 ( 3 ) 利用测向方法，引导带有辐射源的运动载体到达预定目标的测向系统。 测向站( 台) 可以是固定的，也可以是移动的。 无线电测向应用领域包括民用和军用两大方面，无线电监测属于民用领域， 在军事领域，通过无线电测向可以发现潜在敌人的方位，即使敌人采用扩频，最 新的测向仪也可以应对。 3 2 无线电测向原理 无线电测向按其测向原理1 1 3 1 1 h 1 的不同，可分为幅度测向、相位测向、幅度 相位测向、时差测向、阵列测向等方法。例如，利用天线阵的方向图确定来波方 向是最典型的幅度测向方法；干涉仪测向通过直接或间接测量分布在空间不同位 1 4 第3 章无线电测向 置的天线感应信号之间的相位差并求解来波的入射方位角和仰角，是典型的相位 测向方法；i j n 7 德考克、多普勒、乌兰韦伯等相位敏感型测向机通常被认为是属于 幅度相位测向方法；时差测向是在时间测量精度问题解决后逐渐受到重视的一种 测向方法；波前分析和空间谱估计测向是属于向量测向方法，现代空间谱估计测 向又称为超精度、超分辨率测向。 3 2 1 幅度法 在早期的测向系统中广泛采用比幅法【15 1 ，其基本原理是采用旋转方向性的测 向天线，根据测量接收信号幅度最大值或最小值的方法确定目标方位。 典型形式是采用一个环形旋转天线，天线的输出信号是天线两垂直臂的差， 通过手动或机械旋转来转动环形天线，当天线平面与来波方向平行时，输出信号 达到最大值，当天线平面与来波方向垂直时，输出信号为零。这样就可以判断出 可能的两个方向，这时通过位于环形天线轴处的一个全向天线，通过适当合并， 可以形成心脏形的模式，这样只有一个零点用于判断电波方向。 这种方法的优点在于设备简单、成本低，缺点是精度低而且测向速度慢，一 般只适用于频率固定的情况。 3 2 2 幅度，相位法 幅度相位法的典型代表是w a t s o n - w a t t 测向法【1 6 】【1 7 l 。w a t s o n w a t t 方法诞生 于2 0 世纪2 0 年代末，最初采用模拟信号处理技术，三信道形式，最大优点是测 向速度非常快，在低频段获得广泛应用，典型值低于6 0 0 m h z 。但在更高的射频 频段，其他技术所采用的天线尺寸更合理而且它们的准确度要更好，而且 w a t s o n - w a t t 技术不能分辨仰角，对于多径显得无能为力。但是最近些年来由于 数字信号处理技术的发展，极大地增强其性能，考虑到方向精确度、灵敏度、监 听能力、便携性和成本，w a t s o n - - w a t t 仍是最好的测向技术。 一般w a t s o n w a t t 技术结合a d c o c k 天线1 1 8 1 9 】一起工作，称为 a d c o c k - w a t s o n w a t t 系统，主要有单信道和三信道两种形式。 下面介绍其各自原理。 ( 1 ) 三信道a d c o c k w a t s o n - w a t t 系统测向原理 l5 以四单元a d c o c k 天线为例，它由两对偶极予天线：东西，南北组成，如 图3 2 。它分别接收到四个射频电压。如下式： u = a e x p ( j r s i n e z ) u s = a e x p ( 一j r l s i n a ) u f = a e x p ( j7 7 c o s a ) u = a e x p ( 一j 叩c o s a ) y 。炼“ ；z 哗 t u w婚 x 一一一譬毛 i 图3 - 2 四单元a d c o c k 天线 其中，7 ：万_ dc o s 占，二；【为天线中心的复数电压，5 表示仰角，d 天线间距。 l 两对天线偶极子天线的输出分别是东西、南北天线上接收的射频信号的差 值，由这四个r f 电压合并成两个等相位的两个差分电压，然后进行双信道处理。 u = u 一u s = j 2 a s i n ( r s i n a ) u = u 日一u = j 2 a s i n ( c o s ) 当低频时，r = ，r 要c o s e 非常小，因此上二式可以近似为 u u s = u 一u s = j 2 a r s i n t z u e 口= u e u = ，2 a r c o s a 1 6 r o；，。，。 第3 章无线电测向 即双信道的两个电压分别正比于入射角度的正弦和余弦值，( 在这里相位差 被转化成了幅度比) ，因此可以把输出的中频( i f ) 信号直接加到c r t 的x 和y 两 个轴上。理想情况下，在c r t 上指示出一条直线，该直线与x 轴的夹角表示方 向。同时四个r f 电压相加形成一个全向信号，成为第三个信道，此信号用来解 决1 8 0 度的相位模糊，把全向信号加在c r t 的z 轴可以来消隐错误的分支。 估计的方位角通过下式获得 占圳姐( 墼) = a r c u e wt a n ( 磐s i n ( r 怒c o s ) “口 口l 最初的三信道w a t s o n - w a t t 测向技术采用模拟的办法，直接把两个电压差加 在c r t 的x 轴和y 轴上。三信道w a t s o n w a t t 技术具有瞬时测向的能力，实现 困难主要在于三个信道必须保证非常好的幅度- 卡目位一致性，才能保证最后方位 角的计算准确度，而这在模拟电路中很难保证，但是随着数字信号处理的技术发 展，尤其是采用f f t 算法和信道校正技术后，可以很好的解决这些问题。 正因为三信道w a t s o n w a t t 技术实现起来有难度，并且采用多信道时必须采 用多信道接收机，这大大增加了系统成本，因此在三信道w a t s o n w a t t 技术基础 上诞生了单信道的w a t s o n - w a t t 测向技术。 ( 2 ) 单信道a d c o c k w a t s o n w a t t 系统测向原理 单信道w a t s o n w a t t 技术是将携带着测向信息的a m 调幅边带调制到载波 上。如图3 - 3 ，首先在天线内部对测向方位信息进行调制。由“垂直调制音发生器” 和“水平调制音发生器”分别产生两个低频的调制音去分别调制两对天线的输出， 每个调制音产生出子边带，同时参考天线的信号被移相9 0 度，然后三个信号相 加，形成一个合成的a m 调制的信号，接着用一个信道的接收机进行a m 解调。 在测向处理单元，解调后的信号分别经过两个不同频率的滤波器，此时可以对方 位信号的增益和相位进行均衡，最后滤出包含了方位信息的信号，然后送到显示 模块。 北京工业大学工学硕士学位论文 南一北天线 参考天线l 一 吨葑引篙 东一西天线 垂直 调制音 发生器 方位调制 音分离调 制器基带 滤波 水平 调制音 发生器 yi 测向计 刊算机 显示模 1块 图3 - 3 单信道w a t s o n w a t t 测向模型的框图 单信道w a t s o n - w a t t 测向技术采用数字信号处理技术提高了测向精度，相对 于三信道的系统降低了成本，但缺点是增加了天线单元的复杂度，同时增加了测 向时间，因为在测向处理单元把各信道信号分离出来的时候需要积分，由于调制 音频率很低，此积分时间会很长，因此单信道的代价是牺牲了w a g o n w a t t 测向 技术固有的快速测向能力。 3 2 3 相位法 ( 1 ) 干涉仪测向原理 采用相位比较法的测向系统通过比较各个独立分散的天线处接收信号的相 位差来获得入射电波的方位角。 如图3 - 4 所示，两个天线单元基线长为d ，垂直地面排列。假设入射信号平 面与天线阵子所在平面垂直，定义入射信号和基线法线之间的夹角为来波到达 角，当基线长度小于半个波长的时候，干涉仪比相体制的测向天线阵列中的偶极 子对的单元天线之间的相位差与来波到达角有如下关系。 第3 章无线电铡向 v e x p u ( 耐一妫2 ) )v e x p u 甜) 卜一一d 一一一 图3 - 4 二单元干涉仪比相测向原理 吼：掣。i n e ： 九 式中，p ，：是偶极子对之间的相位差，d 是偶极子对的二偶极予之间的距离， 0 1 ：是来波到达角，即来波入射线和偶极子对组成的阵列法线的夹角，兄是工作 波长，这样当测得相位差p 。：后，就可以从公式中反演出来波达到角0 。： q 2 = a r c s i n ( 2 f o l 2 2 ，r d ) 对于干涉仪测向系统，当天线单元的间距大于信号波长时，称为长基线的干 涉仪，这样提高了测向的精度，但是会引起方位角的多值性。为了避免多值情况 出现，必须使得最大相移小于万弧度，即天线最大间距必须小于半波长，即： d r 。= 旯2a 干涉仪体制的测向天线阵列多采用多单元均匀圆阵天线，这种多单元的均匀 圆阵构成一种称为宽口径多基线的干涉仪测向天线阵列。宽口径可以提高测向 精度，多基线可以解决测向方向的多值性问题。一般常见的测向天线设计成为五 单元圆阵或者九单元圆阵。 在长基线的干涉仪测向系统中，需要根据从入射信号和测向天线单元进行合 成获得辅助的幅度信息来解决多值问题。但是在小孔径短基线1 6 1 的干涉仪测向系 统里，无需额外的幅度信息，但代价是牺牲了相位测量的准确性和工作带宽。 短基线的干涉仪测向系统要求天线系统必须能够有效、高速地切换，多信道 j 9 北京工业大学工学硕士学位论文 接收机必须具有非常好的幅度和相位的致性，并且具有有效的自动增益控制， 此外，还应具备高速的模拟和数字信号处理技术，足够的存储空间，强大的微处 理器和高效的数据校正技术。 ( 2 ) 相关干涉仪测向原理【2 0 】【2 1 】【2 2 1 相关干涉仪测向是在干涉仪测向之后发展起来的新型测向技术，是种高精 度的测向体制。 在一个相关干涉仪测向系统里，天线系统由一个天线阵构成，天线排列为 圆形，有k 个阵元。对于给定方向乒，给定频率z 的已知到达波，测出k 元阵 列中各阵元之间的复数电压，u 。( ) ，构成一个复数电压组或样本。 在所设计的天线的工作频率范围内，按照一定规律选择m 个均匀方位，n 个频率，依次建立样本群，作标准保存起来。对未知信号测向时，先按照采集样 本的规则采集现实的复数数组，然后再和样本群进行相关运算和插值处理，求出 被测信号的方向。 相关干涉仪测向方法与传统的测向方法相比，有以下几个特点： ( 1 ) 利用信号的相位信息来提取信号入射方位，可以使天线孔径设计成大基 线，对信号的波前失真的有良好的平滑作用，从而提高了系统的抗干扰能力，有 利于在城市环境中实现测向。 ( 2 ) 用相关法计算目标信号的入射角。由于参与相关运算的原始相位样本包 含了设各本身的制造误差和目标信号所有的相位信息，所以设备本身可以达到很 高的测向精度。同时，从该方法的原理可知，系统对硬件一致性技术要求不高， 设备制造成本也有所降低。 3 2 4 时间差法测向 时间差法通过测量目标信号到达两个或多个阵元的时间差来估计目标的方 位，因为目标的方位可以表示为时间差的一个函数。它的优