装备环境Ｔ程 ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ 第ｌ０卷第ｌ期 ２０１３年０２月 基于正交变频的无线电扩频信标设计与实现 张永亮 ，薛军 ，潘高峰 ，苏奠 （１．飞行器海上测量与控制联合实验室，江苏江阴２１４４３１； ２．中国卫星海上测控部，江苏江阴２１４４３１） 摘要：无线电信标是船载无线电测控设备进行动态自检和角度标校的必需设备。提出了一种基于正交 变频技术的信标设计方法，通过单片机控制实现了信标参数的灵活设置，在电路实现上则采取了抑制边带 和本振泄露的措施。该信标工作可靠，性能满足需求，实际应用取得了良好的效果，为船载无线电测控设备 的海上标校提供了技术保障。 关键词：无线电信标；正交变频；单片机；无线电设备标校 中图分类号：Ｕ６６６．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—９２４２（２０１３）０１—０１１０—０４ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｒａｄｉｏ Ｓｐｒｅａｄｉｎｇ—ｓｅｑｕｅｎｃｅｓ Ｂｅａｃｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ—ｃ０ｎｖｅｒｓｉｏｎ ＺＨＡＮＧ Ｙｏｎｇ—ｌｉａｎｇ 一，ＸＵＥＪｕｎ 一，ＰＡＮＧａｏ－ｆｅｎｇ ，ＳＵ Ｙａｎ’ （１．ＪｏｉｎｔＬａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆＯｃｅａｎ－ｂａｓｅｄＦｌｉｇｈｔＶｅｈｉｃｌｅＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，Ｊｉａｎｇｙｉｎ ２１４４３１，Ｃｈｉｎａ； ２ Ｃｈｉｎａ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｍａｒｉｎｅ Ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｊｉａｎｇｙｉｎ ２１４４３１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒａｄｉｏ ｂｅａｃｏｎ ｉｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｆｏｒ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｅｌｆ－ｔｅｓｔ ｏｆ ｖｅｓｓｅｌ ｃａｒｒｉｅｒ Ｓ ｒａｄｉｏ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ａ ｂｅａｃｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ—ｃＯｎＶｅｒｓｉＯｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗａｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ．Ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｅａｃｏｎ ｗｅｒｅ ｓｅｔ ｆｌｅｘｉｂｌｙ ｔｈｒｏｕｇｈ ＭＣＵ ｃｏｎｔｒｏ１．Ｓｉｄｅｂａｎｄｓ ａｎｄ ｌｏｃａｌ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ Ｓ ｌｅａｋａｇｅ ｗｅｒｅ ｓｕｐｐｒｅｓｓｅｄ ｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ． Ｒｅａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｂｅａｃｏｎ ｗｏｒｋｓ ｒｅｌｉａｂｌｙ ａｎｄ ｉｔｓ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｍｅｅｔｓ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅ ｗａｓ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｓｕｐｐｏｒｔｓ ｆｏｒ ｎａｖａｌ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ ｏｆ ｖｅｓｓｅｌ ｃａｒｒｉｅｒ Ｓ ｒａｄｉｏ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒａｄｉｏ ｂｅａｃｏｎ；ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ—ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ；ＭＣＵ；ｒａｄｉｏ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ 信标是船载无线电测控设备在海上进行动态自 精度要求，还必须检验伺服系统动态特性和标定光 检和角度标校的必要设备 。由于温度、湿度以及器 电失配量 。对此，在海上测控任务准备过程中，通 件本身的变化可能会导致跟踪和差通道的相位发生 常采用施放信标的方式进行船载无线电测控设备的 改变，此时必须进行跟踪信道检查调整；为满足跟踪 动态自检和角度标校。 收稿日期：２０１ ２－０８—１４ 作者简介：张永亮（１ ９７９一），男，黑龙江绥化人，博士，工程师，主要研究方向为实日寸系统与专用集成电路技术。 第１０卷第１期 张永亮等：基于正交变频的无线电扩频信标设计与实现 提出了一种信标设计方法，该方法采用直接 正交变频技术实现伪码的射频调制，采用可编程 器件实现不同伪码的产生，采用内置ＵＳＢ功能控 ２无线电信标的设计与实现 无线电信标的设计采用无中频方案，通过控制 制器的单片机，实现上位机对信标频率、伪码的初 相和本原多项式的在线和离线设置。该信标交互 频率综合器（频综）输出所需点频，在满足性能指标 性好、参数可设、应用范围广，实际应用取得了良 要求的同时降低成本；通过单片机设置ＣＰＬＤ生成伪 好的效果。 １直接正交变频技术 直接变频是把基带信号直接调制到射频载波上 的一种最直接和最简单的调制方式。基于正交调制 的直接正交变频技术能够直接将基带信号搬移到射 频、载频并消除无用的边带信号，以实现调制目的 。 无需中频放大、滤波和变频等电路，同时放宽了对变 频后滤波器的要求，极大地减小了信标的体积、质 量、功耗和成本。然而该技术也存在一些缺点，如正 交调制信号和正交本振信号相位和幅度的不平衡、 对直流偏移失真敏感等，会导致严重的边带和本振 泄漏。 考虑Ｉ／Ｑ信号存在幅度和相位的不平衡及直流 偏移误差，基带信号可以表示为： ｆ，（ｔ）＝Ｇｃｏｓ（ｃｏｔ＋ ）＋Ｄ ｒ１、 【ｐ（ｔ）＝ｓｌ’ｎｃｏｔ ＼Ｊ／ 式中：Ｇ，ｃｏ和Ｄ分别为Ｉ／Ｑ信号之间的归一化 幅度比、正交相位误差和直流偏移误差；ｔ， 为信号 标准参数。正交本振信号可以表示为： ｒｆｏＩ＝Ａｃｏｓ（０９。ｔ＋ ）＋Ｅ ／１、 。： ｉｎ 式中：Ａ，０和Ｅ分别为． 与． 之间的归一化 幅度比、正交相位误差和直流偏移误差；０９ 为信 号标准参数。理想情况下，Ａ＝Ｇ＝Ｉ，西＝０＝０，Ｄ＝ Ｅ＝Ｏ。 边带抑制能力用边带功率抑制比（ ｃ艘）表示， 考虑到正交本振信号是由正交调制器内部的分相网 络产生的，其正交相位差‘Ｄ接近于０，可得： ５ｃ ｇ（ 等 ）（３） 当幅度和相位趋向平衡时，Ａ，Ｇ趋近于１，‘Ｄ趋 近于０，ＳＣＰＲ较大；当幅度和相位的不平衡度增大 时，ＳＣＰＲ急剧下降，边带泄漏明显。 码所需的初相和本原多项式。 ２．１无线电信标的硬件设计 无线电信标主要由单片机、ＣＰＬＤ、正交调制器、 带通滤波器、高速ＤＡＣ、频综、功放、数控衰减器和天 线组成，如图１所示。 图１无线电信标的原理 Ｆｉｇ．１ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｒａｄｉｏ ｂｅａｃｏｎ 信标信号的调制方式为ＱＰＳＫ或ＢＰＳＫ。使用 ＱＰＳＫ时，同相支路调制短码，正交支路调制长码；使 用ＢＰＳＫ时，只调制短码。使用单片机实现对频综和 ＣＰＬＤ的配置，单片机通过ＵＳＢ端口接收上位机命令 和数据，包括频点、伪码初相和本原多项式等，并作 为控制器将命令和数据发送给ＣＰＬＤ。ＣＰＬＤ提供了 单片机到频综的数据通道，从而实现了单片机对频 综和伪码产生器的控制，可以灵活地设置信标频点 和伪码。伪码产生器生成的长短码经ＤＡＣ分别送至 正交调制器进行调制 ，当断开Ｑ支路输出时，即可 实现ＢＰＳＫ调制。调制后的信号经滤波放大由天线 发射出去。 设计实现了ＣＰＬＤ逻辑电路，进行了功能仿真， 其中频综控制模块、伪码产生器和ＤＡＣ控制模块的 仿真结果如图２所示。 为抑制边带和本振泄漏，采取了以下措施。 １）泄漏的本振信号 主要是由Ｉ／Ｑ信号存在的 直流偏移引起的，对此Ｉ／Ｑ信号采用差分线与交流耦 第１０卷第１期 张永亮等：基于正交变频的无线电扩频信标设计与实现 ・１ｌ３・ （上接第１０４页） 国测试，２０１１，３７（２）：８７－－９６． ［２］刘丽霞．车辆扭矩与转速测试系统［Ｊ］．仪表技术与传感 ４结语 针对离心机吊篮耳轴这一特殊的转轴结构，提出 利用测量应变的方法进行不平衡扭矩的实时监测。 器，２０１０（７）：８９—９１． ［３］王岩，储江伟．扭矩测量方法现状及发展趋势［Ｊ】＿林业机 械与木工设备，２０１０，３８（１１）：１４—１８． ［４】谢仕鸿，聂海雄，王效岗．中厚板矫直机接轴扭矩在线监 测系统研究［Ｊ】．重型机械，２０１１（１）：３９—４２． 测量方程显示转轴扭矩与测点应变成线性关系，利用 ［５］陈胜来，朱长春，邓志刚．某油箱离心试验的吊篮动平衡 标定试验确定线性系数，即可通过监测过程中的应变 分析ＩＪ１．装备环境工程，２０１０，７（６）：２４３－－２４６． 值计算得到扭矩。选择合理位置粘贴全桥应变片，进 ［６】王登泉，杨明，叶林．非接触式旋转轴扭矩测量现状［Ｊ］． 行了验证性试验，试验结果显示该方法可行。 电子测量技术，２０１０，３３（６）：８—１２． ［７］刘谦，邓志刚．离心机吊篮锁紧机构的设计研究【ＪＪ．装备 参考文献： ［１】沈观林．应变电测与传感器技术的新发展及应用［Ｊ］．中 环境工程，２０１０，７（６）：２４１—２４３． （上接第１０９页） ＪＲ和陶瓷立方氮化硼ＣＢＮ砂轮将会得到更好效 在磨削钛合金台阶轴时要考虑清根，选用的砂 果。经过对钛合金性能的了解和加工摸索，克服其 轮粒度应比钛合金一般件磨削更细，在砂轮硬度方 难磨削的弱点，保证了台阶轴的精度和使用要求。 面更硬。这与加大切削力是相矛盾的，在普通砂轮 该轴在使用中既能满足抗磁、耐磨和强度等调试要 的磨削中只能通过减少端面磨削余量来解决。顶尖 求，又能避免与同为钛合金材料的零件在配合时发 问题采用合金钢顶尖加润滑的方法是较为简单的解 生亲和作用，同时在试验环境下抗腐蚀、锈蚀能力 决方法。 强，充分发挥了钛合金的材料优势，保证了测试轴的 反复使用精度。 ３结论 对ＴＣ４钛合金的性能和磨削经验，目前已有较 多报道，但根据零件的形状及磨削部位不同还要具 参考文献： ［１］张小福，张红霞，陈燕．磨削钛合金用陶瓷ＣＢＮ砂轮的研 制［Ｊ］＿新技术新工艺，２００６（９）：３７—３９． 体对待。针对台阶轴磨削在余量及顶尖方面，相对 ［２］翟丽君，郭永嘉．磨削钛及钛合金的砂轮选择［ｃ］／／中国 其它件磨削做了一些总结。当然，这只是在通用的 有色金属工业协会钛锆铪分会２００９年年会论文集．（余 条件下，若在专业的钛合金磨削中采用人造金刚石 不详）