基于軟件無(wú)線電的VOR射頻激勵(lì)源研究

馬騰達(dá)，樊智勇，王　凱

（中國(guó)民航大學(xué) a.電子信息與自動(dòng)化學(xué)院；b.工程技術(shù)訓(xùn)練中心，天津　300300）

基于軟件無(wú)線電的VOR射頻激勵(lì)源研究

馬騰達(dá)a，樊智勇b，王凱a

（中國(guó)民航大學(xué) a.電子信息與自動(dòng)化學(xué)院；b.工程技術(shù)訓(xùn)練中心，天津300300）

在對(duì)機(jī)載VOR接收機(jī)進(jìn)行測(cè)試與維護(hù)時(shí)，需要提供可以模擬地面臺(tái)射頻信號(hào)的激勵(lì)源；目前使用的射頻激勵(lì)源一般為傳統(tǒng)的專用硬件設(shè)備，存在調(diào)制參數(shù)固定、無(wú)法靈活調(diào)節(jié)等問(wèn)題。為解決該問(wèn)題，對(duì)VOR射頻信號(hào)原理進(jìn)行了分析，基于軟件無(wú)線電原理，對(duì)VOR射頻激勵(lì)源進(jìn)行了設(shè)計(jì)；采用零中頻軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)，在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)對(duì)VOR射頻信號(hào)的正交調(diào)制，從而能夠?qū)φ{(diào)制參數(shù)進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，并通過(guò)通用的硬件平臺(tái)發(fā)射VOR射頻信號(hào)；系統(tǒng)可通過(guò)人機(jī)交互界面、網(wǎng)絡(luò)或GPIB方式進(jìn)行控制。使用頻譜儀對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，并將輸出的射頻信號(hào)進(jìn)行記錄后，導(dǎo)入到Matlab進(jìn)行分析驗(yàn)證。結(jié)果表明，系統(tǒng)誤差在允許的范圍內(nèi)，能夠?yàn)閂OR接收機(jī)提供符合要求的射頻信號(hào)。

甚高頻全向信標(biāo)；軟件無(wú)線電；射頻激勵(lì)；零中頻；正交調(diào)制；PXI總線

甚高頻全向信標(biāo)（VOR，very high frequency omnidirectional range）系統(tǒng)，是目前民用航空中主要的陸基測(cè)向?qū)Ш较到y(tǒng)之一[1]。VOR機(jī)載系統(tǒng)的主要部件是VOR接收機(jī)，通過(guò)天線接收VOR地面臺(tái)的射頻信號(hào)，解算出方位等信息后，輸出至飛行管理系統(tǒng)以及其他系統(tǒng)。對(duì)于從飛機(jī)上更換的VOR接收機(jī)，需要一個(gè)射頻激勵(lì)源來(lái)模擬地面臺(tái)的射頻信號(hào)，以對(duì)其進(jìn)行測(cè)試和維護(hù)；激勵(lì)源提供的射頻信號(hào)，需要與VOR地面臺(tái)在空間點(diǎn)中的射頻信號(hào)相一致。

目前，對(duì)VOR接收機(jī)進(jìn)行內(nèi)場(chǎng)測(cè)試使用的射頻激勵(lì)源，通常采用專用儀器設(shè)備，如國(guó)外的NAV2000等，或采用專用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[2]提出的設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)單一，只能產(chǎn)生單一頻點(diǎn)載波，文獻(xiàn)[3]的方案在FPGA中完成調(diào)制并生成數(shù)字中頻，使用專用的上變頻模塊發(fā)射射頻載波。而采用專用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，存在硬件設(shè)備復(fù)雜，調(diào)制參數(shù)固定，不能靈活調(diào)節(jié)，成本高等問(wèn)題。

部分學(xué)者采用軟件無(wú)線電原理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)ILS（儀表著陸系統(tǒng)）接收機(jī)[4]、ADF（無(wú)線電羅盤）接收機(jī)的射頻激勵(lì)[5]，而基于軟件無(wú)線電原理設(shè)計(jì)VOR射頻激勵(lì)源的相關(guān)研究，目前還比較少見(jiàn)；另有學(xué)者[6-8]采用軟件無(wú)線電原理對(duì)VOR射頻信號(hào)的解調(diào)過(guò)程進(jìn)行了研究，但只能進(jìn)行接收分析，無(wú)法發(fā)射VOR射頻信號(hào)。

軟件無(wú)線電的概念最早由Jeo Mitola提出，隨后得到了深入的研究和發(fā)展，其基本思想是以一個(gè)通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的硬件平臺(tái)為依托，通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線電臺(tái)的各種功能[9-11]。軟件無(wú)線電不僅能應(yīng)用在通信領(lǐng)域，也可應(yīng)用在雷達(dá)、導(dǎo)航、電子戰(zhàn)、測(cè)控等與無(wú)線電工程相關(guān)的領(lǐng)域[12-13]。

本文通過(guò)對(duì)VOR地面臺(tái)射頻信號(hào)原理的分析，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于軟件無(wú)線電原理的VOR射頻激勵(lì)源；使用通用的硬件結(jié)構(gòu)，在計(jì)算機(jī)上通過(guò)軟件程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)VOR射頻信號(hào)的調(diào)制，可對(duì)調(diào)制參數(shù)進(jìn)行靈活的調(diào)整，并支持通過(guò)網(wǎng)絡(luò)或GPIB方式進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，成本低、體積小、可靠性高、開(kāi)發(fā)周期短。

1　VOR地面臺(tái)射頻信號(hào)分析

VOR使用甚高頻頻段的108.00～117.95 MHz作為載波頻率，頻道間隔為0.05 MHz，共有200個(gè)頻道，但VOR只占用其中的160個(gè)頻道。112.00～117.95 MHz頻段中，共有120個(gè)頻道，通常用于航路VOR。共有40個(gè)頻道，如108.05 MHz等；100 kHz位為奇數(shù)的頻道用于LOC（ILS的航向臺(tái)）。

在VOR射頻信號(hào)輻射場(chǎng)中，包含有飛機(jī)方位信息的30 Hz可變相位信號(hào)，在VOR導(dǎo)航臺(tái)的不同方位上，該可變相位信號(hào)的相位為0～360°；除此之外，輻射場(chǎng)中還包含一個(gè)30 Hz基準(zhǔn)相位信號(hào)，該信號(hào)的相位在各個(gè)方位上均相同，且在磁北方向上，與可變相位信號(hào)同向。VOR機(jī)載設(shè)備通過(guò)測(cè)量地面臺(tái)發(fā)射的30 Hz基準(zhǔn)相位信號(hào)和30 Hz可變相位信號(hào)的相位差，從而得到飛機(jī)的VOR方位角。

VOR射頻信號(hào)輻射場(chǎng)中，還包含VOR地面臺(tái)的臺(tái)站識(shí)別碼，用于標(biāo)識(shí)地面臺(tái)的身份。一個(gè)導(dǎo)航臺(tái)的臺(tái)站識(shí)別碼一般是2～3個(gè)英文字母的莫爾斯（Morse）電報(bào)碼，如大王莊附近的VOR/DME導(dǎo)航臺(tái)的識(shí)別碼為“VYK”，將其編碼為相應(yīng)的莫爾斯碼即為該臺(tái)站的識(shí)別碼。

1.1基準(zhǔn)相位信號(hào)

基準(zhǔn)相位信號(hào)，先用30 Hz信號(hào)對(duì)9 960 Hz副載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)頻，然后調(diào)頻副載波再對(duì)射頻載波進(jìn)行調(diào)幅，30Hz基準(zhǔn)相位信號(hào)的相位在VOR地面臺(tái)周圍360°方向上都是相同的。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

其中：副載波頻率Fs=9 960±1%；基準(zhǔn)相位信號(hào)的頻率F=30 Hz±1%；調(diào)頻指數(shù)mf=16±1，即最大頻偏ΔFm=480 Hz±30 Hz；URm為基準(zhǔn)相位信號(hào)的幅度。

1.2可變相位信號(hào)

對(duì)于可變相位信號(hào)，在空間任何點(diǎn)上觀察到的射頻載波信號(hào)，即對(duì)VOR接收機(jī)收到的信號(hào)而言，都是30 Hz可變相位信號(hào)對(duì)射頻載波進(jìn)行調(diào)幅的波形，且其相位隨VOR地面臺(tái)徑向方位的不同而變化。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

其中：可變相位信號(hào)的頻率F=30 Hz±1%；UVm為可變相位信號(hào)的幅度，θ為相位。

1.3臺(tái)站識(shí)別碼信號(hào)

VOR地面臺(tái)發(fā)射的莫爾斯碼，每30 s左右重復(fù)發(fā)射2～3次；其識(shí)別音頻頻率為1 020 Hz，莫爾斯碼“點(diǎn)”的持續(xù)時(shí)間為0.1～0.160 s，“劃”的持續(xù)時(shí)間為“點(diǎn)”的3倍，即0.3～0.480 s；1個(gè)碼字間的“傳號(hào)（點(diǎn)或劃）”之間的間隔為“點(diǎn)”的持續(xù)時(shí)間，碼字與碼字之間的間隔為“劃”的持續(xù)時(shí)間[1]。

如圖1所示，A為莫爾斯碼信號(hào)，B為1 020 Hz識(shí)別音頻，C為莫爾斯碼信號(hào)對(duì)識(shí)別音頻進(jìn)行振幅鍵控得到的信號(hào)，D為鍵控的識(shí)別音頻信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)幅后的波形。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

圖1　識(shí)別音頻信號(hào)的波形示意圖Fig.1　Schematic diagram of identifying audio signal

其中：g（t）為莫爾斯碼鍵控的識(shí)別音頻信號(hào)，識(shí)別音頻頻率為1 020 Hz±50 Hz；UGm為信號(hào)幅度。

1.4空間合成信號(hào)

VOR地面臺(tái)還能夠提供地空語(yǔ)音通信功能，但中國(guó)民航禁止使用話音功能，故在此不做討論。

在空間任何點(diǎn)上觀察到的射頻載波，被由30 Hz基準(zhǔn)相位信號(hào)調(diào)頻的9 960 Hz副載波、30 Hz可變相位信號(hào)、振幅鍵控的1 020 Hz識(shí)別音頻信號(hào)這3個(gè)信號(hào)所調(diào)幅，射頻信號(hào)數(shù)學(xué)表達(dá)式為

其中：mA為可變相位信號(hào)對(duì)載波的調(diào)制度，mA=30%± 2%；mB為調(diào)頻副載波對(duì)載波的調(diào)制度，mB=30%± 2%；mC為識(shí)別音頻對(duì)載波的調(diào)制度，mC應(yīng)盡量接近10%，在不提供地空通信功能時(shí)，可不超過(guò)20%；射頻載波頻率fc=108.00-117.95 MHz±0.002%。

VOR射頻信號(hào)波形（不含識(shí)別音頻信號(hào)）的示意圖如圖2所示。A為射頻載波，B為副載波，C為基準(zhǔn)相位信號(hào)，D為基準(zhǔn)相位信號(hào)對(duì)副載波進(jìn)行調(diào)頻后的調(diào)頻副載波；E為調(diào)頻副載波對(duì)射頻載波進(jìn)行調(diào)幅后的波形，F(xiàn)為可變相位信號(hào)，G為總體合成波形。

圖2　VOR射頻信號(hào)的波形示意圖Fig.2　Schematic diagram of VOR RF signal

2　VOR射頻信號(hào)的正交調(diào)制算法

由第1節(jié)分析可知，VOR射頻信號(hào)采用了調(diào)頻、調(diào)幅、振幅鍵控等多種調(diào)制方式，調(diào)制參數(shù)較多；如果采用專用硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，則實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，且參數(shù)無(wú)法靈活調(diào)整。

采用零中頻正交采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)[14]，實(shí)現(xiàn)VOR射頻信號(hào)的調(diào)制，如圖3所示。在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行正交調(diào)制計(jì)算，得到基帶信號(hào)的I、Q分量，進(jìn)行插值后，通過(guò)D/A模塊變成模擬信號(hào)，然后通過(guò)濾波器進(jìn)行濾波，與已配置為載波頻率的LO（本地振蕩器）的同相分量和正交分量進(jìn)行相乘，再將二者進(jìn)行相加運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)基帶信號(hào)的直接上變頻，最后再經(jīng)過(guò)濾波以及增益控制后，輸出射頻信號(hào)。

圖3　零中頻軟件無(wú)線電基本結(jié)構(gòu)Fig.3　Zero-IF SDR basic structure

在這種設(shè)計(jì)方案中，基帶調(diào)制算法在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)，從而使得各個(gè)調(diào)制參數(shù)均可靈活改變，且容易實(shí)現(xiàn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、GPIB等方式進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

采用這種結(jié)構(gòu)，計(jì)算機(jī)需要提供VOR射頻信號(hào)的I、Q分量，下面對(duì)I、Q分量的表達(dá)式進(jìn)行推導(dǎo)。由第1節(jié)的分析可知，VOR射頻信號(hào)在總體上是一個(gè)調(diào)幅信號(hào)，調(diào)幅使載波的幅值隨調(diào)制信號(hào)的變化而變化。設(shè)調(diào)制信號(hào)為v（t），對(duì)頻率為fc的載波進(jìn)行調(diào)幅，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

其中：m為調(diào)制度。

根據(jù)三角函數(shù)公式

對(duì)式（5）進(jìn)行變換可得

令θ=0，則有

其中

對(duì)于VOR射頻信號(hào)，為實(shí)現(xiàn)正交調(diào)制，根據(jù)式（4）和式（9）可得

即根據(jù)式（10）生成I分量和Q分量即可。

3　設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1硬件設(shè)計(jì)

采用Aeroflex公司的3000系列射頻卡作為零中頻正交采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)。3000系列中的3020高性能射頻信號(hào)源，采用PXI總線接口，輸出頻段范圍1MHz～6GHz，輸出范圍-120～60dbm，調(diào)制帶寬可達(dá)90 MHz。圖3中的LO信號(hào)可由3000系列射頻卡中的3010頻率合成器提供。3010頻率合成器采用PXI總線接口，與3020高性能射頻信號(hào)源配合使用，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，便可以產(chǎn)生需要的調(diào)制信號(hào)。

VOR射頻激勵(lì)源的總體硬件構(gòu)成如圖4所示。使用PXI機(jī)箱作為激勵(lì)源的基礎(chǔ)平臺(tái)，通過(guò)PXI總線連接各個(gè)模塊；使用3010頻率合成器和3020射頻信號(hào)源作為軟件無(wú)線電的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)；將PXI控制器作為系統(tǒng)的計(jì)算平臺(tái)，與輸入輸出設(shè)備相連接，完成I、Q分量的生成和激勵(lì)源的控制；在PXI機(jī)箱中加入GPIB控制卡和網(wǎng)卡，提供遠(yuǎn)程控制功能的硬件接口。

圖4　總體硬件構(gòu)成Fig.4　Overall hardware structure

3.2軟件設(shè)計(jì)

VOR射頻激勵(lì)源允許用戶通過(guò)人機(jī)交互界面設(shè)置射頻激勵(lì)參數(shù)，并通過(guò)硬件完成射頻信號(hào)的發(fā)送；也允許用戶通過(guò)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制或遠(yuǎn)程GPIB控制的方式對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄟM(jìn)行程序開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)的簡(jiǎn)化UML類圖如圖5所示。將VOR射頻信號(hào)發(fā)生器的功能進(jìn)行抽象，得到VOR射頻信號(hào)發(fā)生器基類CVORRF SigGenBase（在下文中，對(duì)該類進(jìn)行了詳細(xì)介紹），定義一個(gè)派生類CVORRFSigGen_PXI 3000，繼承此基類，依據(jù)所建立的信號(hào)模型，該派生類使用3000系列射頻板卡來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制。將控制方式進(jìn)行抽象，得到控制方式抽象類CCtrlBase，定義CHMICtrl、CNETCtrl、CGPIBCtrl 3個(gè)派生類，繼承此基類，分別實(shí)現(xiàn)通過(guò)人機(jī)交互界面方式、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)方式和遠(yuǎn)程GPIB方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。CLog類為系統(tǒng)日志類，用于記錄系統(tǒng)的日志信息。通過(guò)CVORRFSignalGenDlg類對(duì)所有對(duì)象進(jìn)行整合，完成VOR射頻激勵(lì)源的總體功能。

圖5　簡(jiǎn)化的系統(tǒng)UML類圖Fig.5　Simplified UML class diagram of system

將VOR射頻信號(hào)所涉及的參數(shù)分為3組，分別是VOR信息參數(shù)組、臺(tái)站識(shí)別碼參數(shù)組和基礎(chǔ)調(diào)制參數(shù)組。

VOR信息參數(shù)組是發(fā)射VOR射頻信號(hào)必須提供的信息參數(shù)，主要包括：射頻載波頻率、射頻功率、VOR方位角（即可變相位信號(hào)與基準(zhǔn)相位信號(hào)的相位差）3個(gè)參數(shù)。

臺(tái)站識(shí)別碼參數(shù)組是發(fā)射臺(tái)站識(shí)別碼時(shí)必須提供的信息參數(shù)，主要包括：臺(tái)站識(shí)別碼發(fā)射標(biāo)識(shí)（用于標(biāo)識(shí)是否發(fā)射臺(tái)站識(shí)別碼）以及臺(tái)站識(shí)別碼字符串。

基礎(chǔ)調(diào)制參數(shù)組是發(fā)射VOR射頻信號(hào)時(shí)的基本調(diào)制參數(shù)，如用戶未對(duì)該組參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，則按第1節(jié)中給出的默認(rèn)值進(jìn)行設(shè)置。主要包括：基準(zhǔn)相位信號(hào)頻率、可變相位信號(hào)頻率、副載波信號(hào)頻率、基準(zhǔn)相位信號(hào)對(duì)副載波的調(diào)頻指數(shù)、可變相位信號(hào)對(duì)射頻載波的調(diào)制度、調(diào)制副載波對(duì)射頻載波的調(diào)制度、識(shí)別音頻對(duì)射頻載波的調(diào)制度、識(shí)別音頻信號(hào)頻率以及臺(tái)站識(shí)別碼發(fā)送周期。

將這3組參數(shù)定義為結(jié)構(gòu)體，UML類圖如圖6所示。

圖6　參數(shù)結(jié)構(gòu)體的UML類圖Fig.6　UML class diagram of parameter structure

對(duì)于基礎(chǔ)調(diào)制參數(shù)組的參數(shù)，允許在一定范圍內(nèi)進(jìn)行上下浮動(dòng)，使系統(tǒng)具有更好的靈活性。參數(shù)的浮動(dòng)范圍如表1所示。

無(wú)論采用何種軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生VOR射頻信號(hào)的功能是一致的，因此，可以對(duì)VOR射頻信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行抽象。VOR射頻信號(hào)發(fā)生器基類的UML類圖如圖7所示。該類包3個(gè)結(jié)構(gòu)體參數(shù)，即VOR信息參數(shù)組結(jié)構(gòu)體、臺(tái)站識(shí)別碼參數(shù)組結(jié)構(gòu)體和基礎(chǔ)調(diào)制參數(shù)組結(jié)構(gòu)體，均為protected屬性；對(duì)3個(gè)結(jié)構(gòu)體參數(shù)進(jìn)行讀取和寫入的函數(shù)均為public屬性；以及3個(gè)基本操作函數(shù)：初始化函數(shù)、啟動(dòng)射頻發(fā)射函數(shù)、停止射頻發(fā)射函數(shù)，這3個(gè)函數(shù)具有public屬性，并被定義為虛函數(shù)，在繼承該類的派生類中進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，與3000系列射頻卡操作相關(guān)的函數(shù)，也將在派生類中實(shí)現(xiàn)。

表1　調(diào)制參數(shù)范圍Tab.1　Range of modulation parameters

圖7　射頻信號(hào)發(fā)生器基類的UML類圖Fig.7　UML class diagram of RF signal generator base class

對(duì)上文所述的各個(gè)類進(jìn)行整合，按照?qǐng)D8所示的系統(tǒng)工作流程圖產(chǎn)生VOR射頻信號(hào)。首先對(duì)硬件資源進(jìn)行初始化，并確定控制方式，即人機(jī)交互界面控制、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制或遠(yuǎn)程GPIB控制；然后判斷是否啟動(dòng)發(fā)射，如果不啟動(dòng)發(fā)射，則可重新選擇控制方式，如果啟動(dòng)發(fā)射，則獲取VOR射頻信號(hào)的相關(guān)參數(shù)，如載波頻率、射頻功率、方位角等信息，根據(jù)獲取的參數(shù)，生成I、Q分量，最后驅(qū)動(dòng)硬件輸出射頻信號(hào)；接著判斷是否停止發(fā)射，如果不停止發(fā)射，則繼續(xù)本循環(huán)，不斷的獲取參數(shù)、生成I、Q分量并驅(qū)動(dòng)硬件，如果停止發(fā)射，則驅(qū)動(dòng)硬件，停止射頻信號(hào)的發(fā)射。

圖8　系統(tǒng)工作流程圖Fig.8　Workflow of system

4　系統(tǒng)測(cè)試與驗(yàn)證

國(guó)際民航組織（ICAO，international civil aviation organization）規(guī)定VOR徑向信號(hào)誤差Eg=±3°，即VOR地面臺(tái)空間測(cè)量點(diǎn)的標(biāo)稱方位角，與該點(diǎn)處由VOR射頻信號(hào)測(cè)得的方位角之差，應(yīng)不大于±3°[15]。

通過(guò)頻譜分析儀對(duì)VOR射頻激勵(lì)源的信號(hào)頻譜進(jìn)行測(cè)試；并將信號(hào)進(jìn)行記錄，使用Matlab軟件進(jìn)行分析，得到激勵(lì)源輸出的相位差，即VOR射頻激勵(lì)源輸出的方位角，與設(shè)置的方位角進(jìn)行比較，計(jì)算系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)測(cè)試運(yùn)行如圖9所示，左側(cè)為本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的VOR射頻激勵(lì)源，右側(cè)為頻譜分析儀。

圖9　系統(tǒng)的測(cè)試和運(yùn)行Fig.9　Test and operation of system

使用頻譜分析儀對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和分析。設(shè)置載波為108.00 MHz，方位角設(shè)置為0°，關(guān)閉臺(tái)站識(shí)別碼發(fā)射功能，得到的信號(hào)頻譜圖如圖10所示。從圖中可以看出，載波頻率為108.00 MHz，載波兩側(cè)的信號(hào)是9 960 Hz副載波對(duì)載波進(jìn)行調(diào)幅時(shí)得到的上邊帶和下邊帶信號(hào)；30 Hz可變相位信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)幅的邊帶信號(hào)，因頻率過(guò)低，在頻譜圖中無(wú)法分辨。

使用頻譜儀的記錄功能，將信號(hào)記錄為16 Bit的PCM格式，得到的文件是后綴名為wav的雙聲道波形文件，兩個(gè)聲道為對(duì)射頻信號(hào)下變頻后得到的基帶I、Q信號(hào)。將文件導(dǎo)入到Maltab，并對(duì)基帶I、Q信號(hào)進(jìn)行調(diào)幅解調(diào)后，得到的波形如圖11所示。

圖11　基帶信號(hào)波形Fig.11　Waveform of baseband signal

使用一個(gè)30 Hz濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，提取出30 Hz可變相位信號(hào)；使用9 960 Hz濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，得到9 960 Hz副載波；對(duì)副載波進(jìn)行調(diào)頻解調(diào)后，得到基準(zhǔn)相位信號(hào)，如圖12所示。從圖中可以看出，激勵(lì)源輸出的射頻信號(hào)，包含了可變相位信號(hào)、調(diào)頻副載波信號(hào)和基準(zhǔn)相位信號(hào)。

圖12　解調(diào)后的波形Fig.12　Waveform after demodulation

將方位角設(shè)置為不同的角度，記錄I、Q分量信號(hào)，解調(diào)并計(jì)算基準(zhǔn)相位信號(hào)與可變相位信號(hào)的相位差，將設(shè)置的方位角與解調(diào)得到的相位差相減，即可得到系統(tǒng)輸出信號(hào)的誤差值。以方位角為橫坐標(biāo)，誤差值作為縱坐標(biāo)進(jìn)行繪圖，得到系統(tǒng)的誤差曲線如圖13所示。經(jīng)計(jì)算，系統(tǒng)的方位角誤差在-0.5°～0.5°之間，在允許的誤差范圍之內(nèi)。

圖13　誤差曲線Fig.13　Error curve

將臺(tái)站識(shí)別碼字符串設(shè)置為E，重復(fù)周期設(shè)置為1 s，記錄基帶信號(hào)，調(diào)幅解調(diào)后將信號(hào)通過(guò)1個(gè)1 020 Hz濾波器，即可得到識(shí)別音頻信號(hào)，如圖14所示。臺(tái)站識(shí)別碼“E”的莫爾斯代碼為一個(gè)“點(diǎn)”號(hào)，而重復(fù)周期為1 s，故在1 s時(shí)間內(nèi)，得到的是一個(gè)時(shí)長(zhǎng)約為0.1 s的音頻信號(hào)。使用航空波段收音機(jī)，能夠直接聽(tīng)到該莫爾斯代碼。

圖14　識(shí)別音頻信號(hào)Fig.14　Identifying audio signal

經(jīng)以上對(duì)VOR射頻激勵(lì)源輸出信號(hào)的分析，驗(yàn)證了系統(tǒng)輸出的射頻信號(hào)的正確性。

5　結(jié)語(yǔ)

本文從調(diào)制信號(hào)分析、正交調(diào)制算法以及軟硬件平臺(tái)搭建等方面進(jìn)行了研究，采用軟件無(wú)線電技術(shù)設(shè)計(jì)的VOR射頻激勵(lì)源，可以提供對(duì)VOR接收機(jī)進(jìn)行測(cè)試和維護(hù)時(shí)所需的射頻信號(hào)。本文提出的設(shè)計(jì)方案易于實(shí)現(xiàn)，開(kāi)發(fā)周期短，成本低，并支持通過(guò)遠(yuǎn)程方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，便于將該激勵(lì)源集成到自動(dòng)測(cè)試設(shè)備中。在該系統(tǒng)基礎(chǔ)上，還可通過(guò)增加軟件功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)其它航電設(shè)備的射頻激勵(lì)功能，具有良好的擴(kuò)展性。該VOR射頻激勵(lì)源還能夠用于飛機(jī)航電系統(tǒng)的集成驗(yàn)證當(dāng)中，可跟隨集成驗(yàn)證時(shí)的信號(hào)需求，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的射頻信號(hào)提供給VOR接收機(jī)，對(duì)VOR機(jī)載系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。

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（責(zé)任編輯：黃月）

VOR RF actuator research based on software defined radio

MA Tengdaa,FAN Zhiyongb,WANG Kaia
（a.College of Electronic Information and Automation;b.Engineering Techniques Training Center,CAUC,Tianjin 300300,China）

To test and maintain the VOR receiver,an actuator which can simulate the ground station RF signal is needed. The current use of RF actuator is generally traditional special hardware equipment,the parameters could not be adjusted flexibly,and the price is higher.In order to solve this problem,the principles of VOR RF signal are analyzed;VOR RF actuator based on SDR is designed.The zero-IF software radio structure is used.The RF signal transmitted through the universal hardware platform is quadrature modulated on computer,and the modulation parameters can be adjusted flexibly.The system could be controlled through human-machine interface，network or GPIB.The system is tested by spectrum analyzer and RF signal of the system is recorded and analyzed through Matlab.Results show that the system error is acceptable according to relevant standards,and could provide the VOR receiver with adjustable RF signal.

VOR;SDR;RF excitation;zero-IF;quadrature modulate;PXI bus

TN965.3；V271.2

A

1674-5590（2016）04-0047-06

2015-09-24；

2015-12-07基金項(xiàng)目：中國(guó)民用航空局科技基金重大專項(xiàng)（MHRD20130112）

馬騰達(dá)（1988—），男，天津人，助教，碩士，研究方向?yàn)楹诫娤到y(tǒng)仿真驗(yàn)證.