基于軟件無線電的VOR射頻激勵源研究

馬騰達，樊智勇，王　凱

（中國民航大學 a.電子信息與自動化學院；b.工程技術訓練中心，天津　300300）

基于軟件無線電的VOR射頻激勵源研究

馬騰達a，樊智勇b，王凱a

（中國民航大學 a.電子信息與自動化學院；b.工程技術訓練中心，天津300300）

在對機載VOR接收機進行測試與維護時，需要提供可以模擬地面臺射頻信號的激勵源；目前使用的射頻激勵源一般為傳統的專用硬件設備，存在調制參數固定、無法靈活調節等問題。為解決該問題，對VOR射頻信號原理進行了分析，基于軟件無線電原理，對VOR射頻激勵源進行了設計；采用零中頻軟件無線電結構，在計算機上實現對VOR射頻信號的正交調制，從而能夠對調制參數進行靈活調節，并通過通用的硬件平臺發射VOR射頻信號；系統可通過人機交互界面、網絡或GPIB方式進行控制。使用頻譜儀對系統進行了測試，并將輸出的射頻信號進行記錄后，導入到Matlab進行分析驗證。結果表明，系統誤差在允許的范圍內，能夠為VOR接收機提供符合要求的射頻信號。

甚高頻全向信標；軟件無線電；射頻激勵；零中頻；正交調制；PXI總線

甚高頻全向信標（VOR，very high frequency omnidirectional range）系統，是目前民用航空中主要的陸基測向導航系統之一[1]。VOR機載系統的主要部件是VOR接收機，通過天線接收VOR地面臺的射頻信號，解算出方位等信息后，輸出至飛行管理系統以及其他系統。對于從飛機上更換的VOR接收機，需要一個射頻激勵源來模擬地面臺的射頻信號，以對其進行測試和維護；激勵源提供的射頻信號，需要與VOR地面臺在空間點中的射頻信號相一致。

目前，對VOR接收機進行內場測試使用的射頻激勵源，通常采用專用儀器設備，如國外的NAV2000等，或采用專用硬件來實現。文獻[2]提出的設計方案，結構單一，只能產生單一頻點載波，文獻[3]的方案在FPGA中完成調制并生成數字中頻，使用專用的上變頻模塊發射射頻載波。而采用專用硬件來實現，存在硬件設備復雜，調制參數固定，不能靈活調節，成本高等問題。

部分學者采用軟件無線電原理，實現了對ILS（儀表著陸系統）接收機[4]、ADF（無線電羅盤）接收機的射頻激勵[5]，而基于軟件無線電原理設計VOR射頻激勵源的相關研究，目前還比較少見；另有學者[6-8]采用軟件無線電原理對VOR射頻信號的解調過程進行了研究，但只能進行接收分析，無法發射VOR射頻信號。

軟件無線電的概念最早由Jeo Mitola提出，隨后得到了深入的研究和發展，其基本思想是以一個通用化、標準化、模塊化的硬件平臺為依托，通過軟件編程來實現無線電臺的各種功能[9-11]。軟件無線電不僅能應用在通信領域，也可應用在雷達、導航、電子戰、測控等與無線電工程相關的領域[12-13]。

本文通過對VOR地面臺射頻信號原理的分析，設計實現了一種基于軟件無線電原理的VOR射頻激勵源；使用通用的硬件結構，在計算機上通過軟件程序實現對VOR射頻信號的調制，可對調制參數進行靈活的調整，并支持通過網絡或GPIB方式進行遠程控制，成本低、體積小、可靠性高、開發周期短。

1　VOR地面臺射頻信號分析

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個頻道，但VOR只占用其中的160個頻道。112.00～117.95 MHz頻段中，共有120個頻道，通常用于航路VOR。共有40個頻道，如108.05 MHz等；100 kHz位為奇數的頻道用于LOC（ILS的航向臺）。

在VOR射頻信號輻射場中，包含有飛機方位信息的30 Hz可變相位信號，在VOR導航臺的不同方位上，該可變相位信號的相位為0～360°；除此之外，輻射場中還包含一個30 Hz基準相位信號，該信號的相位在各個方位上均相同，且在磁北方向上，與可變相位信號同向。VOR機載設備通過測量地面臺發射的30 Hz基準相位信號和30 Hz可變相位信號的相位差，從而得到飛機的VOR方位角。

VOR射頻信號輻射場中，還包含VOR地面臺的臺站識別碼，用于標識地面臺的身份。一個導航臺的臺站識別碼一般是2～3個英文字母的莫爾斯（Morse）電報碼，如大王莊附近的VOR/DME導航臺的識別碼為“VYK”，將其編碼為相應的莫爾斯碼即為該臺站的識別碼。

1.1基準相位信號

基準相位信號，先用30 Hz信號對9 960 Hz副載波信號進行調頻，然后調頻副載波再對射頻載波進行調幅，30Hz基準相位信號的相位在VOR地面臺周圍360°方向上都是相同的。其數學表達式為

其中：副載波頻率Fs=9 960±1%；基準相位信號的頻率F=30 Hz±1%；調頻指數mf=16±1，即最大頻偏ΔFm=480 Hz±30 Hz；URm為基準相位信號的幅度。

1.2可變相位信號

對于可變相位信號，在空間任何點上觀察到的射頻載波信號，即對VOR接收機收到的信號而言，都是30 Hz可變相位信號對射頻載波進行調幅的波形，且其相位隨VOR地面臺徑向方位的不同而變化。其數學表達式為

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

1.3臺站識別碼信號

VOR地面臺發射的莫爾斯碼，每30 s左右重復發射2～3次；其識別音頻頻率為1 020 Hz，莫爾斯碼“點”的持續時間為0.1～0.160 s，“劃”的持續時間為“點”的3倍，即0.3～0.480 s；1個碼字間的“傳號（點或劃）”之間的間隔為“點”的持續時間，碼字與碼字之間的間隔為“劃”的持續時間[1]。

如圖1所示，A為莫爾斯碼信號，B為1 020 Hz識別音頻，C為莫爾斯碼信號對識別音頻進行振幅鍵控得到的信號，D為鍵控的識別音頻信號對載波進行調幅后的波形。其數學表達式為

圖1　識別音頻信號的波形示意圖Fig.1　Schematic diagram of identifying audio signal

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

1.4空間合成信號

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

在空間任何點上觀察到的射頻載波，被由30 Hz基準相位信號調頻的9 960 Hz副載波、30 Hz可變相位信號、振幅鍵控的1 020 Hz識別音頻信號這3個信號所調幅，射頻信號數學表達式為

其中：mA為可變相位信號對載波的調制度，mA=30%± 2%；mB為調頻副載波對載波的調制度，mB=30%± 2%；mC為識別音頻對載波的調制度，mC應盡量接近10%，在不提供地空通信功能時，可不超過20%；射頻載波頻率fc=108.00-117.95 MHz±0.002%。

VOR射頻信號波形（不含識別音頻信號）的示意圖如圖2所示。A為射頻載波，B為副載波，C為基準相位信號，D為基準相位信號對副載波進行調頻后的調頻副載波；E為調頻副載波對射頻載波進行調幅后的波形，F為可變相位信號，G為總體合成波形。

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

2　VOR射頻信號的正交調制算法

由第1節分析可知，VOR射頻信號采用了調頻、調幅、振幅鍵控等多種調制方式，調制參數較多；如果采用專用硬件進行設計，則實現復雜，且參數無法靈活調整。

采用零中頻正交采樣軟件無線電結構[14]，實現VOR射頻信號的調制，如圖3所示。在計算機上進行正交調制計算，得到基帶信號的I、Q分量，進行插值后，通過D/A模塊變成模擬信號，然后通過濾波器進行濾波，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行相乘，再將二者進行相加運算，實現對基帶信號的直接上變頻，最后再經過濾波以及增益控制后，輸出射頻信號。

圖3　零中頻軟件無線電基本結構Fig.3　Zero-IF SDR basic structure

在這種設計方案中，基帶調制算法在計算機中實現，從而使得各個調制參數均可靈活改變，且容易實現通過網絡、GPIB等方式進行遠程控制。

采用這種結構，計算機需要提供VOR射頻信號的I、Q分量，下面對I、Q分量的表達式進行推導。由第1節的分析可知，VOR射頻信號在總體上是一個調幅信號，調幅使載波的幅值隨調制信號的變化而變化。設調制信號為v（t），對頻率為fc的載波進行調幅，其數學表達式為

其中：m為調制度。

根據三角函數公式

對式（5）進行變換可得

令θ=0，則有

其中

對于VOR射頻信號，為實現正交調制，根據式（4）和式（9）可得

即根據式（10）生成I分量和Q分量即可。

3　設計與實現

3.1硬件設計

采用Aeroflex公司的3000系列射頻卡作為零中頻正交采樣軟件無線電結構的實現平臺。3000系列中的3020高性能射頻信號源，采用PXI總線接口，輸出頻段范圍1MHz～6GHz，輸出范圍-120～60dbm，調制帶寬可達90 MHz。圖3中的LO信號可由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高性能射頻信號源配合使用，通過計算機進行控制，便可以產生需要的調制信號。

VOR射頻激勵源的總體硬件構成如圖4所示。使用PXI機箱作為激勵源的基礎平臺，通過PXI總線連接各個模塊；使用3010頻率合成器和3020射頻信號源作為軟件無線電的實現平臺；將PXI控制器作為系統的計算平臺，與輸入輸出設備相連接，完成I、Q分量的生成和激勵源的控制；在PXI機箱中加入GPIB控制卡和網卡，提供遠程控制功能的硬件接口。

圖4　總體硬件構成Fig.4　Overall hardware structure

3.2軟件設計

VOR射頻激勵源允許用戶通過人機交互界面設置射頻激勵參數，并通過硬件完成射頻信號的發送；也允許用戶通過遠程網絡控制或遠程GPIB控制的方式對參數進行設置。

采用面向對象的方法進行程序開發，系統的簡化UML類圖如圖5所示。將VOR射頻信號發生器的功能進行抽象，得到VOR射頻信號發生器基類CVORRF SigGenBase（在下文中，對該類進行了詳細介紹），定義一個派生類CVORRFSigGen_PXI 3000，繼承此基類，依據所建立的信號模型，該派生類使用3000系列射頻板卡來實現信號的調制。將控制方式進行抽象，得到控制方式抽象類CCtrlBase，定義CHMICtrl、CNETCtrl、CGPIBCtrl 3個派生類，繼承此基類，分別實現通過人機交互界面方式、遠程網絡方式和遠程GPIB方式對系統進行控制。CLog類為系統日志類，用于記錄系統的日志信息。通過CVORRFSignalGenDlg類對所有對象進行整合，完成VOR射頻激勵源的總體功能。

圖5　簡化的系統UML類圖Fig.5　Simplified UML class diagram of system

將VOR射頻信號所涉及的參數分為3組，分別是VOR信息參數組、臺站識別碼參數組和基礎調制參數組。

VOR信息參數組是發射VOR射頻信號必須提供的信息參數，主要包括：射頻載波頻率、射頻功率、VOR方位角（即可變相位信號與基準相位信號的相位差）3個參數。

臺站識別碼參數組是發射臺站識別碼時必須提供的信息參數，主要包括：臺站識別碼發射標識（用于標識是否發射臺站識別碼）以及臺站識別碼字符串。

基礎調制參數組是發射VOR射頻信號時的基本調制參數，如用戶未對該組參數進行設置，則按第1節中給出的默認值進行設置。主要包括：基準相位信號頻率、可變相位信號頻率、副載波信號頻率、基準相位信號對副載波的調頻指數、可變相位信號對射頻載波的調制度、調制副載波對射頻載波的調制度、識別音頻對射頻載波的調制度、識別音頻信號頻率以及臺站識別碼發送周期。

將這3組參數定義為結構體，UML類圖如圖6所示。

圖6　參數結構體的UML類圖Fig.6　UML class diagram of parameter structure

對于基礎調制參數組的參數，允許在一定范圍內進行上下浮動，使系統具有更好的靈活性。參數的浮動范圍如表1所示。

無論采用何種軟件無線電結構，產生VOR射頻信號的功能是一致的，因此，可以對VOR射頻信號發生器進行抽象。VOR射頻信號發生器基類的UML類圖如圖7所示。該類包3個結構體參數，即VOR信息參數組結構體、臺站識別碼參數組結構體和基礎調制參數組結構體，均為protected屬性；對3個結構體參數進行讀取和寫入的函數均為public屬性；以及3個基本操作函數：初始化函數、啟動射頻發射函數、停止射頻發射函數，這3個函數具有public屬性，并被定義為虛函數，在繼承該類的派生類中進行實現，與3000系列射頻卡操作相關的函數，也將在派生類中實現。

表1　調制參數范圍Tab.1　Range of modulation parameters

圖7　射頻信號發生器基類的UML類圖Fig.7　UML class diagram of RF signal generator base class

對上文所述的各個類進行整合，按照圖8所示的系統工作流程圖產生VOR射頻信號。首先對硬件資源進行初始化，并確定控制方式，即人機交互界面控制、遠程網絡控制或遠程GPIB控制；然后判斷是否啟動發射，如果不啟動發射，則可重新選擇控制方式，如果啟動發射，則獲取VOR射頻信號的相關參數，如載波頻率、射頻功率、方位角等信息，根據獲取的參數，生成I、Q分量，最后驅動硬件輸出射頻信號；接著判斷是否停止發射，如果不停止發射，則繼續本循環，不斷的獲取參數、生成I、Q分量并驅動硬件，如果停止發射，則驅動硬件，停止射頻信號的發射。

圖8　系統工作流程圖Fig.8　Workflow of system

4　系統測試與驗證

國際民航組織（ICAO，international civil aviation organization）規定VOR徑向信號誤差Eg=±3°，即VOR地面臺空間測量點的標稱方位角，與該點處由VOR射頻信號測得的方位角之差，應不大于±3°[15]。

通過頻譜分析儀對VOR射頻激勵源的信號頻譜進行測試；并將信號進行記錄，使用Matlab軟件進行分析，得到激勵源輸出的相位差，即VOR射頻激勵源輸出的方位角，與設置的方位角進行比較，計算系統誤差。系統測試運行如圖9所示，左側為本文設計實現的VOR射頻激勵源，右側為頻譜分析儀。

圖9　系統的測試和運行Fig.9　Test and operation of system

使用頻譜分析儀對系統進行測試和分析。設置載波為108.00 MHz，方位角設置為0°，關閉臺站識別碼發射功能，得到的信號頻譜圖如圖10所示。從圖中可以看出，載波頻率為108.00 MHz，載波兩側的信號是9 960 Hz副載波對載波進行調幅時得到的上邊帶和下邊帶信號；30 Hz可變相位信號對載波進行調幅的邊帶信號，因頻率過低，在頻譜圖中無法分辨。

使用頻譜儀的記錄功能，將信號記錄為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，兩個聲道為對射頻信號下變頻后得到的基帶I、Q信號。將文件導入到Maltab，并對基帶I、Q信號進行調幅解調后，得到的波形如圖11所示。

圖11　基帶信號波形Fig.11　Waveform of baseband signal

使用一個30 Hz濾波器對信號進行濾波，提取出30 Hz可變相位信號；使用9 960 Hz濾波器對信號進行濾波，得到9 960 Hz副載波；對副載波進行調頻解調后，得到基準相位信號，如圖12所示。從圖中可以看出，激勵源輸出的射頻信號，包含了可變相位信號、調頻副載波信號和基準相位信號。

圖12　解調后的波形Fig.12　Waveform after demodulation

將方位角設置為不同的角度，記錄I、Q分量信號，解調并計算基準相位信號與可變相位信號的相位差，將設置的方位角與解調得到的相位差相減，即可得到系統輸出信號的誤差值。以方位角為橫坐標，誤差值作為縱坐標進行繪圖，得到系統的誤差曲線如圖13所示。經計算，系統的方位角誤差在-0.5°～0.5°之間，在允許的誤差范圍之內。

圖13　誤差曲線Fig.13　Error curve

將臺站識別碼字符串設置為E，重復周期設置為1 s，記錄基帶信號，調幅解調后將信號通過1個1 020 Hz濾波器，即可得到識別音頻信號，如圖14所示。臺站識別碼“E”的莫爾斯代碼為一個“點”號，而重復周期為1 s，故在1 s時間內，得到的是一個時長約為0.1 s的音頻信號。使用航空波段收音機，能夠直接聽到該莫爾斯代碼。

圖14　識別音頻信號Fig.14　Identifying audio signal

經以上對VOR射頻激勵源輸出信號的分析，驗證了系統輸出的射頻信號的正確性。

5　結語

本文從調制信號分析、正交調制算法以及軟硬件平臺搭建等方面進行了研究，采用軟件無線電技術設計的VOR射頻激勵源，可以提供對VOR接收機進行測試和維護時所需的射頻信號。本文提出的設計方案易于實現，開發周期短，成本低，并支持通過遠程方式對系統進行控制，便于將該激勵源集成到自動測試設備中。在該系統基礎上，還可通過增加軟件功能，實現對其它航電設備的射頻激勵功能，具有良好的擴展性。該VOR射頻激勵源還能夠用于飛機航電系統的集成驗證當中，可跟隨集成驗證時的信號需求，產生對應的射頻信號提供給VOR接收機，對VOR機載系統進行驗證。

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[15]ICAO.Annex10,Aeronautical Telecommunications,Volume I Radio Navigation Aids[S].ICAO,6 Edition,2006.

（責任編輯：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基金項目：中國民用航空局科技基金重大專項（MHRD20130112）

馬騰達（1988—），男，天津人，助教，碩士，研究方向為航電系統仿真驗證.