基于Goertzel算法的选择呼叫译码电路设计

王海丽，杜海龙，段照斌

（中国民航大学工程技术训练中心,天津 300300）

随着中国民航事业的飞速发展，民用航空维修对保障民航飞行安全的重要性越来越明显，然而，研究表明：与人为因素相关的飞行事故已增至80%，并且呈现不断上升的趋势[1]。因此，对于民用航空器维修人员的培训工作也越来越受重视。民用航空器维修人员必须深入了解机载电子设备的工作原理，才能有效地预防故障的发生和准确地进行故障分析和故障定位，从而保障航空安全。

选择呼叫系统（SEL CAL）向飞行机组提供来自管制员或航空公司地面台站的呼叫显示，该系统对于在紧急情况下保障飞机的飞行安全非常重要。每架飞机都固定有一个由4个英文字母组成的选择呼叫编码，地面塔台通过VHF或HF通信系统发出该飞机的选择呼叫编码，就可以与该飞机取得联系[2]。

在民用航空器维修培训过程中，由于很多现实条件的限制，如机载设备比较昂贵，不利于大量引进；针对实际飞机进行现场培训，空间又受到严重的限制。然而，基于Goertzel算法的选择呼叫译码电路的设计，可以有效解决这一问题，有利于民用航空器维修培训工作的顺利开展。

1 设计方案

选择呼叫译码电路，首先，通过友好的人机交互页面，可以通过键盘设定选呼代码的任意组合，可以模拟飞机上由程序销钉设定的本机代码，并通过LED显示，更加直观。其次，设备可制作成电池供电的便携式设备，克服了培训场所的限制。再者，该设备的软件算法性能稳定，可靠性高，仿真和试验证明，该设备可以满足机载选择呼叫系统的培训要求。

1.1 硬件设计方案

选择呼叫译码电路包括：电源模块、译码电路模块、键盘阵列、液晶显示模块、灯光指示和音频警告模块、485通信模块。设备使用DC 12 V供电，译码电路模块微处理芯片选择了ATxmega32A4单片机；4×4的键盘阵列电路采用BCD码的格式，16个自锁按键各连接一个发光二极管，以显示按键状态；选呼信号经过数字处理后，通过485总线到达信号传输控制电路，MSP430单片机控制N0KIA5110显示液晶屏；当呼叫代码与本机代码一致时，产生指示灯和音频提示，整体的方案如图1所示。

1.2 系统软件设计

飞机的选呼代码，每一个字母对应一种特定的音频频率和BCD编码，如表1所示，16个字母能够表示的飞机容量为

表1 选呼代码与音频以及BCD之间的关系Tab.1 Correspondences among selective call codes，audio frequencies and BCD codes

1架飞机的选呼代码是由不同的4个字母组合的双音多频信号（DTMF），信号的编码格式如图2所示。

离散傅里叶变换（DFT）可用于计算N个均匀间隔频率处的功率。Goertzel算法得到的DFT系数处于N个均匀间隔的频率上，但是这些频率不可能都与选择呼叫DTMF频率一一对应，因此采用改进的Goertzel算法[3-4]来检测16个特定频率点上的功率，即可得到对应的选择呼叫代码。改进的Goertzel滤波器的传递函数为

滤波器的递归部分为

滤波器的非递归部分为

对应频率点的DFT系数的幅度平方为

其中：fs为采样频率；fi是16种音频中的一种；2cos（2π fi/fs）对于特定的频率来说，是一个常数；N=1，2，…，k，即取 k个样本来计算功率，与键盘阵列设置的本机代码进行比较，确定选择呼叫代码，主程序的流程图如图3所示。

2 结果与分析

选择呼叫信号[5]是符合飞机选呼代码编码方式的DTMF信号，两个字母对应的两种音频信号相叠加得到的信号，如图4（a）所示，经频率展宽后，可以看到脉冲宽度为 1 s，间隔为 0.2 s，如图 4（b）所示。

在Matlab仿真平台下产生DTMF信号，fs=6 144 Hz，改进的Goertzel算法可以有效地进行16种选择呼叫代码的译码。下面给出如式（6）所示的两个最低频率和最高频率的仿真结果，图5（a）为产生的DTMF的离散序列，改进的Goertzel算法进行译码的结果如图5（b）所示，即选呼代码为“ABRS”。

软件仿真时，在信号源中加入不同程度的噪声或改变每一个字母对应音频信号的相位和幅度等，对译码结果没有影响。

硬件电路如图6所示，测试时，通过串口调试工具连续向译码电路发送同一选择呼叫代码，与本机代码如图 6（b）所示的“FEPK”，即“0110，0101，1101，1010”进行比较，若一致，则发出灯光和声音提示，说明地面在呼叫本架飞机。统计呼叫概率，即期望成功的选择呼叫次数与总试验次数之比[6]，结果表明，该设备能够稳定可靠地进行选择呼叫译码。

综上所述，基于Goertzel算法的选择呼叫译码电路能够满足机载选择呼叫译码器所要求的具体技术指标[7]，如表2所示。

表2 技术指标Tab.2 Technical indicators

3 结语

基于改进Goertzel算法的选择呼叫译码电路，工作电压低，安全性高，成本低廉，操作便捷，设备工作稳定可靠，可以有效地对飞机的选呼代码进行自动识别，并且可以有效解决民用航空器维修培训过程中，由于维修设备或场地等现实问题带来的不便，有助于维修人员更加深入地理解选择呼叫系统的工作原理，提高了培训的质量，为航空安全提供了重要的保障，该设备的研制具有重要的应用价值。

[1] 朱丽君，刘 珂.人为因素和航空法规[M].北京:兵器工业出版社，2007.

[2] 波音公司.波音737-NG飞机维修手册（AMM）[G].波音公司，2004.

[3] 薛曼芳.基于改进的Goertzel算法的双音多频检测器的设计[J].兰州工业高等专科学校学报，2008，15（3）：27-30.

[4] 王卫兵，朱秋萍，徐心毅，等.Goertzel算法的一种改进计算结构[J].武汉大学学报，2007，53（3）：375-378.

[5] 周德新，杨代文，王 凯，等.基于FPGA的选择呼叫信号源设计[J].自动化仪表，2009，30（5）：68-70.

[6] 张景录.选择呼叫设备的呼叫概率和虚呼[J].电子技术应用，1983（8）：31-34.

[7] 波音公司.波音737-NG飞机部件维修手册（CMM）[G].波音公司，2003.