基于软件无线电的VOR射频激励源研究

马腾达，樊智勇，王　凯

（中国民航大学 a.电子信息与自动化学院；b.工程技术训练中心，天津　300300）

基于软件无线电的VOR射频激励源研究

马腾达a，樊智勇b，王凯a

（中国民航大学 a.电子信息与自动化学院；b.工程技术训练中心，天津300300）

在对机载VOR接收机进行测试与维护时，需要提供可以模拟地面台射频信号的激励源；目前使用的射频激励源一般为传统的专用硬件设备，存在调制参数固定、无法灵活调节等问题。为解决该问题，对VOR射频信号原理进行了分析，基于软件无线电原理，对VOR射频激励源进行了设计；采用零中频软件无线电结构，在计算机上实现对VOR射频信号的正交调制，从而能够对调制参数进行灵活调节，并通过通用的硬件平台发射VOR射频信号；系统可通过人机交互界面、网络或GPIB方式进行控制。使用频谱仪对系统进行了测试，并将输出的射频信号进行记录后，导入到Matlab进行分析验证。结果表明，系统误差在允许的范围内，能够为VOR接收机提供符合要求的射频信号。

甚高频全向信标；软件无线电；射频激励；零中频；正交调制；PXI总线

甚高频全向信标（VOR，very high frequency omnidirectional range）系统，是目前民用航空中主要的陆基测向导航系统之一[1]。VOR机载系统的主要部件是VOR接收机，通过天线接收VOR地面台的射频信号，解算出方位等信息后，输出至飞行管理系统以及其他系统。对于从飞机上更换的VOR接收机，需要一个射频激励源来模拟地面台的射频信号，以对其进行测试和维护；激励源提供的射频信号，需要与VOR地面台在空间点中的射频信号相一致。

目前，对VOR接收机进行内场测试使用的射频激励源，通常采用专用仪器设备，如国外的NAV2000等，或采用专用硬件来实现。文献[2]提出的设计方案，结构单一，只能产生单一频点载波，文献[3]的方案在FPGA中完成调制并生成数字中频，使用专用的上变频模块发射射频载波。而采用专用硬件来实现，存在硬件设备复杂，调制参数固定，不能灵活调节，成本高等问题。

部分学者采用软件无线电原理，实现了对ILS（仪表着陆系统）接收机[4]、ADF（无线电罗盘）接收机的射频激励[5]，而基于软件无线电原理设计VOR射频激励源的相关研究，目前还比较少见；另有学者[6-8]采用软件无线电原理对VOR射频信号的解调过程进行了研究，但只能进行接收分析，无法发射VOR射频信号。

软件无线电的概念最早由Jeo Mitola提出，随后得到了深入的研究和发展，其基本思想是以一个通用化、标准化、模块化的硬件平台为依托，通过软件编程来实现无线电台的各种功能[9-11]。软件无线电不仅能应用在通信领域，也可应用在雷达、导航、电子战、测控等与无线电工程相关的领域[12-13]。

本文通过对VOR地面台射频信号原理的分析，设计实现了一种基于软件无线电原理的VOR射频激励源；使用通用的硬件结构，在计算机上通过软件程序实现对VOR射频信号的调制，可对调制参数进行灵活的调整，并支持通过网络或GPIB方式进行远程控制，成本低、体积小、可靠性高、开发周期短。

1　VOR地面台射频信号分析

VOR使用甚高频频段的108.00～117.95 MHz作为载波频率，频道间隔为0.05 MHz，共有200个频道，但VOR只占用其中的160个频道。112.00～117.95 MHz频段中，共有120个频道，通常用于航路VOR。共有40个频道，如108.05 MHz等；100 kHz位为奇数的频道用于LOC（ILS的航向台）。

在VOR射频信号辐射场中，包含有飞机方位信息的30 Hz可变相位信号，在VOR导航台的不同方位上，该可变相位信号的相位为0～360°；除此之外，辐射场中还包含一个30 Hz基准相位信号，该信号的相位在各个方位上均相同，且在磁北方向上，与可变相位信号同向。VOR机载设备通过测量地面台发射的30 Hz基准相位信号和30 Hz可变相位信号的相位差，从而得到飞机的VOR方位角。

VOR射频信号辐射场中，还包含VOR地面台的台站识别码，用于标识地面台的身份。一个导航台的台站识别码一般是2～3个英文字母的莫尔斯（Morse）电报码，如大王庄附近的VOR/DME导航台的识别码为“VYK”，将其编码为相应的莫尔斯码即为该台站的识别码。

1.1基准相位信号

基准相位信号，先用30 Hz信号对9 960 Hz副载波信号进行调频，然后调频副载波再对射频载波进行调幅，30Hz基准相位信号的相位在VOR地面台周围360°方向上都是相同的。其数学表达式为

其中：副载波频率Fs=9 960±1%；基准相位信号的频率F=30 Hz±1%；调频指数mf=16±1，即最大频偏ΔFm=480 Hz±30 Hz；URm为基准相位信号的幅度。

1.2可变相位信号

对于可变相位信号，在空间任何点上观察到的射频载波信号，即对VOR接收机收到的信号而言，都是30 Hz可变相位信号对射频载波进行调幅的波形，且其相位随VOR地面台径向方位的不同而变化。其数学表达式为

其中：可变相位信号的频率F=30 Hz±1%；UVm为可变相位信号的幅度，θ为相位。

1.3台站识别码信号

VOR地面台发射的莫尔斯码，每30 s左右重复发射2～3次；其识别音频频率为1 020 Hz，莫尔斯码“点”的持续时间为0.1～0.160 s，“划”的持续时间为“点”的3倍，即0.3～0.480 s；1个码字间的“传号（点或划）”之间的间隔为“点”的持续时间，码字与码字之间的间隔为“划”的持续时间[1]。

如图1所示，A为莫尔斯码信号，B为1 020 Hz识别音频，C为莫尔斯码信号对识别音频进行振幅键控得到的信号，D为键控的识别音频信号对载波进行调幅后的波形。其数学表达式为

图1　识别音频信号的波形示意图Fig.1　Schematic diagram of identifying audio signal

其中：g（t）为莫尔斯码键控的识别音频信号，识别音频频率为1 020 Hz±50 Hz；UGm为信号幅度。

1.4空间合成信号

VOR地面台还能够提供地空语音通信功能，但中国民航禁止使用话音功能，故在此不做讨论。

在空间任何点上观察到的射频载波，被由30 Hz基准相位信号调频的9 960 Hz副载波、30 Hz可变相位信号、振幅键控的1 020 Hz识别音频信号这3个信号所调幅，射频信号数学表达式为

其中：mA为可变相位信号对载波的调制度，mA=30%± 2%；mB为调频副载波对载波的调制度，mB=30%± 2%；mC为识别音频对载波的调制度，mC应尽量接近10%，在不提供地空通信功能时，可不超过20%；射频载波频率fc=108.00-117.95 MHz±0.002%。

VOR射频信号波形（不含识别音频信号）的示意图如图2所示。A为射频载波，B为副载波，C为基准相位信号，D为基准相位信号对副载波进行调频后的调频副载波；E为调频副载波对射频载波进行调幅后的波形，F为可变相位信号，G为总体合成波形。

图2　VOR射频信号的波形示意图Fig.2　Schematic diagram of VOR RF signal

2　VOR射频信号的正交调制算法

由第1节分析可知，VOR射频信号采用了调频、调幅、振幅键控等多种调制方式，调制参数较多；如果采用专用硬件进行设计，则实现复杂，且参数无法灵活调整。

采用零中频正交采样软件无线电结构[14]，实现VOR射频信号的调制，如图3所示。在计算机上进行正交调制计算，得到基带信号的I、Q分量，进行插值后，通过D/A模块变成模拟信号，然后通过滤波器进行滤波，与已配置为载波频率的LO（本地振荡器）的同相分量和正交分量进行相乘，再将二者进行相加运算，实现对基带信号的直接上变频，最后再经过滤波以及增益控制后，输出射频信号。

图3　零中频软件无线电基本结构Fig.3　Zero-IF SDR basic structure

在这种设计方案中，基带调制算法在计算机中实现，从而使得各个调制参数均可灵活改变，且容易实现通过网络、GPIB等方式进行远程控制。

采用这种结构，计算机需要提供VOR射频信号的I、Q分量，下面对I、Q分量的表达式进行推导。由第1节的分析可知，VOR射频信号在总体上是一个调幅信号，调幅使载波的幅值随调制信号的变化而变化。设调制信号为v（t），对频率为fc的载波进行调幅，其数学表达式为

其中：m为调制度。

根据三角函数公式

对式（5）进行变换可得

令θ=0，则有

其中

对于VOR射频信号，为实现正交调制，根据式（4）和式（9）可得

即根据式（10）生成I分量和Q分量即可。

3　设计与实现

3.1硬件设计

采用Aeroflex公司的3000系列射频卡作为零中频正交采样软件无线电结构的实现平台。3000系列中的3020高性能射频信号源，采用PXI总线接口，输出频段范围1MHz～6GHz，输出范围-120～60dbm，调制带宽可达90 MHz。图3中的LO信号可由3000系列射频卡中的3010频率合成器提供。3010频率合成器采用PXI总线接口，与3020高性能射频信号源配合使用，通过计算机进行控制，便可以产生需要的调制信号。

VOR射频激励源的总体硬件构成如图4所示。使用PXI机箱作为激励源的基础平台，通过PXI总线连接各个模块；使用3010频率合成器和3020射频信号源作为软件无线电的实现平台；将PXI控制器作为系统的计算平台，与输入输出设备相连接，完成I、Q分量的生成和激励源的控制；在PXI机箱中加入GPIB控制卡和网卡，提供远程控制功能的硬件接口。

图4　总体硬件构成Fig.4　Overall hardware structure

3.2软件设计

VOR射频激励源允许用户通过人机交互界面设置射频激励参数，并通过硬件完成射频信号的发送；也允许用户通过远程网络控制或远程GPIB控制的方式对参数进行设置。

采用面向对象的方法进行程序开发，系统的简化UML类图如图5所示。将VOR射频信号发生器的功能进行抽象，得到VOR射频信号发生器基类CVORRF SigGenBase（在下文中，对该类进行了详细介绍），定义一个派生类CVORRFSigGen_PXI 3000，继承此基类，依据所建立的信号模型，该派生类使用3000系列射频板卡来实现信号的调制。将控制方式进行抽象，得到控制方式抽象类CCtrlBase，定义CHMICtrl、CNETCtrl、CGPIBCtrl 3个派生类，继承此基类，分别实现通过人机交互界面方式、远程网络方式和远程GPIB方式对系统进行控制。CLog类为系统日志类，用于记录系统的日志信息。通过CVORRFSignalGenDlg类对所有对象进行整合，完成VOR射频激励源的总体功能。

图5　简化的系统UML类图Fig.5　Simplified UML class diagram of system

将VOR射频信号所涉及的参数分为3组，分别是VOR信息参数组、台站识别码参数组和基础调制参数组。

VOR信息参数组是发射VOR射频信号必须提供的信息参数，主要包括：射频载波频率、射频功率、VOR方位角（即可变相位信号与基准相位信号的相位差）3个参数。

台站识别码参数组是发射台站识别码时必须提供的信息参数，主要包括：台站识别码发射标识（用于标识是否发射台站识别码）以及台站识别码字符串。

基础调制参数组是发射VOR射频信号时的基本调制参数，如用户未对该组参数进行设置，则按第1节中给出的默认值进行设置。主要包括：基准相位信号频率、可变相位信号频率、副载波信号频率、基准相位信号对副载波的调频指数、可变相位信号对射频载波的调制度、调制副载波对射频载波的调制度、识别音频对射频载波的调制度、识别音频信号频率以及台站识别码发送周期。

将这3组参数定义为结构体，UML类图如图6所示。

图6　参数结构体的UML类图Fig.6　UML class diagram of parameter structure

对于基础调制参数组的参数，允许在一定范围内进行上下浮动，使系统具有更好的灵活性。参数的浮动范围如表1所示。

无论采用何种软件无线电结构，产生VOR射频信号的功能是一致的，因此，可以对VOR射频信号发生器进行抽象。VOR射频信号发生器基类的UML类图如图7所示。该类包3个结构体参数，即VOR信息参数组结构体、台站识别码参数组结构体和基础调制参数组结构体，均为protected属性；对3个结构体参数进行读取和写入的函数均为public属性；以及3个基本操作函数：初始化函数、启动射频发射函数、停止射频发射函数，这3个函数具有public属性，并被定义为虚函数，在继承该类的派生类中进行实现，与3000系列射频卡操作相关的函数，也将在派生类中实现。

表1　调制参数范围Tab.1　Range of modulation parameters

图7　射频信号发生器基类的UML类图Fig.7　UML class diagram of RF signal generator base class

对上文所述的各个类进行整合，按照图8所示的系统工作流程图产生VOR射频信号。首先对硬件资源进行初始化，并确定控制方式，即人机交互界面控制、远程网络控制或远程GPIB控制；然后判断是否启动发射，如果不启动发射，则可重新选择控制方式，如果启动发射，则获取VOR射频信号的相关参数，如载波频率、射频功率、方位角等信息，根据获取的参数，生成I、Q分量，最后驱动硬件输出射频信号；接着判断是否停止发射，如果不停止发射，则继续本循环，不断的获取参数、生成I、Q分量并驱动硬件，如果停止发射，则驱动硬件，停止射频信号的发射。

图8　系统工作流程图Fig.8　Workflow of system

4　系统测试与验证

国际民航组织（ICAO，international civil aviation organization）规定VOR径向信号误差Eg=±3°，即VOR地面台空间测量点的标称方位角，与该点处由VOR射频信号测得的方位角之差，应不大于±3°[15]。

通过频谱分析仪对VOR射频激励源的信号频谱进行测试；并将信号进行记录，使用Matlab软件进行分析，得到激励源输出的相位差，即VOR射频激励源输出的方位角，与设置的方位角进行比较，计算系统误差。系统测试运行如图9所示，左侧为本文设计实现的VOR射频激励源，右侧为频谱分析仪。

图9　系统的测试和运行Fig.9　Test and operation of system

使用频谱分析仪对系统进行测试和分析。设置载波为108.00 MHz，方位角设置为0°，关闭台站识别码发射功能，得到的信号频谱图如图10所示。从图中可以看出，载波频率为108.00 MHz，载波两侧的信号是9 960 Hz副载波对载波进行调幅时得到的上边带和下边带信号；30 Hz可变相位信号对载波进行调幅的边带信号，因频率过低，在频谱图中无法分辨。

使用频谱仪的记录功能，将信号记录为16 Bit的PCM格式，得到的文件是后缀名为wav的双声道波形文件，两个声道为对射频信号下变频后得到的基带I、Q信号。将文件导入到Maltab，并对基带I、Q信号进行调幅解调后，得到的波形如图11所示。

图11　基带信号波形Fig.11　Waveform of baseband signal

使用一个30 Hz滤波器对信号进行滤波，提取出30 Hz可变相位信号；使用9 960 Hz滤波器对信号进行滤波，得到9 960 Hz副载波；对副载波进行调频解调后，得到基准相位信号，如图12所示。从图中可以看出，激励源输出的射频信号，包含了可变相位信号、调频副载波信号和基准相位信号。

图12　解调后的波形Fig.12　Waveform after demodulation

将方位角设置为不同的角度，记录I、Q分量信号，解调并计算基准相位信号与可变相位信号的相位差，将设置的方位角与解调得到的相位差相减，即可得到系统输出信号的误差值。以方位角为横坐标，误差值作为纵坐标进行绘图，得到系统的误差曲线如图13所示。经计算，系统的方位角误差在-0.5°～0.5°之间，在允许的误差范围之内。

图13　误差曲线Fig.13　Error curve

将台站识别码字符串设置为E，重复周期设置为1 s，记录基带信号，调幅解调后将信号通过1个1 020 Hz滤波器，即可得到识别音频信号，如图14所示。台站识别码“E”的莫尔斯代码为一个“点”号，而重复周期为1 s，故在1 s时间内，得到的是一个时长约为0.1 s的音频信号。使用航空波段收音机，能够直接听到该莫尔斯代码。

图14　识别音频信号Fig.14　Identifying audio signal

经以上对VOR射频激励源输出信号的分析，验证了系统输出的射频信号的正确性。

5　结语

本文从调制信号分析、正交调制算法以及软硬件平台搭建等方面进行了研究，采用软件无线电技术设计的VOR射频激励源，可以提供对VOR接收机进行测试和维护时所需的射频信号。本文提出的设计方案易于实现，开发周期短，成本低，并支持通过远程方式对系统进行控制，便于将该激励源集成到自动测试设备中。在该系统基础上，还可通过增加软件功能，实现对其它航电设备的射频激励功能，具有良好的扩展性。该VOR射频激励源还能够用于飞机航电系统的集成验证当中，可跟随集成验证时的信号需求，产生对应的射频信号提供给VOR接收机，对VOR机载系统进行验证。

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

（责任编辑：黄月）

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基金项目：中国民用航空局科技基金重大专项（MHRD20130112）

马腾达（1988—），男，天津人，助教，硕士，研究方向为航电系统仿真验证.