基于软件无线电原理VOR信号解调与仿真_张建明 (1)

Key words: Software Radio; VOR-Very High Frequency Omnidirectional Range; Signal Processing; Simulation
要的研究领域，具有良好的开放性和可编程性，其
0 引言
甚 高 频 全 向 信 标 （ very high frequency omnidirectional range， VOR） ， 是一种近程无线电导 航系统，为飞机提供实时引导信号。可完成飞机导 航和进近着陆， 1949 年被国际民航组织确定为国际 标准航线的无线电导航系统。 VOR 系统由地面发射 台和机载设备组成。 传统的 VOR 机载接收机大都采用二次变频的 方法，信号处理采用模拟电路实现，电路复杂、调 试困难。而且测角精度不易保证。 软件无线电是现代通信技术及信号处理中重
Demodulation and Simulation of VOR Signal Based on Software Radio
ZHANG Jianming
Abstract ： According to the brief introduction of the VOR principle and signal characteristics, the demodulation of VOR
式中：
U Rm ：基准信号振幅； ：载波角频率； m ：
式中：
调幅度； ：30Hz 角频率； s ：9960Hz 副载波 角频率； m p ：调频指数。 1.2 可变相位信号 可变相位信号是这样产生的：从基准相位信号 高频发射机取出一部分功率去掉调幅部分，进行功
U vm ：可变相位信号的幅度；
4 结束语
针对机载接收机对 VOR 信号解调的需要，通 过对 VOR 系统原理及信号特性的分析，提出了基 于软件无线电原理的 VOR 中频数字化信号处理方 法，与传统的信号处理方式相比：不仅硬件电路有 较大的简化、调试简单，而且更适应于当前机载设 备数字化、综合化的设计思想。 参考文献：
[1] 樊 昌 信 等 . 通 信 原 理 [M]. 北 京 : 国 防 工 业 出 版 社 ,
signal is analyzed based on the principle of software radio. The demodulations include reference phase signal demodulation and variable phase signal demodulation The calculation of azimuth angle and voice information are realized and the system is simulated rely on the analysis by applying MATLAB software. Some factors which have the influence on the precision of signal demodulation are put out in this paper, the foundations are provided for the design of VOR receiver.
MATLAB 语言进行仿真，仿真分 VOR 信号产生及 VOR 方位角、音频信号解算两部分。
U ( t ) [1 0 . 3 cos(( 2 9960 t ) 16 sin( 2 30 t )) 0 . 5 cos( 2 1020 t ) 0 . 5 cos( 2 30 t / 180 )] cos( 2 f c t )
式中： m A
U vm U Rm
变为 21.4MHz 的中频信号，此信号经 A/D 采样及 带通滤波下变频为载波频率为 2.6MHz 的数字中频 信号，再经数字下变频为载波频率为 100kHz 的数 字信号，然后进行正交幅度解调，解调出的 VOR 基带信号。
2 基于软件无线电 VOR 接收机解调
VOR 接收电路主要由射频接收前端、 数字下变 频及幅度解调、音频信号解调和方位信号解调等模 块组成，接收的 VOR 信号经高频放大及下变频后
U Rm [1 m A cos( t ) m cos( s t m p cos t )]
（4）
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。 ：方位角（磁北为 0°） 1.3 空间合成辐射信号 空间接收信号是基准信号和可变相位信号的 合成信号， 因而空间辐射场等于两信号的叠加， 即： （3）
U (t ) U R (t ) U V (t ) U Rm [1 m A cos( t ) m cos( s t m p cos t )] cos t
响不大。
0.3
2 1 0 -1
0.2 0.1 幅度（V） 0 -0.1 -0.2 -0.3
幅度（V）
-2 0
0.1
0.2 0.3 时间（秒） 时间（ s）
0.4
0.5
-0.4 0
0.1
0.2 0.3 时间（秒） 时间（s）
0.4
0.5
图 3(a) VOR 数字中频信号
0.3
0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 0
sin t cos t
cos t cos t
图 1 VOR 地面台工作原理
1.1 基准相位信号 基准相位信号是将 30Hz 信号对 9960Hz 副载波 调频后的信号，调频指数为 16，频偏 480Hz ，调 频副载波再对载波调幅，信号波形为：
U R (t ) U Rm [1 m cos( s t m p cos t )] cos t （1）
图 3(b) 解调后的可变相位信2 0.3 0.4 0.5
幅度（V）
0 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
时间（秒） 时间（ s）
时间（秒） 时间（ s）
图 3(c) 解调后的基准相位信号波形
图 3(d) 解调后的音频信号波形 2001:63-79 [2] [3] [4] [5] [6] 杨小牛，楼才义，徐建良. 软件无线电原理与应用[M]. 北京:电子工业出版社，2001:11-24 丁玉美， 高西全. 数字信号处理[M]. 西安: 西安电子科 技大学出版社, 2000:151-187 陈高平， 邓勇. 航空无线电导航原理[M]. 北京: 国防工 业出版社, 2008:147-157 马存宝 . 民机通信导航与雷达 [M]. 西安 : 西北工业大 学出版社, 2004:332-358 航空无线电导航设备第 2 部分： 甚高频全向信标 （VOR）技术要求[M]. 北京: 中国民用航空总局, 1998
S 0 (t ) U 0 cos( t )
（6）
Si (t )
sin 0t
cos 0t
图 2 VOR 信号解调原理
3 VOR 信号解调仿真
根 据 以 上 VOR 信 号 的 解 调 算 法 ， 采 用
3.1 VOR 信号的产生 VOR 信号主要由两部分构成： 含有方位角信息
和音频信号，而角度信息又包含在两个低频信号 中，一是基准相位信号，二是可变相位信号；音频 信号 信号主要用于传送莫尔斯码， 频率为 1020Hz。 模型如下： （8）
S 2 (t ) U Rm m cos( s t m p cos t ) （5）
再对 S 2 (t ) 进行鉴频及滤波，得到频率为 的基准 信号：
（4）基准相位信号与可变相位信号进行鉴相， 通过低通滤波，得到基准相位信号与可变相位信号 的相差，即所对应的方位角。
VOR 信号解调原理图见图 2。
收稿日期：2013-11-19。
核心思想是将天线接收到的射频信号尽可能数字 化，将模拟信号变换成适合于数字信号处理的数据 流，然后通过软件算法来完成各种功能下面通过对 VOR 系统原理及信号特性的简要介绍， 基于软件无 线电原理，详细说明了 VOR 接收机信号解调算法， 实现方位角及音频信息的解算，并且进行了仿真。
这里，由于受噪声干扰的影响，幅度解调后的信号 会含有少量的幅度信息，如果直接进行鉴频会带来 失真，因此经 9960Hz 带通滤波器后的信号，首先 通过限幅器，减小幅度调制带来的影响，9960Hz 调频信号通过鉴频器可以检出 30Hz 基准相位信号。 （3） S 2 (t ) 信号通过 30Hz 低通滤波器，并滤 除直流分量后，可解调出可变相位信号： S1 (t ) U Rm m A cos( t ) （7）
解调出的 VOR 基带信号，根据频率范围不同， 采用相应的带通滤波器可实现各频率信号的分离， 完成识别码信号、基准相位信号和可变相位信号的 解调，解算方法如下： （1）音频信号通过 1020Hz 窄带滤波器，得到 1020Hz 识别码信号； （2）通过 9960Hz 带通滤波器，对滤波后的信 号进行放大限幅处理得到信号：
3.2 角度及音频信息的解算 VOR 信号的解调过程如下：
（1）解调出的 VOR 基带信号经低通滤波后得 到可变相位信号，然后对 9960Hz 调频信号鉴频， 解调出 30Hz 基准相位信号，可变相位信号与基准
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张建明：基于软件无线电原理 VOR 信号解调与仿真
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度解调误差；同时可看出解调得到的音频信号会伴 有少量的低频调制，在实际使用中对声音的输出影
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可变相位信号相当于旋转波束，其相位随 VOR 台 的径向方位而变，飞机与 VOR 台的方位角决定于 基准相位信号和可变相位信号之间的相位差，接收
机方位角解调的基本思想也就是通过比较基准相 位信号和可变相位信号之间的相位差得到飞机与 VOR 台的方位角。 图 1 是 VOR 地面台工作原理图。
1 VOR 系统原理及信号特性
VOR 系统包括地面设备和机载设备， 工作频率 为 108.00～117.95MHz， 频率间隔 50kHz， 共有 200 个波道。地面发射的射频信号被两个低频信号调 制， 一个是基准相位信号， 另一个为可变相位信号。 基准相位信号在 VOR 台周围的各个方位上相同，
其中，载波频率： f c 2.6MHz ； ：VOR 方位角。 仿真中，方位角 设为 60 ，信噪比为 25dB。
相位信号通过鉴相可得到可变相位信号与基准相 位信号的相差，即为对应的方位角，多次仿真可看 出：解调出的方位角满足 60±1°。 （2）输出 VOR 基带信号通过 1020Hz 滤波器即 可输出含有莫尔斯码的音频信号。 具体的解调曲线如图 3 所示。 经仿真可看出：提高输入信号信噪比会减小角
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基于软件无线电原理 VOR 信号解调与仿真
张建明
（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）
摘 要： 通过简要介绍 VOR 系统原理及信号特性， 基于软件无线电原理对 VOR 信号解调作 了较详细的分析，其中包括基准相位信号解调、可变相位信号的解调，实现角度及音频信息的解 算，并进行了系统仿真，对影响信号解调精度的因素做了分析，为 VOR 接收机的设计提供了依 据。 关键词：软件无线电; VOR; 信号处理; 仿真 中图分类号：V351.37 文献标识码：A 文章编号：1674-7976-(2013)06-416-04
率放大，输出没有调制的纯载波，它与基准相位信 号的载波是同频、同相的，然后加到测角器，测角 器把载波分解成 30Hz 正弦和余弦调制的边带波， 合成信号为：
U V (t ) U vm (sin sin t cos cos t ) cos t （2） U Vm cos( t ) cos t