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[摘 要]本文基于FPGA的软件无线电技术，对甚高频全向方位导航系统（英文缩写为VOR）中的识别信号进行滤波、识别处理，以期输出清晰、可信的音频识别信号。
[关键词]FPGA；甚高频全向方位导航系统（VOR）；VOR识别信号；软件无线电技术。
中图分类号：TU434 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）42-0292-01
1 引言
VOR是民航使用的一种近程无线电导航系统，用于方位测量。一般由地面引导设备（地面导航台）和机载接收设备组成。在VOR信号覆盖范围内，该系统可以给飞行员提供飞机与地面台的连线相对于磁北的夹角，可以用于航路方位引导，也可以与测距设备相互配合引导飞机进近着陆。
VOR功能不仅具备上述的方位测量，还可以通过识别信号的摩尔斯编码表征机场信息，用于告知飞行员所飞临的机场编码。故本论文对识别信号的滤波、识别处理方法，具有一定的应用价值。
2 VOR识别信号滤波处理的方案设计
伏尔识别信号频率为1020Hz±50Hz，与伏尔30Hz可变相位信号和9960Hz副载波信号（30Hz基准相位对9960Hz的调频后的合成信号）一起调幅在VOR射频信号（108MHz～117.95MHz）上。由VOR接收通道将射频信号转变为稳定幅度的2.4MHz中频信号，经A/D采样电路以25MHz采样频率进入FPGA中，通过软件无线电技术进行处理。本论文着重描述的就是FPGA中，对识别信号的提取、识别等处理。
本论文设计VOR识别信号处理应能实现VOR识别信号的正常识别和指示，且其识别能力应不低于传统VOR接收设备，整体设计方案框图如图1中虚框外流程图所示，主要分为识别信号带通滤波单元、识别信号有效识别处理单元和摩尔斯码译码三部分。
2.1 识别信号带通滤波单元
如图1所示，VOR数字中频信号首先通过高通滤波处理，滤除A/D输入带来的直流信号，然后经过AM检波处理后，得出包括后续所需处理的1020Hz在内的视频信号。要进行识别信号处理，首先需要通过识别信号带通滤波器提取出识别信号。
本方案中设计的带通滤波器采用四阶IIR椭圆滤波器（Elliptic），借助Matlab滤波器设计工具FDATool（FilterDesign&AnalysisTool）进行滤波器设计。采样频率Fs=5kHz；通带频率分别为Fpass1=970Hz，Fpass2=1070Hz；通道波动不大于Apass=0.2dB；阻带衰减不小于Astop=60dB。产生的单阶系数扩展为8位16进制数据补码表示（表1）：
在FPGA中，使用VHDL语言实现时，为了节省乘法器资源，可以利用100kHz时钟设置一个总周期为5kHz的状态机，在状态机的触发下，分9步乘累加过程实现滤波器的一个运算周期。
2.2 识别信号有效识别处理单元
经过识别信号带通滤波后，提取出的识别信号需经过有效性识别判断。在VOR功能状态有效前提下，针对识别信号还要进行频率鉴别和幅度识别两方面有效性判断。
一方面，由于带通滤波器截止频率存在一定的坡度，故还需经过鉴频器，判断其频率是否在1020Hz±50Hz范围内。鉴频器基本方法是以本地5kHz频率为基准，统计一定时长的识别信号周期，通过取平均后，判断其是否满足频率范围要求。
另一方面，通过幅度判别识别信号是否有效。本文采用包络检波法提取识别信号外包络幅度信息。包络检波实现方法为将输入信号取绝对值后经过低通滤波。由于包络幅度信息包含摩尔斯码的编码信息，故低通滤波器需选取适当的通带频率，过低会导致摩尔斯码高电平持续时间变短，过高会导致在弱信号下，识别信号幅度变化较大，导致后续在与幅度阈值比较时，难以区分有效信号和噪声。本文中在包络检波后，增加一个幅度平滑滤波器，即均值滤波器，使输出的有效识别信号和底噪幅度跳变均较小，易于通过幅度识别进行区分，结合鉴频结果，可以有效提取并鉴别出识别信号。
2.3 摩尔斯码译码处理
摩尔斯码信号形式为点和划，点的长度为1/8秒，划的长度为3/8秒，点与点、点与划、划与划的间隔为一个点的时长，码与码的间隔为四个点的时长，一组莫尔斯码最多由四个大写英文字母组成，组与组的间隔不小于30秒。经过上述识别信号识别处理后，以5kHz为基准，对滤波提取出的识别信号高、低电平持续时间进行统计，按照摩尔斯码编码规则进行译码。
3 验证
按照本设计方案完成了VOR识别信号的滤波处理算法和摩尔斯码识别、输出。一般VOR接收机灵敏度分配指标为-101dBm，本论文中，使用VOR标准模拟器给VOR接收机提供-105dBm含识别信号（摩尔斯码：LE）的VOR信号，识别信号各级滤波处理的仿真情况如图2所示。
识别信号经过上述处理后，通过有效鉴别，很容易识别出信号编码为“*-**-”，即摩尔斯码“LE”，与所加信号相符。由此可知，通过本方案处理，可以有效识别出VOR的识别信号，满足设计要求。
4 结束语
本文采取的VOR識别信号滤波处理方法基于软件无线电原理，对VOR识别信号的带通滤波、有效识别和摩尔斯码译码处理等实现方法进行了设计和仿真，验证了该方案的切实可操作性，达到了设计要求和目的。
参考文献
[1] 陈高平.航空无线电导航原理[M].邓勇.北京：国防工业出版社，2008：149-157.
[2] 杨小牛.软件无线电原理与应用[M].楼才义，徐建良.北京：电子工业出版社，2001.
[3] 杨万全.现代通信技术[M].熊淑华，卫武迪等.成都：四川大学出版社，2000：83-105.
[关键词]FPGA；甚高频全向方位导航系统（VOR）；VOR识别信号；软件无线电技术。
中图分类号：TU434 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）42-0292-01
1 引言
VOR是民航使用的一种近程无线电导航系统，用于方位测量。一般由地面引导设备（地面导航台）和机载接收设备组成。在VOR信号覆盖范围内，该系统可以给飞行员提供飞机与地面台的连线相对于磁北的夹角，可以用于航路方位引导，也可以与测距设备相互配合引导飞机进近着陆。
VOR功能不仅具备上述的方位测量，还可以通过识别信号的摩尔斯编码表征机场信息，用于告知飞行员所飞临的机场编码。故本论文对识别信号的滤波、识别处理方法，具有一定的应用价值。
2 VOR识别信号滤波处理的方案设计
伏尔识别信号频率为1020Hz±50Hz，与伏尔30Hz可变相位信号和9960Hz副载波信号（30Hz基准相位对9960Hz的调频后的合成信号）一起调幅在VOR射频信号（108MHz～117.95MHz）上。由VOR接收通道将射频信号转变为稳定幅度的2.4MHz中频信号，经A/D采样电路以25MHz采样频率进入FPGA中，通过软件无线电技术进行处理。本论文着重描述的就是FPGA中，对识别信号的提取、识别等处理。
本论文设计VOR识别信号处理应能实现VOR识别信号的正常识别和指示，且其识别能力应不低于传统VOR接收设备，整体设计方案框图如图1中虚框外流程图所示，主要分为识别信号带通滤波单元、识别信号有效识别处理单元和摩尔斯码译码三部分。
2.1 识别信号带通滤波单元
如图1所示，VOR数字中频信号首先通过高通滤波处理，滤除A/D输入带来的直流信号，然后经过AM检波处理后，得出包括后续所需处理的1020Hz在内的视频信号。要进行识别信号处理，首先需要通过识别信号带通滤波器提取出识别信号。
本方案中设计的带通滤波器采用四阶IIR椭圆滤波器（Elliptic），借助Matlab滤波器设计工具FDATool（FilterDesign&AnalysisTool）进行滤波器设计。采样频率Fs=5kHz；通带频率分别为Fpass1=970Hz，Fpass2=1070Hz；通道波动不大于Apass=0.2dB；阻带衰减不小于Astop=60dB。产生的单阶系数扩展为8位16进制数据补码表示（表1）：
在FPGA中，使用VHDL语言实现时，为了节省乘法器资源，可以利用100kHz时钟设置一个总周期为5kHz的状态机，在状态机的触发下，分9步乘累加过程实现滤波器的一个运算周期。
2.2 识别信号有效识别处理单元
经过识别信号带通滤波后，提取出的识别信号需经过有效性识别判断。在VOR功能状态有效前提下，针对识别信号还要进行频率鉴别和幅度识别两方面有效性判断。
一方面，由于带通滤波器截止频率存在一定的坡度，故还需经过鉴频器，判断其频率是否在1020Hz±50Hz范围内。鉴频器基本方法是以本地5kHz频率为基准，统计一定时长的识别信号周期，通过取平均后，判断其是否满足频率范围要求。
另一方面，通过幅度判别识别信号是否有效。本文采用包络检波法提取识别信号外包络幅度信息。包络检波实现方法为将输入信号取绝对值后经过低通滤波。由于包络幅度信息包含摩尔斯码的编码信息，故低通滤波器需选取适当的通带频率，过低会导致摩尔斯码高电平持续时间变短，过高会导致在弱信号下，识别信号幅度变化较大，导致后续在与幅度阈值比较时，难以区分有效信号和噪声。本文中在包络检波后，增加一个幅度平滑滤波器，即均值滤波器，使输出的有效识别信号和底噪幅度跳变均较小，易于通过幅度识别进行区分，结合鉴频结果，可以有效提取并鉴别出识别信号。
2.3 摩尔斯码译码处理
摩尔斯码信号形式为点和划，点的长度为1/8秒，划的长度为3/8秒，点与点、点与划、划与划的间隔为一个点的时长，码与码的间隔为四个点的时长，一组莫尔斯码最多由四个大写英文字母组成，组与组的间隔不小于30秒。经过上述识别信号识别处理后，以5kHz为基准，对滤波提取出的识别信号高、低电平持续时间进行统计，按照摩尔斯码编码规则进行译码。
3 验证
按照本设计方案完成了VOR识别信号的滤波处理算法和摩尔斯码识别、输出。一般VOR接收机灵敏度分配指标为-101dBm，本论文中，使用VOR标准模拟器给VOR接收机提供-105dBm含识别信号（摩尔斯码：LE）的VOR信号，识别信号各级滤波处理的仿真情况如图2所示。
识别信号经过上述处理后，通过有效鉴别，很容易识别出信号编码为“*-**-”，即摩尔斯码“LE”，与所加信号相符。由此可知，通过本方案处理，可以有效识别出VOR的识别信号，满足设计要求。
4 结束语
本文采取的VOR識别信号滤波处理方法基于软件无线电原理，对VOR识别信号的带通滤波、有效识别和摩尔斯码译码处理等实现方法进行了设计和仿真，验证了该方案的切实可操作性，达到了设计要求和目的。
参考文献
[1] 陈高平.航空无线电导航原理[M].邓勇.北京：国防工业出版社，2008：149-157.
[2] 杨小牛.软件无线电原理与应用[M].楼才义，徐建良.北京：电子工业出版社，2001.
[3] 杨万全.现代通信技术[M].熊淑华，卫武迪等.成都：四川大学出版社，2000：83-105.