CN112073347B - 一种基于软件定义无线电技术的dvor信号的解析系统 - Google Patents

一种基于软件定义无线电技术的dvor信号的解析系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于软件定义无线电技术的DVOR信号的解析系统，包括信号转换模块，接收空间信号，经过处理转换成数字IQ信号；参数配置模块，用于设置接收机参数；自动增益控制模块；数字调制解调模块，用于对信号进行解调，包括30Hz基准相位信号、9960Hz信号及1020Hz信号；数字滤波器模块，用于对基带信号进行滤波；30Hz信号处理模块，提取滤波后的30Hz基准相位信号的频率、幅值和相位信息；9960Hz信号处理模块，用于提取滤波后的9960Hz信号以及30Hz可变相位信号的频率、幅值和相位信息；方位计算模块，用于计算方位角，采用30Hz基准相位信号波形经过零检测提取的相位信息和可变30Hz信号波形经过零检测提取的相位信息进行方位值计算，得到甚高频全向信标台(或站)的方位信息。

Description

一种基于软件定义无线电技术的DVOR信号的解析系统
技术领域
本发明涉及无线电信号解析领域，尤其涉及一种基于软件定义无线电技术的甚高频全向信标信号的解析系统。
背景技术
本发明涉及甚高频全向信标信号由全向天线以水平极化方式辐射到空中，在空中任一点接收到的合成信号为:
UR(t)＝URM[1+mA·cos(2πFt-θ)+m·cos(2πfst+mf·cos2πFt)]cos2πf0t
式中，URM为基准相位信号振幅，f0为载波信号频率，m为调幅度，fs为9960Hz信号频率，F为30Hz信号频率，mf＝Δfs/F为调频指数，Δfs为±480Hz(频偏)，mA＝UVM/URM，UVM为可变相位信号的幅值，θ为方位角；
传统的甚高频全向信标信号解析方法采用的是超外差接收机接收空间模拟信号，经滤波器、鉴频器、相移比较器和移相解算器等模拟电路的信息处理，完成调制度和方位的解算。这种基于模拟电路的模拟信号解析，因系统庞大，电磁兼容能力随着器件的老化而变差，电路复杂，解析的精度不足等因素造成解析误差，从而影响飞行或者测试的结果。
另外，这种解析方法成本高，测量自动化程度低，扩展性差，随着技术的发展已逐渐被市场更替。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于软件定义无线电技术的甚高频全向信标信号的解析方法；通过软件定义无线电技术将天线接收到的射频信号尽可能数字化，通过模拟信号变换成适合于数字信号处理的数据实现无线电信号的各种功能，从基于硬件、面向用途的电台设计方法中解放出来。
本发明采用的技术方案如下：一种基于软件定义无线电技术的DVOR信号的解析系统，包括：
信号转换模块，用于将接收机接收的空间信号，经过滤波、放大、混频和模数转换成数字IQ信号；
参数配置模块，用于在模拟信号转换为数字信号过程中设置接收机参数；
自动增益控制模块，用于自动调节接收机增益；
载波信号处理模块，用于载波信号的解析；
数字调制解调模块，用于对数字IQ信号进行解调处理，得到解调后的基带信号，包括30Hz基准相位信号、9960Hz信号及1020Hz信号；
数字滤波器模块，用于对解调后的基带信号进行滤波，滤除干扰信号；
30Hz信号处理模块，用于提取滤波后的30Hz基准相位信号的频率、幅值和相位信息；
9960Hz信号处理模块，用于提取滤波后的9960Hz信号的频率、幅值；以及对9960Hz信号调频解调获取30Hz可变相位信号，提取30Hz可变相位信号的频率、幅值和相位信息；
方位计算模块，用于计算甚高频全向信标信号的方位角，采用30Hz基准相位信号波形经过零检测提取的相位信息和可变30Hz信号波形经过零检测提取的相位信息进行方位值计算，得到甚高频全向信标台(或站)的方位信息；
进一步的，所述设置的接收机参数包括:接收机中心频率、带宽、滤波器参数、接收机增益和采样率等，通过参数配置库函数配置载波频率、接收带宽、滤波器参数、IQ信号采样率、信号通道和初始增益。
进一步的，所述数字滤波器模块通过不同滤波器对30Hz基准相位信号、9960Hz信号及1020Hz信号分别进行滤波；30Hz基准相位信号采用Butterworth低通滤波器进行滤波处理，其边带频率设置为中心频率的10％；9960Hz信号采用Butterworth带通滤波器进行滤波处理，其带宽设置为中心频率的±10％；1020Hz识别信号采用Butterworth带通滤波器进行滤波处理，其带宽设置为中心频率的±5％；
进一步的，所述30Hz信号处理模块工作过程包括：对滤波后的30Hz基准相位信号进行包络提取波形，获取最大幅值，最大幅值乘以100％得到30Hz基准相位信号调制度；对滤波后的信号进行FFT提取频谱信息，获取最大功率处的频率值；对提取的波形进行过零检测提取相位信息。
进一步的，所述9960Hz信号处理模块工作过程包括：对滤波后的9960Hz基带信号进行FFT提取频谱信息，获取中心频率值；对滤波后的信号进行波形峰值检测、斜坡信号和数组插值处理提取包络信号，获取最大幅值；将最大幅值乘以100％得到9960Hz信号调制度；对滤波后的信号进行波形峰值检测、斜坡信号和数组插值处理提取包络信号，计算谐波失真度，获取二次谐波、三次谐波和四次谐波幅值，乘以100％得到9960Hz信号谐波失真度；
对滤波后的9960Hz信号进行调频解调获取30Hz可变相位信号信息，30Hz可变相位信号经滤波和FFT提取频谱信息，获取最大功率处的频率值，即频率偏移量；30Hz可变相位信号经滤波和包络提取波形，获取最大幅值，通过计算频率偏移量Δf与最大幅值A30的关系算出频率偏移量指数mf＝Δf/A30；对滤波后的30Hz可变相位信号波形进行过零检测提取30Hz可变相位信号相位信息；
进一步的，还包括1020Hz信号处理模块，用于提取1020Hz信号的频率和幅值，对滤波后的1020Hz基带信号经包络提取波形，获取最大幅值，最大幅值乘以100％得到基带1020Hz信号调制度；对滤波后的信号进行FFT提取频谱信息，获取最大功率处的频率值。
进一步的，还包括莫尔斯码解析模块，用于解析1020Hz信号携带的莫尔斯码；对滤波后的1020Hz基带信号进行幅值电平处理转换成高低电平0和1，高电平信号持续时长判断是点或者划，低电平信号持续时长判断间隔类型，通过点划类型检索对应的莫尔斯码并转换成字母，解析出完整的莫尔斯码。
进一步的，还包括异常信息告警模块，用于监视各项解析参数，当解析参数触发边界值时产生异常信号告警并记录告警信号的信息。
进一步的，还包括数据记录模块，用于保存解析的数据，7×24小时记录解析信号及告警信号并保存于excel文档。
进一步的，还包括载波信号处理模块，用于载波信号的解析；对提取的数字IQ信号在FFT作用下提取频谱信息，获取最大频率值及对应的功率值，最大频率值与接收机配置的载波频率值比对，计算出频率偏差的值；功率值与接收机的灵敏度值比对，计算出差值，反馈给自动增益控制模块调整增益值，并计算出实际功率值。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：通过软件定义无线电技术将天线接收到的射频信号尽可能数字化，通过模拟信号变换成适合于数字信号处理的数据实现无线电信号的各种功能，从基于硬件、面向用途的电台设计方法中解放出来；这种解析方法成本低，测量自动化程度高，扩展性好。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于软件定义无线电技术的甚高频全向信标信号的解析流程框图。
图2是本发明中9960Hz信号处理流程框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
如图1所示，本发明提供了一种基基于软件定义无线电技术的DVOR信号的解析系统，包括：
信号转换模块，用于将接收机接收空间信号，经过滤波、放大、混频和模数转换成数字IQ信号；
参数配置模块，用于在模拟信号转换为数字信号过程中设置接收机参数；
自动增益控制模块，用于自动调节接收机增益；
载波信号处理模块，用于载波信号的解析，
数字调制解调模块，用于对数字IQ信号进行解调处理，得到解调后的基带信号，包括30Hz基准相位信号、9960Hz信号及1020Hz信号；
数字滤波器模块，用于对解调后的基带信号进行滤波，滤除干扰信号；
30Hz信号处理模块，用于提取滤波后的30Hz基准相位信号的频率、幅值和相位信息；
9960Hz信号处理模块，用于提取滤波后的9960Hz信号的频率、幅值；以及对9960Hz信号调频解调获取30Hz可变相位信号，提取30Hz可变相位信号的频率、幅值和相位信息；
方位计算模块，用于计算甚高频全向信标信号的方位角，采用30Hz基准相位信号波形经过零检测提取的相位信息和可变30Hz信号波形经过零检测提取的相位信息进行方位值计算，得到甚高频全向信标台(或站)的方位信息；
具体的，所述数字滤波器模块通过不同滤波器对30Hz基准相位信号、9960Hz信号及1020Hz信号分别进行滤波；30Hz基准相位信号采用Butterworth低通滤波器进行滤波处理，其边带频率设置为中心频率的10％；9960Hz信号采用Butterworth带通滤波器进行滤波处理，其带宽设置为中心频率的±10％；1020Hz识别信号采用Butterworth带通滤波器进行滤波处理，其带宽设置为中心频率的±5％；
所述30Hz信号处理模块工作过程包括：对滤波后的30Hz基准相位信号进行包络提取波形，获取最大幅值，最大幅值乘以100％得到30Hz基准相位信号调制度；对滤波后的信号进行FFT提取频谱信息，获取最大功率处的频率值；对提取的波形进行过零检测提取相位信息。
如图2所示，所述9960Hz信号处理模块工作过程包括：对滤波后的9960Hz基带信号进行FFT提取频谱信息，获取中心频率值；对滤波后的信号进行波形峰值检测、斜坡信号和数组插值处理提取包络信号，获取最大幅值；将最大幅值乘以100％得到9960Hz信号调制度；对滤波后的信号进行波形峰值检测、斜坡信号和数组插值处理提取包络信号，计算谐波失真，获取二次谐波、三次谐波和四次谐波幅值，乘以100％得到9960Hz信号谐波失真度；
对滤波后的9960Hz信号进行调频解调获取30Hz可变相位信号信息，30Hz可变相位信号经滤波和FFT提取频谱信息，获取最大功率处的频率值，即频率偏移量；30Hz可变相位信号经滤波和包络提取波形，获取最大幅值，通过计算频率偏移量Δf与最大幅值A30的关系算出频率偏移量指数mf＝Δf/A30；对滤波后的30Hz可变相位信号波形进行过零检测提取30Hz可变相位信号相位信息；
经滤波处理后的9960Hz信号为：URM·m·cos(2πfst+mf·cos2πFt)，该信号是由30Hz信号调频得到，即为30Hz信号的倍频信号：∑[URMn·m·cos(2πfst+mf·cos2πFt)]，经离散傅里叶变换得到各倍频(60Hz、90Hz、120Hz…)的幅值，总谐波失真度(Distortion)可由下面计算公式得到：
Figure GDA0003864260730000051
URM1、URM2…URM5分别为30Hz的倍频60Hz、90Hz…180Hz的幅值
所述自动增益控制模块工作过程为：在动态的测量或者测试过程中，甚高频全向信标的空间信号随着距离的变化而变化，可能会使天线接收到的信号低于接收机的灵敏度，远离台站时，信号变弱且低于接收机的灵敏度，需要配置增加接收机增益；靠近台站时，信号变强且低于接收机的灵敏度，需要配置接收机增益；高于接收机的灵敏度时，可不配置接收机增益；
根据电磁信号在自由空间传输路径中的衰落关系：
Lbf(dB)＝32.5+20lg(f0)+20lg(D)
式中，f0为接收机设置的接收频率，D为接收点距甚高频全向信标台站的直线距离；由上式关系计算出衰落值与距离的关系，并配入函数库，结合载波信号强度与接收机灵敏度的差值反馈情况，调用相对的增益值，构成自动调整增益的控制。
载波信号处理模块，用于载波信号的解析，接收机接收空间信号，经滤波、放大、混频和模数转换成数字IQ信号，在快速傅里叶变换(FFT)作用下提取频谱信息，获取最大功率值及对应的频率值(f)，频率值与配置的载波频率值(f0)比对，计算出频率偏差(Δf)的值；
Δf＝f—f0
式中，f为实际接收到的载波频率，f0为配置的接收机接收频率；射频载波的频率容差：Δf/f0≤±0.002％，作为判断频率异常变化的监测指标之一；
最大功率值与接收机的灵敏度值比对，计算出差值，反馈给自动增益控制模块调整增益值，并计算出实际功率值；
在一个优选实施例中，所述数字调制解调模块的具体工作过程为：数字IQ调制信号在一系列的归一化、IQ信号处理、包络检波和平滑处理等的计算下解调出调制信号；
采用峰值包络解调法来实现非相干解调，通过希尔伯特变化获得信号的包络；
提取的包络即为解调后的基带信号：URM·mA·cos(2πFt-θ)+URM·m·cos(2πfst+mf·cos2πFt)，包含30Hz基准相位信号和9960Hz包络信号信息；
在一个优选实施例中，解析系统还包括1020Hz信号处理模块，用于提取1020Hz信号的频率和幅值，对滤波后的1020Hz基带信号经包络提取波形，获取最大幅值，最大幅值乘以100％得到基带1020Hz信号调制度；对滤波后的信号进行FFT提取频谱信息，获取最大功率处的频率值。
在一个优选实施例中，解析系统还包括莫尔斯码解析模块，用于解析1020Hz信号携带的莫尔斯码；对滤波后的1020Hz基带信号进行幅值电平处理转换成高低电平0和1，高电平信号持续时长判断是点或者划，低电平信号持续时长判断间隔类型，通过点划类型检索对应的莫尔斯码并转换成字母，解析出完整的莫尔斯码。
在一个优选实施例中，解析系统还包括异常信息告警模块，用于监视各项解析参数，当解析参数触发边界值时产生异常信号告警并记录告警信号的信息。
在一个优选实施例中，解析系统还包括数据记录模块，用于保存解析的数据，7×24小时记录解析信号及告警信号并保存于excel文档。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (9)

1.一种基于软件定义无线电技术的DVOR信号的解析系统，其特征在于，包括：
信号转换模块，用于将接收机接收的空间信号，经过滤波、放大、混频和模数转换成数字IQ信号；
参数配置模块，用于在模拟信号转换为数字信号过程中设置接收机参数；
自动增益控制模块，用于自动调节接收机增益；
数字调制解调模块，用于对数字IQ信号进行解调处理，得到解调后的基带信号，包括30Hz基准相位信号、9960Hz信号及1020Hz信号；
数字滤波器模块，用于对解调后的基带信号进行滤波，滤除干扰信号；
30Hz信号处理模块，用于提取滤波后的30Hz基准相位信号的频率、幅值和相位信息；
9960Hz信号处理模块，用于提取滤波后的9960Hz信号的频率、幅值，以及对9960Hz信号调频解调获取30Hz可变相位信号，提取30Hz可变相位信号的频率、幅值和相位信息；
方位计算模块，用于计算甚高频全向信标信号的方位角，采用30Hz基准相位信号波形经过零检测提取的相位信息和可变30Hz信号波形经过零检测提取的相位信息进行方位值计算，得到甚高频全向信标台或信标站的方位信息；
所述9960Hz信号处理模块工作过程包括：
对滤波后的9960Hz基带信号进行FFT提取频谱信息，获取中心频率值；对滤波后的信号进行波形峰值检测、斜坡信号和数组插值处理提取包络信号，获取最大幅值，将最大幅值乘以100%得到9960Hz信号调制度；对滤波后的信号进行波形峰值检测、斜坡信号和数组插值处理提取包络信号，计算谐波失真度，获取二次谐波、三次谐波和四次谐波幅值，乘以100%得到9960Hz信号谐波失真度；
对滤波后的9960Hz信号进行调频解调获取30Hz可变相位信号信息，30Hz可变相位信号 经滤波和FFT提取频谱信息，获取最大功率处的频率值，即频率偏移量；30Hz可变相位信号 经滤波和包络提取波形，获取最大幅值；通过计算频率偏移量
Figure 24105DEST_PATH_IMAGE001
与最大幅值
Figure 369636DEST_PATH_IMAGE002
的关系算出 频率偏移量指数
Figure 988836DEST_PATH_IMAGE003
；对滤波后的30Hz可变相位信号波形进行过零检测提取30Hz 可变相位信号相位信息。
2.根据权利要求1所述的基于软件定义无线电技术的DVOR信号的解析系统，其特征在于，所述数字滤波器模块通过不同滤波器对30Hz基准相位信号、9960Hz信号及1020Hz信号分别进行滤波；30Hz基准相位信号采用Butterworth低通滤波器进行滤波处理，其边带频率设置为中心频率的10%；9960Hz信号采用Butterworth带通滤波器进行滤波处理，其带宽设置为中心频率的±10%；1020Hz识别信号采用Butterworth带通滤波器进行滤波处理，其带宽设置为中心频率的±5%。
3.根据权利要求2所述的基于软件定义无线电技术的DVOR信号的解析系统，其特征在于，所述30Hz信号处理模块工作过程包括：对滤波后的30Hz基准相位信号进行包络提取波形，获取最大幅值，最大幅值乘以100%得到30Hz基准相位信号调制度；对滤波后的信号进行FFT提取频谱信息，获取最大功率处的频率值；对提取的波形进行过零检测提取相位信息。
4.根据权利要求1所述的基于软件定义无线电技术的DVOR信号的解析系统，其特征在于，所述设置的接收机参数包括:接收机中心频率、带宽、滤波器参数、接收机增益和采样率，通过参数配置库函数配置载波频率、接收带宽、滤波器参数、IQ信号采样率、信号通道和初始增益。
5.根据权利要求4所述的基于软件定义无线电技术的DVOR信号的解析系统，其特征在于，还包括1020Hz信号处理模块，用于提取1020Hz信号的频率和幅值，对滤波后的1020Hz基带信号经包络提取波形，获取最大幅值，最大幅值乘以100%得到基带1020Hz信号调制度；对滤波后的信号进行FFT提取频谱信息，获取最大功率处的频率值。
6.根据权利要求1所述的基于软件定义无线电技术的DVOR信号的解析系统，其特征在于，还包括莫尔斯码解析模块，用于解析1020Hz信号携带的莫尔斯码；对滤波后的1020Hz基带信号进行幅值电平处理转换成高低电平0和1，高电平信号持续时长判断是点或者划，低电平信号持续时长判断间隔类型，通过点划类型检索对应的莫尔斯码并转换成字母，解析出完整的莫尔斯码。
7.根据权利要求1所述的基于软件定义无线电技术的DVOR信号的解析系统，其特征在于，还包括异常信息告警模块，用于监视各项解析参数，当解析参数触发边界值时产生异常信号告警并记录告警信号的信息。
8.根据权利要求1所述的基于软件定义无线电技术的DVOR信号的解析系统，其特征在于，还包括数据记录模块，用于保存解析的数据，7×24小时记录解析信号及告警信号并保存于excel文档。
9.根据权利要求1所述的基于软件定义无线电技术的DVOR信号的解析系统，其特征在于，还包括载波信号处理模块，用于载波信号的解析；对提取的数字IQ信号在FFT作用下提取频谱信息，获取最大频率值及对应的功率值，最大频率值与接收机配置的载波频率值比对，计算出频率偏差的值；功率值与接收机的灵敏度值比对，计算出差值，反馈给自动增益控制模块调整增益值，并计算出实际功率值。
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