引言

飞行器在执行飞行任务时，飞行姿态、飞行路线和着陆受天气和飞行员身体状态的影响较大。所以，随着飞行器对各种气象条件下的自动驾驶和自动着陆系统的需求发展，导航仪器数字化在飞行器飞行和着陆过程中的地位和作用也变得越来越重要。

传统的VOR模拟接收机由于精度的要求，增加了硬件处理原理的复杂度和电路规模，提高了系统的造价。相比之下，随着数字信号处理器处理水平的不断提高，以其处理的高速性和灵活性来处理导航信号，简化了硬件电路，降低了电路复杂度，提高了处理结果的精度，最重要的是为飞行器的自动控制提供了一系列的数字接口。

VOR 导航原理简介

VOR系统是近程无线电导航系统，可以向飞机提供相对的方位信息，工作频段为108.00MHz到117.95MHz。VOR系统地面台发射的信号由30Hz基准相位信号和30Hz可变相位信号及其相应的载波构成合成包络，基准相位信号由30Hz单音信号对9960Hz的副载波信号进行调频，30Hz可变相信号为调幅波。

VOR导航原理是，根据可变相信号与固定相位信号的相位差来导航。可变相与基准相信号同步发射，磁北极两者相位相差0 ，随着飞行器相对于地面台的水平面方位的不同，两者的相位差从0 ~360 变化，如图1和图2所示。图1中，随着水平面的角度从0 ~360 变化，两个信号的相位差也从0 ~360 变化。图2列出了两信号在0 、90 、180 及270 的波形变化。

硬件设计

系统硬件的框图如图3所示。模拟信号送入AD经过采样，送入DSP中；A/D采样时钟信号由DSP的XF和HP1脚提供；采样数据由BIO脚送入DSP；逻辑控制、地址译码由CPLD单元完成；处理的中间数据和结果放入RAM存储器中。

图1 VOR俯视方位图(略)
图2 四个点的波形(略)
图3 系统硬件框图(略)

在DSP外围电路中，AD转换器是一个十分重要的器件，选择时应主要考虑以下几点：转换器精度；转换时间；数据输出格式；转换器的价格。转换器精度由输入幅度范围和量化位数共同决定；转换时间要尽量与DSP的指令周期相匹配；数据输出格式分为OFFSET BINARY、2'S COMPLEMENT、1'S COMPLEMENT和SIGN MAGNITUDE，使用时应注意格式转换。A/D转换部分采用ADI公司16位四通道串行ADC AD974。它的最大抽样率为200kSPS，-3dB输入带宽2.7MHz，输入电压范围分别可以为0~4V、0~5V和 10V。它使用5V单端供电，2.5V参考电压，内外部可选，最大功耗为120mW，省电状态下为50 W。AD974内置了一个四通道选择器，利用A0、A1和WR1、WR2实现通道的选择。串行数据接口可以分为内部工作方式和外部工作方式，由管脚EXT/INT控制。输入信号幅度范围为0~4V时，VIN接VxA和VxB；输入信号幅度范围为0~5V时，VIN接VxA，VxB接AGND；输入信号幅度范围为 10V时, VIN接VxB， VxA接BIP。

DSP处理器采用TI公司的TMS320VC5402，所有数据处理任务都在这一部分完成。它采用修正的哈佛结构，程序与数据分开存放，内部具有8条高度并行的总线。其片内集成了片内存储器和片内外设以及专门用途的硬件逻辑，并配备有功能强大的指令系统，使得该芯片具有很高的处理速度和广泛的应用适应性。

这部分采用主从系统的设计方法，DSP作为MCU的加速处理器。由AD端输入的数据经过处理后送到MCU中，所有工作都由MCU指挥，这样DSP预见性编程的不足可以由MCU来弥补。对于此系统，系统软件采用高级语言编写，而信号处理软件则采用汇编语言编写，这样可以获得最佳性能。由于各部分数据为串行数据，所以利用DSP片内外围电路与AD和MPU通信。它们分别是通用I/O引脚，XF和BIO；定时器；时钟发生器和主机接口。

设计中最重要的就是主机接口(HPI)。HPI是一个8位并行口，用来与主控设备或主处理器接口。外部主机是HPI的主控者，它可以通过HPI直接访问CPU的存储空间，包括存储映像寄存器。HPI主要由5部分组成：HPI存储器、HPI地址寄存器、HPI数据锁存器、HPI控制寄存器和HPI控制逻辑。HPI有两种工作方式：共用寻址方式和仅主机寻址方式。我们选用共用寻址方式，因为这样主机和C54X都能寻址HPI寄存器，异步工作的主机寻址可以在HPI内部重新得到同步，主机有寻址优先权。

C54X通过HPI与主设备相连时，除了8位HPI数据总线以及控制信号线外，不需要附加其他的逻辑电路，从而减小了电路设计的压力。主机对C54X的HPI存储器进行寻址，存储空间的大小为2k 16位,存储空间地址为1000h~17FFh。这时，PMST寄存器的OVLY位为1，主机寻址的地址则为0~7FFh。

程序设计中，寻址方式利用HPI存储器地址的自动增量特性，可以用来连续寻址HPI存储器。自动增量方式中，每一次读操作都使HPIA事后增1；每一次写操作都使HPIA事先增1。

采用此种设计方法，最大的利用了DSP的处理功能，实现了MCU主控、DSP完成主要数据处理的设计构想。RAM部分和CPLD部分采用传统设计，不做详细介绍。

信号处理原理及软件处理框图

VOR的信号形式为：
S_{VOR}(t)=A_1cos({2 f_{30}t}+ _1)+A_2cos[2 f_{9960}t+k_F\int_{-∞}^{t}{m( )d }+ _3]
其中m(t)的定义为m(t)=Acos(2 f_{30}t+ _2)， 1是可变相位， 2是基准相位。

由上面的解析式可知，VOR 信号是由30Hz可变相与30Hz基准相对9960Hz的载波进行调频产生的调频信号的简单叠加。图4与图5所示为信号形式。

先将这两个信号分离，然后对FM信号进行解调，将解调后的信号与30Hz可变相信号进行比相，求得 = _1- _2 。由于30Hz的可变相信号和FM信号是简单的叠加，所以可以用滤波器将他们分开。

对于FM信号的数字解调，采用相干解调的方法，将本地的同向载波和正交载波与输入信号相乘，见图6。本地载波与信号载波相比存在频差和相差，这是不可避免的。当载波失配差频和差相是常量时，解调的输出只不过增加了一个直流分量 。

滤波得出的30Hz可变相信号和解调得出的30Hz基准相信号的形式如下：
S_1(n)=A_1+k_1cos(2 f_{30}n+ _1)
S_2(n)=A_2+k_2cos(2 f_{30}n+ _2)。
采用相关算法对S1(t)和S2(t)比相，即
f( )=\int_{0}^{T}{S_1( )S_2( )d }
对应的数字处理形式为f( )=\sum_{1}^{n}S_1(n)S_2(n)
其软件处理框图如图7所示。

图4 VOR信号(略)
图5 图4局部放大波形(略)
图6 相干解调算法(略)
图7 软件处理框图(略)

由于相关算法采用的是统计的观点，比过零检测的方法抗干扰和波形畸变的能力更强。因为VOR是利用信号的相位差来工作的，所以处理过程中要精确的控制相位误差，尤其要控制滤波器的相频特性，减少处理过程中的相位畸变。

结束语

本文系统的介绍了VOR导航接收机的信号形式和信号处理原理，以及VC5402在信号处理中的应用。对样机的测试表明，DSP TMS320VC5402无论实时处理速度还是计算精度，都能达到预定设计目标。