基于Goertzel算法的選擇呼叫譯碼電路設(shè)計

王海麗，杜海龍，段照斌

（中國民航大學(xué)工程技術(shù)訓(xùn)練中心,天津 300300）

隨著中國民航事業(yè)的飛速發(fā)展，民用航空維修對保障民航飛行安全的重要性越來越明顯，然而，研究表明：與人為因素相關(guān)的飛行事故已增至80%，并且呈現(xiàn)不斷上升的趨勢[1]。因此，對于民用航空器維修人員的培訓(xùn)工作也越來越受重視。民用航空器維修人員必須深入了解機載電子設(shè)備的工作原理，才能有效地預(yù)防故障的發(fā)生和準(zhǔn)確地進行故障分析和故障定位，從而保障航空安全。

選擇呼叫系統(tǒng)（SEL CAL）向飛行機組提供來自管制員或航空公司地面臺站的呼叫顯示，該系統(tǒng)對于在緊急情況下保障飛機的飛行安全非常重要。每架飛機都固定有一個由4個英文字母組成的選擇呼叫編碼，地面塔臺通過VHF或HF通信系統(tǒng)發(fā)出該飛機的選擇呼叫編碼，就可以與該飛機取得聯(lián)系[2]。

在民用航空器維修培訓(xùn)過程中，由于很多現(xiàn)實條件的限制，如機載設(shè)備比較昂貴，不利于大量引進；針對實際飛機進行現(xiàn)場培訓(xùn)，空間又受到嚴重的限制。然而，基于Goertzel算法的選擇呼叫譯碼電路的設(shè)計，可以有效解決這一問題，有利于民用航空器維修培訓(xùn)工作的順利開展。

1 設(shè)計方案

選擇呼叫譯碼電路，首先，通過友好的人機交互頁面，可以通過鍵盤設(shè)定選呼代碼的任意組合，可以模擬飛機上由程序銷釘設(shè)定的本機代碼，并通過LED顯示，更加直觀。其次，設(shè)備可制作成電池供電的便攜式設(shè)備，克服了培訓(xùn)場所的限制。再者，該設(shè)備的軟件算法性能穩(wěn)定，可靠性高，仿真和試驗證明，該設(shè)備可以滿足機載選擇呼叫系統(tǒng)的培訓(xùn)要求。

1.1 硬件設(shè)計方案

選擇呼叫譯碼電路包括：電源模塊、譯碼電路模塊、鍵盤陣列、液晶顯示模塊、燈光指示和音頻警告模塊、485通信模塊。設(shè)備使用DC 12 V供電，譯碼電路模塊微處理芯片選擇了ATxmega32A4單片機；4×4的鍵盤陣列電路采用BCD碼的格式，16個自鎖按鍵各連接一個發(fā)光二極管，以顯示按鍵狀態(tài)；選呼信號經(jīng)過數(shù)字處理后，通過485總線到達信號傳輸控制電路，MSP430單片機控制N0KIA5110顯示液晶屏；當(dāng)呼叫代碼與本機代碼一致時，產(chǎn)生指示燈和音頻提示，整體的方案如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

飛機的選呼代碼，每一個字母對應(yīng)一種特定的音頻頻率和BCD編碼，如表1所示，16個字母能夠表示的飛機容量為

表1 選呼代碼與音頻以及BCD之間的關(guān)系Tab.1 Correspondences among selective call codes，audio frequencies and BCD codes

1架飛機的選呼代碼是由不同的4個字母組合的雙音多頻信號（DTMF），信號的編碼格式如圖2所示。

離散傅里葉變換（DFT）可用于計算N個均勻間隔頻率處的功率。Goertzel算法得到的DFT系數(shù)處于N個均勻間隔的頻率上，但是這些頻率不可能都與選擇呼叫DTMF頻率一一對應(yīng)，因此采用改進的Goertzel算法[3-4]來檢測16個特定頻率點上的功率，即可得到對應(yīng)的選擇呼叫代碼。改進的Goertzel濾波器的傳遞函數(shù)為

濾波器的遞歸部分為

濾波器的非遞歸部分為

對應(yīng)頻率點的DFT系數(shù)的幅度平方為

其中：fs為采樣頻率；fi是16種音頻中的一種；2cos（2π fi/fs）對于特定的頻率來說，是一個常數(shù)；N=1，2，…，k，即取 k個樣本來計算功率，與鍵盤陣列設(shè)置的本機代碼進行比較，確定選擇呼叫代碼，主程序的流程圖如圖3所示。

2 結(jié)果與分析

選擇呼叫信號[5]是符合飛機選呼代碼編碼方式的DTMF信號，兩個字母對應(yīng)的兩種音頻信號相疊加得到的信號，如圖4（a）所示，經(jīng)頻率展寬后，可以看到脈沖寬度為 1 s，間隔為 0.2 s，如圖 4（b）所示。

在Matlab仿真平臺下產(chǎn)生DTMF信號，fs=6 144 Hz，改進的Goertzel算法可以有效地進行16種選擇呼叫代碼的譯碼。下面給出如式（6）所示的兩個最低頻率和最高頻率的仿真結(jié)果，圖5（a）為產(chǎn)生的DTMF的離散序列，改進的Goertzel算法進行譯碼的結(jié)果如圖5（b）所示，即選呼代碼為“ABRS”。

軟件仿真時，在信號源中加入不同程度的噪聲或改變每一個字母對應(yīng)音頻信號的相位和幅度等，對譯碼結(jié)果沒有影響。

硬件電路如圖6所示，測試時，通過串口調(diào)試工具連續(xù)向譯碼電路發(fā)送同一選擇呼叫代碼，與本機代碼如圖 6（b）所示的“FEPK”，即“0110，0101，1101，1010”進行比較，若一致，則發(fā)出燈光和聲音提示，說明地面在呼叫本架飛機。統(tǒng)計呼叫概率，即期望成功的選擇呼叫次數(shù)與總試驗次數(shù)之比[6]，結(jié)果表明，該設(shè)備能夠穩(wěn)定可靠地進行選擇呼叫譯碼。

綜上所述，基于Goertzel算法的選擇呼叫譯碼電路能夠滿足機載選擇呼叫譯碼器所要求的具體技術(shù)指標(biāo)[7]，如表2所示。

表2 技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Technical indicators

3 結(jié)語

基于改進Goertzel算法的選擇呼叫譯碼電路，工作電壓低，安全性高，成本低廉，操作便捷，設(shè)備工作穩(wěn)定可靠，可以有效地對飛機的選呼代碼進行自動識別，并且可以有效解決民用航空器維修培訓(xùn)過程中，由于維修設(shè)備或場地等現(xiàn)實問題帶來的不便，有助于維修人員更加深入地理解選擇呼叫系統(tǒng)的工作原理，提高了培訓(xùn)的質(zhì)量，為航空安全提供了重要的保障，該設(shè)備的研制具有重要的應(yīng)用價值。

[1] 朱麗君，劉 珂.人為因素和航空法規(guī)[M].北京:兵器工業(yè)出版社，2007.

[2] 波音公司.波音737-NG飛機維修手冊（AMM）[G].波音公司，2004.

[3] 薛曼芳.基于改進的Goertzel算法的雙音多頻檢測器的設(shè)計[J].蘭州工業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2008，15（3）：27-30.

[4] 王衛(wèi)兵，朱秋萍，徐心毅，等.Goertzel算法的一種改進計算結(jié)構(gòu)[J].武漢大學(xué)學(xué)報，2007，53（3）：375-378.

[5] 周德新，楊代文，王 凱，等.基于FPGA的選擇呼叫信號源設(shè)計[J].自動化儀表，2009，30（5）：68-70.

[6] 張景錄.選擇呼叫設(shè)備的呼叫概率和虛呼[J].電子技術(shù)應(yīng)用，1983（8）：31-34.

[7] 波音公司.波音737-NG飛機部件維修手冊（CMM）[G].波音公司，2003.