一種塔康信號(hào)波形設(shè)計(jì)方案

陸強(qiáng)

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所 陜西省西安市 710068）

塔康系統(tǒng)是采用“詢問-回答”方式的二次雷達(dá)方式進(jìn)行測距，通過檢測無線電波的往返時(shí)間，結(jié)合電磁波傳播速度可以計(jì)算得到端機(jī)間距離；通過旋轉(zhuǎn)地面臺(tái)天線空間輻射形成的多波瓣方向圖,通過方位包絡(luò)和基準(zhǔn)脈沖之間的關(guān)系，可以解算出機(jī)載設(shè)備的方位。為了實(shí)現(xiàn)塔康識(shí)別、測位、測距功能，塔康系統(tǒng)采用了一種復(fù)雜的信號(hào)波形。該波形所包含定位和測距所需的信息：

（1）1350Hz 系統(tǒng)識(shí)別信號(hào)；

（2）距離應(yīng)答信號(hào)；

（3）方位基準(zhǔn)信號(hào)：主基準(zhǔn)脈沖群、輔基準(zhǔn)脈沖群；

（4）方位空間調(diào)制信號(hào)：15Hz 可變相位粗測信號(hào)、135Hz 可變相位精測信號(hào)；

（5）隨機(jī)填充脈沖。

如圖1 所示。

圖1： 塔康信標(biāo)信號(hào)組成

1 信號(hào)波形設(shè)計(jì)方案

塔康信號(hào)波形設(shè)計(jì)方案采用“時(shí)序觸發(fā)器+波形形成”方案。首先，按照GJB2784-96《塔康機(jī)載設(shè)備通用規(guī)范》的要求生成上述（1）～（5）各類基本信號(hào)的時(shí)序觸發(fā)信號(hào)；然后，按照塔康不同工作模式的各類信號(hào)優(yōu)先級(jí)要求進(jìn)行混合編碼，最終形成塔康信標(biāo)臺(tái)要求的時(shí)序，生成所有信號(hào)的觸發(fā)信號(hào)；然后，按照不同工作模式下，對脈沖對的間隔要求，在這些觸發(fā)脈沖的控制下合成編碼脈沖對觸發(fā)信號(hào)；利用高斯脈沖形成基本的鐘型脈沖信號(hào)；最后為這些成形后的鐘形脈沖對進(jìn)行空間幅度調(diào)制處理，用來代替和模擬實(shí)際信標(biāo)臺(tái)天線旋轉(zhuǎn)帶來的空間幅度調(diào)制。完成這些工作后將這些基帶信號(hào)進(jìn)行插值并正交上變頻后形成數(shù)字中頻信號(hào)，最后將視頻信號(hào)數(shù)字IQ 數(shù)據(jù)輸出至脈沖信號(hào)源。通過信號(hào)源完成射頻信號(hào)輸出。

1.1 信號(hào)觸發(fā)器

詢問信號(hào)信息被接收并初步處理得到參考脈沖后送到視頻信號(hào)產(chǎn)生部分。通過信號(hào)時(shí)序觸發(fā)器處理產(chǎn)生測距回答脈沖、隨機(jī)填充脈沖，再附加上測位信號(hào)（包絡(luò)相位和主、輔基準(zhǔn)）以及識(shí)別信息，最終合成所需的塔康模擬信號(hào)。

塔康信號(hào)基帶波形生成時(shí)序?yàn)樵谝粋€(gè)15Hz 的粗測信號(hào)周期內(nèi)，由9 個(gè)135Hz 精測信號(hào)將其分割成9 各時(shí)段。第一個(gè)時(shí)段內(nèi)，優(yōu)先級(jí)最高的是主基準(zhǔn)脈沖群，約占345.5μs；然后是識(shí)別脈沖和應(yīng)答脈沖；第二個(gè)時(shí)段內(nèi)，優(yōu)先級(jí)最高的是輔基準(zhǔn)脈沖群，約占135.5μs；然后是識(shí)別脈沖和應(yīng)答脈沖；后七個(gè)時(shí)段與第二時(shí)段相同。在整個(gè)視頻信號(hào)基帶脈沖中會(huì)通過隨機(jī)填充脈沖填充基帶外包絡(luò)。

信號(hào)觸發(fā)器接收來自天線（控制計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)生）的基準(zhǔn)觸發(fā)信號(hào)，分別控制主、輔基準(zhǔn)編碼器，產(chǎn)生主、輔基準(zhǔn)脈沖編碼。這兩路主、輔基準(zhǔn)信號(hào)混合后不經(jīng)過任何門電路的控制而直接進(jìn)入固定延時(shí)器和混合編碼器，表現(xiàn)出其最高的優(yōu)先級(jí)。同時(shí)，為了保證主輔基準(zhǔn)脈沖編碼的最高優(yōu)先級(jí)，主基準(zhǔn)編碼器、輔基準(zhǔn)編碼器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)能夠覆蓋主輔基準(zhǔn)持續(xù)時(shí)間的靜默封閉脈沖，用來在傳輸基準(zhǔn)脈沖群時(shí)間內(nèi)，封閉識(shí)別脈沖和回答脈沖。該封閉脈沖寬度和相對位置的選擇應(yīng)保證在基準(zhǔn)群傳輸期間及其前后各約40μs 左右的整個(gè)時(shí)間內(nèi)絕對封閉，從而絕對保證基準(zhǔn)信號(hào)的最高優(yōu)先級(jí)。

識(shí)別信號(hào)產(chǎn)生電路在來自天線135Hz 觸發(fā)信號(hào)的控制下，產(chǎn)生與主、輔基準(zhǔn)嚴(yán)格同步且重復(fù)頻率為1350Hz 的識(shí)別脈沖及每個(gè)識(shí)別脈沖之后100μs 處的平衡脈沖。由鍵控電路形成的莫爾斯電碼結(jié)構(gòu)為：點(diǎn)的長度為1/8 秒，劃的長度為3/8 秒，點(diǎn)與劃之間的間隔（含點(diǎn)與劃、劃與劃）為1/8 秒，碼與碼（一個(gè)碼由若干個(gè)點(diǎn)劃組成）的間隔為3/8 秒。識(shí)別信號(hào)每30 秒發(fā)一次。鍵控電路在打鍵期間（一般指落鍵為識(shí)別狀態(tài)）相應(yīng)地產(chǎn)生兩路控制信號(hào)（在鍵控級(jí)內(nèi)部），一路使識(shí)別信號(hào)進(jìn)入混合編碼器，一路產(chǎn)生封閉信號(hào)阻止應(yīng)答信號(hào)，以保證識(shí)別信號(hào)的第二優(yōu)先級(jí)。

在主、輔基準(zhǔn)封閉電路和識(shí)別信號(hào)封閉電路沒有封閉的條件下，來自接收機(jī)的譯碼詢問信號(hào)進(jìn)入應(yīng)答脈沖產(chǎn)生器，產(chǎn)生器產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)及隨機(jī)填充脈沖并發(fā)到混合編碼器進(jìn)入下一級(jí)。

由信標(biāo)編碼器輸出的信號(hào)即為符合塔康信號(hào)時(shí)序的一系列觸發(fā)脈沖，一路進(jìn)入后一級(jí)的脈沖對編碼器形成脈沖對編碼，一種去接收機(jī)作為封閉信號(hào)，以保證在發(fā)射脈沖期間封閉接收機(jī)。接下來對每一種信號(hào)編碼進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

1.1.1 主、輔基準(zhǔn)脈沖群編碼

模擬來自天線的基準(zhǔn)觸發(fā)信號(hào)（本系統(tǒng)該觸發(fā)信號(hào)由上位機(jī)顯控軟件控制模擬生成）分別控制主、輔基準(zhǔn)編碼器。其中，主基準(zhǔn)編碼器每對應(yīng)一個(gè)15Hz 的觸發(fā)脈沖，在X模式下，產(chǎn)生相鄰間隔為30μs的12個(gè)單脈沖；在Y 模式下，產(chǎn)生相鄰間隔為30μs 的13 個(gè)單脈沖。輔基準(zhǔn)編碼器每對應(yīng)一個(gè)135Hz 的觸發(fā)脈沖，在X 模式下，產(chǎn)生相鄰間隔為24μs 的6 個(gè)單脈沖；在Y 模式下，產(chǎn)生相鄰間隔為15μs 的13 個(gè)單脈沖。同時(shí)產(chǎn)生封閉脈沖，該封閉脈沖寬度和相對位置的選擇應(yīng)保證在基準(zhǔn)群傳輸期間及其前后各約40μs 左右的整個(gè)時(shí)間內(nèi)絕對封閉，從而絕對保證基準(zhǔn)信號(hào)的最高優(yōu)先級(jí)。

1.1.2 隨機(jī)填充脈沖編碼

隨機(jī)脈沖對的編碼產(chǎn)生主要在DSP 中實(shí)現(xiàn)。首先，將時(shí)間軸從60μs 開始，劃分成40 個(gè)時(shí)間段，每段時(shí)長25μs。根據(jù)概率擬合曲線，計(jì)算出每個(gè)時(shí)間段的中點(diǎn)時(shí)刻對應(yīng)的出現(xiàn)概率。然后，通過偽隨機(jī)srand()函數(shù)，產(chǎn)生一個(gè)偽隨機(jī)種子，用來產(chǎn)生后續(xù)過程中需要使用的隨機(jī)數(shù)。在處理第i 個(gè)時(shí)間段時(shí)，首先用所需要產(chǎn)生的隨機(jī)脈沖總數(shù)與該段的中點(diǎn)時(shí)刻對應(yīng)的出現(xiàn)概率相乘，得到所有隨機(jī)脈沖中落在第i 個(gè)時(shí)間段范圍內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)Mi。動(dòng)態(tài)申請兩塊內(nèi)存，內(nèi)存大小均為Mi*sizeof(int)。一塊內(nèi)存空間用于作為“偏移量存儲(chǔ)空間”，另一塊內(nèi)存空間用來作為“脈沖時(shí)刻值存儲(chǔ)空間”，這兩塊內(nèi)存空間分別用來保存“時(shí)刻偏移量”和“脈沖時(shí)刻值”。產(chǎn)生Mi 個(gè)在0～25 范圍內(nèi)的隨機(jī)數(shù)，將這些隨機(jī)數(shù)作為時(shí)刻偏移量，分別用它們與第i 段的起始時(shí)刻值相加，得到Mi 個(gè)脈沖時(shí)刻值。若計(jì)算得到的脈沖時(shí)刻值在720μs～760μs 的范圍內(nèi)，則應(yīng)該給其加上一個(gè)額外的偏移值，使它移出該時(shí)間范圍。

對所有40 個(gè)時(shí)間段都處理結(jié)束后，將保存著所有隨機(jī)脈沖時(shí)刻值的數(shù)組進(jìn)行亂序排列，并在DSP 主程序中，依次取出一個(gè)時(shí)刻值，作為定時(shí)器的中斷觸發(fā)時(shí)間。當(dāng)定時(shí)器中斷被觸發(fā)，則DSP 將給FPGA 一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，由FPGA 產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)脈沖，以這樣的方式，來完成所有所需的隨機(jī)脈沖的產(chǎn)生。

我們在500 ～5000 隨機(jī)脈沖對進(jìn)行了仿真，得到在相應(yīng)隨機(jī)脈沖下實(shí)際產(chǎn)生的隨機(jī)脈沖數(shù)量對及隨機(jī)脈沖對時(shí)間間隔的和，仿真結(jié)果與理論一致。

1.1.3 識(shí)別脈沖編碼

本文以135Hz 為基準(zhǔn)控制識(shí)別脈沖編碼器產(chǎn)生點(diǎn)劃鍵控信號(hào)和1350 脈沖觸發(fā)信號(hào)。其中，脈沖觸發(fā)信號(hào)只需要對135Hz 進(jìn)行10 倍頻即可得到；點(diǎn)劃鍵控信號(hào)可以按照周期推算：可以用17 個(gè)135Hz 周期表示點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)時(shí)間約為0.126 秒；用51 個(gè)135Hz 周期表示劃，實(shí)現(xiàn)時(shí)間約為0.377 秒。在允許誤差范圍內(nèi)。在實(shí)現(xiàn)過程中，編碼器按照系統(tǒng)軟件設(shè)置的字母編號(hào)，計(jì)算135Hz 周期序列的時(shí)序。并將其與10 倍頻135Hz 得到的1350Hz 脈沖觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行邏輯與，最終實(shí)現(xiàn)識(shí)別編碼的產(chǎn)生。

1.1.4 應(yīng)答脈沖觸發(fā)編碼

1.2 混合編碼器

混合編碼器的作用是模擬塔康信標(biāo)的實(shí)際工作狀態(tài)對信號(hào)中的脈沖進(jìn)行篩選排序，保證合成的混合編碼觸發(fā)信號(hào)與信標(biāo)實(shí)際工作狀態(tài)保持邏輯一致。在得到了應(yīng)答信號(hào)觸發(fā)脈沖、基準(zhǔn)群信號(hào)觸發(fā)脈沖、隨機(jī)填充脈沖、識(shí)別信號(hào)觸發(fā)脈沖四類脈沖以及上的屏蔽信號(hào)后，它們將按照優(yōu)先級(jí)順序依次排列為：基準(zhǔn)群信號(hào)觸發(fā)脈沖、識(shí)別信號(hào)觸發(fā)脈沖、應(yīng)答信號(hào)觸發(fā)脈沖、隨機(jī)填充脈沖。按照這個(gè)優(yōu)先級(jí)與時(shí)序，混合編碼器用高優(yōu)先級(jí)脈沖的屏蔽脈沖屏蔽掉低優(yōu)先級(jí)脈沖后，就可完成基帶編碼的混合輸出。

1.3 脈沖對編碼器

塔康信標(biāo)系統(tǒng)信號(hào)的脈沖形式，均采用了脈沖對編碼型式。分為X 模式、Y 模式兩種編碼格式。在X 模式下，發(fā)射脈沖對的脈沖內(nèi)時(shí)間間隔為12μs，在詢問脈沖觸發(fā)信號(hào)上升沿到來時(shí)，將輸入的單個(gè)脈沖分為兩路，其中一路延時(shí)12μs 和另一路異或就完成了脈沖對觸發(fā)信號(hào)編碼。

1.4 鐘形脈沖生成

塔康系統(tǒng)給每一個(gè)波道僅僅劃分了1MHz 的帶寬，因此，GJB2784-96《塔康機(jī)載設(shè)備通用規(guī)范》采用了能量相對集中在中心頻率附近的高斯脈沖。高斯脈沖的數(shù)學(xué)定義為。按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定，脈沖的上升沿為(2.5±0.5)μs，脈沖的下降沿為(2.5±0.5)μs，脈沖寬度為(3.5±0.5)μs，這些參數(shù)是按照其數(shù)學(xué)定義在50%電平寬度計(jì)算出來的。

由于理論上的高斯脈沖數(shù)值永遠(yuǎn)不會(huì)降為零，所以，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，只能近似為高斯脈沖，通常將計(jì)算值放寬一些要求，使其達(dá)到參數(shù)要求。實(shí)現(xiàn)過程中在FPGA 的塊RAM 中提前存儲(chǔ)好高斯脈沖，在詢問觸發(fā)脈沖對信號(hào)的觸發(fā)下，順序讀取塊RAM 中的高斯脈沖信號(hào)，得到實(shí)際的詢問信號(hào)高斯脈沖對。

1.5 空間幅度調(diào)制

空間幅度調(diào)制是對塔康信號(hào)進(jìn)行空間調(diào)制模擬，模擬真實(shí)天線在空間調(diào)制形成15Hz 和135Hz 的空間電場方向性圖。其包絡(luò)空間幅度調(diào)制數(shù)學(xué)上表示為發(fā)射信號(hào)合成頻率為 15Hz 和 135Hz 兩個(gè)正弦波分量的 AM 調(diào)制，其包絡(luò)表達(dá)式為：

其中，s(t)為方位角為?處，機(jī)載設(shè)備接收到的信號(hào)幅度歸一化值；A1為信號(hào)包絡(luò)中15Hz 的包絡(luò)的調(diào)制度；A2為信號(hào)包絡(luò)中135Hz 的包絡(luò)的調(diào)制度；?為方位角。只要設(shè)置不同的值，即可得到不同方位處的信號(hào)包絡(luò)，在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)采用波形發(fā)生器的方法，直接將計(jì)算出的波形文件存于FPGA 中。利用視頻信號(hào)與從上述方法得到的信號(hào)包絡(luò)做乘法，最終可得到15Hz 以及135Hz 的包絡(luò)調(diào)制信號(hào)。

15Hz/135Hz 包絡(luò)信號(hào)擬采用周期抽樣量化加D/A變換的方案實(shí)現(xiàn)，按照調(diào)幅深度對兩路正弦波信號(hào)幅度值進(jìn)行調(diào)節(jié)，相加后，即可得到合成包絡(luò)，如圖2 所示。

圖2： TACAN 模擬信號(hào)

2 模擬距離測試

采用任意波形發(fā)生器、矢量信號(hào)發(fā)生器、示波器，結(jié)合功分器和環(huán)形器搭建測試環(huán)境，對實(shí)現(xiàn)的TACAN信號(hào)進(jìn)行測試驗(yàn)證。距離參數(shù)是通過模擬時(shí)間延時(shí)得到的，只需測量出時(shí)間間隔即可得到其距離模擬。實(shí)際測試過程中，選取了500km，50km，0km 進(jìn)行測試驗(yàn)證。測量結(jié)果見表1，測量結(jié)果表明塔康信號(hào)模擬的距離指標(biāo)滿足指標(biāo)要求。

表1： 距離參數(shù)測試結(jié)果

3 模擬方位測試

本文設(shè)計(jì)的模擬器在實(shí)現(xiàn)輸出方位信號(hào)時(shí)會(huì)輸出包絡(luò)相位同步脈沖信號(hào)，具有很好的測試溯源性。對其方位測試驗(yàn)證只需要測量相位同步脈沖和主、輔基準(zhǔn)脈沖之間的時(shí)間間隔，通過換算時(shí)間與相位的關(guān)系，可以得出方位數(shù)據(jù)。采用示波器測量脈沖間隔的方法，測量它們之間的脈沖時(shí)間間隔。

將所得到的時(shí)間延時(shí)測量數(shù)據(jù)按照公式（2）進(jìn)行計(jì)算。由測量結(jié)果可知，測量結(jié)果的誤差小于參數(shù)要求的最大允許誤差，模擬器方位模擬指標(biāo)滿足項(xiàng)目指標(biāo)要求。

表2： 方位參數(shù)測試結(jié)果

4 結(jié)論

本文通過對塔康信號(hào)復(fù)雜波形的分析，在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了其基帶信號(hào)波形，通過信號(hào)源和微波組件實(shí)現(xiàn)了塔康信號(hào)模擬，通過測試驗(yàn)證，其主要的距離模擬指標(biāo)和方位模擬指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，能夠用于對塔康系統(tǒng)進(jìn)行指標(biāo)驗(yàn)證、計(jì)量溯源。