羅蘭-C信號量化誤差影響分析

喬永嚴 周愛軍

（1.中國人民解放軍海軍大連艦艇學院研究生管理大隊，遼寧 大連 116018；2.中國人民解放軍海軍大連艦艇學院航海系，遼寧 大連 116018）

0 引言

在羅蘭-C 信號模擬器的研制過程中，由于硬件設備以及數(shù)據(jù)采樣量化等因素，模擬器輸出端信號的ECD 值與理論值會產(chǎn)生一定偏差。硬件設備中元器件繁多，逐個分析比較麻煩，因此，應著重分析數(shù)據(jù)量化部分，得出結論后通過整體分析及數(shù)字補償方式來抑制誤差帶來的影響，從而有效地增強和完善信號模擬器的功能。

1 量化誤差

1.1 誤差來源

羅蘭-C 信號數(shù)據(jù)采集時，為了充分利用數(shù)模轉換器的分辨率，提高輸出信號的精度，需要將采集的數(shù)據(jù)進行量化，由于數(shù)模轉換器轉換的數(shù)據(jù)信息為二進制編碼，因此，量化后的數(shù)據(jù)并不能完全代表原始信號中的信息，相對原始標準數(shù)據(jù)會產(chǎn)生一定的偏差，這種偏差即為量化誤差。如圖1，2 所示，在幅度較小的信號中，量化后的數(shù)據(jù)已經(jīng)不能包含原始信號的所有信息了。

圖1 原始信號及離散采樣數(shù)據(jù)

圖2 量化后數(shù)據(jù)

1.2 羅蘭-C 信號量化誤差

量化誤差在幅度較小的采樣數(shù)據(jù)中影響很大，將影響導航儀對輸出羅蘭-C 信號的相位識別和幅值檢測。設羅蘭-C 單脈沖信號寬度為200μs，以采樣周期為0.25μs 為例，羅蘭-C 前三周數(shù)據(jù)量化誤差如圖3所示，圖4 所示為設計信號每個采樣數(shù)據(jù)的量化誤差，圖5 所示為羅蘭-C 信號零基準以上每半周波峰值處量化誤差的百分比。由圖5 可知，量化后每半周峰值相對標準波形會產(chǎn)生誤差，這將會導致輸出的羅蘭-C 信號包周差產(chǎn)生變化。

圖3 羅蘭-C 前三周數(shù)據(jù)量化誤差

圖4 羅蘭-C 各采樣數(shù)據(jù)量化誤差

圖5 零基準以上半周波峰值量化誤差百分比

2 量化誤差對ECD 影響分析

2.1 量化誤差對ECD 影響分析

標準信號離散化后量化，經(jīng)過D/A 轉換成模擬量輸出，但是由于量化后采樣數(shù)據(jù)將會丟失原始標準信號中的一些信息，所以不可能完全地將原始標準信號還原出來，與標準信號的不完全匹配導致包絡也將產(chǎn)生誤差。仿真出采樣間隔為0.2μs、0.25μs、0.3μs、0.5μs 時的信號波形包絡與標準包絡的誤差分別如圖6、7、8、9 所示，圖中虛線為標準包絡線。

圖6 0.2μs采樣間隔時包絡對比

圖7 0.25μs采樣間隔時包絡對比

圖8 0.3μs采樣間隔時包絡對比

圖9 0.5μs采樣間隔時包絡對比

由數(shù)據(jù)仿真可得出四種不同采樣間隔生成信號波形包絡都存在一定的誤差，具體誤差對比如圖10 所示。

圖10 不同采樣間隔生成包絡誤差對比

0.2μs 采樣間隔生成的信號包絡與標準包絡對比，ECD=1.2μs；0.25μs 采樣間隔生成的信號包絡與標準包絡對比，ECD=1.3μs；0.3μs 采樣間隔生成的信號包絡與標準包絡對比，ECD=1.5μs，0.5μs 采樣間隔生成的信號包絡與標準包絡對比，ECD=1.6μs。可以看出，針對這四種采樣間隔，值越大，模擬出的信號包絡線與標準包絡線誤差也就越大。

2.2 羅蘭-C 信號波形要求

信號波形的幅度失真會對導出包絡零點位置產(chǎn)生影響。波形幅度失真1%，可造成0.6μs 的包絡零點誤差[1]。羅蘭-C 導航系統(tǒng)要求導航臺發(fā)射信號波形前沿與標準函數(shù)的幅度偏差不超過±4%，前沿的幅度不穩(wěn)定性不超過1%。脈沖—相位測距差系統(tǒng)中要求包周差的均方誤差小于±0.2μs[1-2]。

羅蘭-C 信號是嚴格按一定波形發(fā)射的，其載頻信號各周的幅值不相等，相鄰兩幅值之比也各不相等。接收機進行周期識別時，對30μs采樣點前兩個振幅（脈沖的22.5μs 處和27.5μs 處）的比值有著嚴格規(guī)定：

實驗證明，采用標準數(shù)據(jù)生成的羅蘭-C 信號是無法被接收機鎖定在30μs處的，原因是因為在信號模擬產(chǎn)生電路中包含大量的電阻電容和運放等器件，這些電子器件的存在不止會帶來噪聲，而且還會影響信號的輸出，綜合DA 量化帶來的誤差，使最終生成的信號已經(jīng)無法滿足接收機對接收信號的要求。

2.3 誤差補償

設計所用DA 芯片為八位芯片，以C8051F120 為核心研制的羅蘭-C 信號模擬器，由于誤差帶來的影響，已經(jīng)不能采用包周差為零的標準數(shù)據(jù)模型了。因此，在設計時需對包周差進行補償。

由于各種誤差對包周差的影響不同，無法確定最終包周差的取值，只能采用理論與實驗相結合的辦法，倒推求得可以使導航接收機定位的羅蘭-C 信號對應的包周差值。經(jīng)過大量的實驗證明，在采樣周期為0.25μs的前提下，包周差的最優(yōu)值可取1.5μs。

3 結語

本論文首先介紹了量化誤差的來源，然后著重分析了量化誤差對采集羅蘭-C 信號數(shù)據(jù)的影響，仿真出每個采樣點數(shù)據(jù)的誤差，并給出基準線以上每半周波峰值誤差比例圖，分析了不同采樣間隔時量化誤差對信號包周差的影響。最后根據(jù)接收機對信號的要求，通過整體分析和數(shù)字補償?shù)姆椒ǎo出了對應的最優(yōu)包周差值。

［1］陳高平,鄧勇.航空無線電導航原理[M].國防工業(yè)出版社,2008：339-370.

［2］吳苗,朱濤,李方能,等.無線電導航原理及應用[M].國防工業(yè)出版社,2008：179-182.