塔康系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)方案設(shè)計與仿真

王 鼎，欒寶寬，王傳剛，董茂林

(海軍航空大學青島校區(qū)，山東 青島 266041)

1 引言

塔康是戰(zhàn)術(shù)空中導航(Tactical Air Navigation)英文縮寫TACAN的音譯名稱，是一種航空近程無線電導航系統(tǒng)，它是美軍和北約的標準軍用導航系統(tǒng)[1]。該系統(tǒng)采用極坐標定位原理，基本構(gòu)成包括地面信標和機載設(shè)備，機載設(shè)備通過對地面信標進行測向、測距和臺識別實現(xiàn)定位功能。塔康系統(tǒng)工作于L波段(962～1213MHz，頻率間隔1MHz)，該頻段為無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)狞S金頻段。結(jié)合塔康系統(tǒng)的信號特點，在不影響其測角和測距功能的前提下，通過插入數(shù)據(jù)脈沖的方式實現(xiàn)塔康信標與機載設(shè)備之間的雙向數(shù)據(jù)通信，對現(xiàn)有對空通信手段進行有效補充，提高對空通信的可靠性，同時提高頻譜資源利用率。

2 可行性分析

塔康地面信標發(fā)射的信號是射頻高斯鐘形脈沖序列填充下的15Hz、135Hz復合包絡(luò)調(diào)幅信號[2]，如圖1所示。脈沖序列按優(yōu)先級包括測向主輔基準群脈沖、識別和平衡脈沖、測距應(yīng)答脈沖與隨機填充脈沖等，而調(diào)幅是通過調(diào)幅饋電式電掃天線實現(xiàn)的，這樣每個方位接收信號的電相位與地理方位之間有一一對應(yīng)的關(guān)系。

圖1 塔康信標發(fā)射信號波形示意圖

機載設(shè)備接收地面信標發(fā)射的信號，通過比較信號15Hz包絡(luò)正斜率過零點與主基準的相位差(粗測)、135Hz包絡(luò)正斜率過零點與輔基準的相位差(精測)計算飛機的信標方位角。同時，機載設(shè)備發(fā)射測角詢問脈沖，地面信標接收到詢問脈沖之后發(fā)出應(yīng)答脈沖，機載設(shè)備利用二次雷達原理計算飛機與信標之間的斜距。

通過在塔康信標與機載設(shè)備發(fā)射的編碼脈沖中插入數(shù)據(jù)脈沖的方法實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸功能，必須以不影響塔康系統(tǒng)的測向、測距與臺識別功能及信號的頻譜特性為前提。

2.1 塔康系統(tǒng)信號占空比分析

通過對塔康系統(tǒng)工作原理和信號格式的分析，以X模式塔康信標每個主基準群占用時間tZ為350μs，每個輔基準群占用時間tF為140μs，每個高斯脈沖對占用時間tD約為20μs。1s時間內(nèi)，塔康信標共發(fā)射15個主基準群、120個輔基準群及2700個測距應(yīng)答或隨機填充脈沖對。利用式(1)可以計算塔康信標在應(yīng)答狀態(tài)發(fā)射信號的占空比D1約為7.6%。

(1)

塔康機載設(shè)備在測距時分兩種狀態(tài)，即搜索狀態(tài)和跟蹤狀態(tài)，搜索時每秒發(fā)射150個詢問脈沖對，跟蹤時每秒發(fā)射30個詢問脈沖對，通過計算得到兩種狀態(tài)的占空比D2分別為0.3%和0.06%。

由前面的計算可見，塔康系統(tǒng)的占空比是很低的，有大量的空閑時隙可用于擴展數(shù)據(jù)脈沖的發(fā)送。需要說明的是，由于塔康信標的識別信號每30s左右發(fā)射一次，并且可以通過擴展的數(shù)據(jù)脈沖進行傳送，因此在計算中進行了忽略，且2.2節(jié)中對回答概率的計算也作了同樣處理。

2.2 對系統(tǒng)測距回答概率的影響分析

塔康系統(tǒng)進行測距時，地面信標并不能對所有的機載詢問信號進行應(yīng)答。首先，地面信標在發(fā)射主、輔基準群期間無法對測距詢問進行應(yīng)答；信標接收機每輸出一個脈沖對就要封閉接收機一段時間；同時，信標發(fā)射脈沖時也會封閉接收機。地面信標發(fā)射主、輔基準群是對接收機的封閉時間τZ、τF分別為450μs、240μs。信標每發(fā)射一個測距應(yīng)答或隨機填充脈沖對時對接收機封閉時間τD為60μs。

假設(shè)，某架飛機每秒的詢問次數(shù)為N，地面信標對其回答概率為P，信標每秒發(fā)射2700個脈沖對中只有NP個是對該飛機的應(yīng)答信號，其它脈沖對都會對該機詢問形成封閉。那么，每秒內(nèi)信標可以接收該機測距詢問脈沖對的時間T可用(2)式表示

T=106-15τZ-120τF-(2700-NP)τD

(2)

同時，還有T=106P，結(jié)合(2)式，可得

(3)

飛機處于測距搜索狀態(tài)時，每秒詢問次數(shù)為150，通過計算可得地面信標對其回答概率為80.97%；處于跟蹤狀態(tài)時，每秒詢問次數(shù)為30，信標對其回答概率為80.39%。

機載設(shè)備的測距詢問脈沖是隨機發(fā)出的，對應(yīng)的塔康信標應(yīng)答脈沖的位置也是隨機的，因此擴展數(shù)據(jù)脈沖功能后將增加塔康信標的接收機封閉時間，從而降低回答概率。但只要保證回答概率不低于70%，就不會影響系統(tǒng)的測距功能。假設(shè)每秒內(nèi)發(fā)射擴展數(shù)據(jù)脈沖的時間為τ，那么地面信標的回答概率PC應(yīng)為(4)式所示。

(4)

當回答概率降為70%時，利用(4)式計算搜索狀態(tài)和跟蹤狀態(tài)信標每秒可用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間τ分別為108750μs和103710μs。

每秒數(shù)傳時間τ在編碼格式中說明。

2.3 對系統(tǒng)測向精度的影響分析

根據(jù)塔康系統(tǒng)的測角原理，塔康信標發(fā)射的脈沖序列中，主、輔基準群脈沖主要用于提供測角的基準。因此，在塔康系統(tǒng)脈沖序列中插入數(shù)據(jù)脈沖的位置不與主、輔基準群脈沖群出現(xiàn)的位置重疊，就不會影響塔康系統(tǒng)測向功能的基準。同時由于主、輔基準群脈沖群出現(xiàn)的位置相對比較固定，因此便于擴展數(shù)據(jù)脈沖的加入和識別。

隨機填充脈沖的作用是使脈沖序列的包絡(luò)較為光滑，保證測角調(diào)幅信號的精度。加入的擴展數(shù)據(jù)脈沖將占據(jù)部分隨機填充脈沖的位置，除了承載數(shù)據(jù)信息外，同樣可以穩(wěn)定信號的包絡(luò)。因此，擴展數(shù)據(jù)脈沖對信號包絡(luò)的影響可以忽略不計。

2.4 數(shù)據(jù)容量的計算

塔康地面信標典型的接收機靈敏度為-92dBm，此時接收通道的信噪比約為10dB。塔康信號的90%功率帶寬為0.8MHz，因此擴展數(shù)據(jù)脈沖的頻譜寬度也應(yīng)該不大于0.8MHz。根據(jù)香農(nóng)公式，可以計算塔康信道可以傳輸?shù)淖畲笮畔⑺俾蔆為2.7675Mbps。

(5)

3 方案設(shè)計

3.1 擴展數(shù)據(jù)脈沖的方式

為實現(xiàn)塔康系統(tǒng)雙向數(shù)據(jù)通信功能，在地面信標和機載設(shè)備脈沖序列中加入特定編碼調(diào)制的矩形數(shù)據(jù)脈沖。

地面信標原脈沖序列中每秒包含15個主基準群，選定前10個主基準群，在每個主基準群最后一個高斯脈沖之后計時100μs后增加一個100μs的矩形脈沖作為數(shù)據(jù)幀。

與測距回答概率類似，機載設(shè)備發(fā)射的數(shù)據(jù)脈沖被地面信標有效接收同樣存在概率問題。按塔康系統(tǒng)最低70%的回答概率的要求計算，機載設(shè)備每秒發(fā)射2次數(shù)據(jù)脈沖，地面信標的接收概率為91%；每秒發(fā)射10次，接收概率為99.9994%。機載設(shè)備每秒發(fā)射的測距詢問脈沖對為30個或150個，選定前10個詢問脈沖對，在每個脈沖對第二脈沖之后計時100μs后增加一個100μs的矩形脈沖作為數(shù)據(jù)幀。為保證地面信標較高的數(shù)據(jù)接收概率，機載設(shè)備1s時間內(nèi)發(fā)射的10個數(shù)據(jù)幀包含相同的數(shù)據(jù)信息。

(6)

經(jīng)計算，擴展數(shù)據(jù)脈沖后，飛機處于測距搜索和跟蹤狀態(tài)時，地面信標的測距回答概率分別約為80.71%和80.13%，滿足塔康系統(tǒng)不小于70%的回答概率要求。

但由于擴展數(shù)據(jù)脈沖只在1s內(nèi)的特定時隙τ發(fā)送，因此數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲笮畔⑺俾蔆′應(yīng)為

(7)

1s內(nèi)發(fā)送擴展數(shù)據(jù)脈沖的總時間長度τ為1000μs，根據(jù)式(7)計算，理論上最大的信息傳輸速率C′為2.7675 kbps。

3.2 工作原理

為實現(xiàn)塔康系統(tǒng)雙向數(shù)據(jù)通信功能，要對原地面信標和機載設(shè)備的信號產(chǎn)生與接收的處理過程進行改進，其中地面信標擴展數(shù)據(jù)通信功能的工作原理如圖2所示。

圖2 塔康信標擴展數(shù)據(jù)通信功能原理框圖

地面信標將要發(fā)送的信息經(jīng)數(shù)據(jù)接口送入數(shù)據(jù)編碼單元，數(shù)據(jù)編碼單元向?qū)Ш叫盘柧幋a單元發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送請求，同時接收主基準同步信息，對數(shù)據(jù)信息進行編碼組幀。導航信息編碼單元進行方位信號和測距應(yīng)答信號編碼，形成鐘形脈沖序列，并產(chǎn)生控制信號送往視頻選擇，使輸入信號按主基準群、輔基準群、識別碼、測距應(yīng)答、編碼數(shù)據(jù)與隨機填充優(yōu)先順序輸出，并控制導航脈沖序列與編碼數(shù)據(jù)在激勵器單元分別進行脈沖調(diào)制與數(shù)據(jù)調(diào)制。已調(diào)射頻信號經(jīng)功放單元進行功率放大合成之后送往天線輻射出去。同時，激勵器單元中的頻率合成器還為信標的接收部分提供本振信號。

地面信標接收到的信號包含機載發(fā)射的測距詢問信號和數(shù)據(jù)脈沖信號，接收到的信號經(jīng)選頻濾波、低噪聲放大后在功分器分為兩路，一路送到測距脈沖解調(diào)單元，經(jīng)下變頻、對數(shù)中放、檢波和譯碼后得到測距詢問脈沖的譯碼脈沖，送至數(shù)據(jù)脈沖解調(diào)單元與發(fā)射部分的導航信號編碼單元；另一路送到數(shù)據(jù)脈沖解調(diào)單元，在測距譯碼脈沖同步下對數(shù)據(jù)脈沖進行解調(diào)譯碼，經(jīng)數(shù)據(jù)接口送往顯示設(shè)備。

機載設(shè)備擴展數(shù)據(jù)通信功能的工作原理如圖3所示。機載設(shè)備將要發(fā)送的信息經(jīng)數(shù)據(jù)接口送入數(shù)據(jù)編碼單元，數(shù)據(jù)編碼單元向測距詢問編碼單元發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送請求，同時接收測距詢問同步信息，對數(shù)據(jù)信息進行編碼組幀。測距詢問編碼單元進行測距詢問信號編碼，形成鐘形脈沖對，并產(chǎn)生控制信號送往視頻選擇，控制測距詢問脈沖對與編碼數(shù)據(jù)在激勵器單元分別進行脈沖調(diào)制與數(shù)據(jù)調(diào)制。已調(diào)射頻信號經(jīng)功放單元進行功率放大合成之后送往天線進行15Hz與135Hz復合包絡(luò)調(diào)幅并輻射出去。同時，激勵器單元中的頻率合成器還為接收部分提供本振信號。

圖3 機載設(shè)備擴展數(shù)據(jù)通信功能原理框圖

機載設(shè)備接收到的信號包含地面信標發(fā)射的方位信號、測距應(yīng)答信號與數(shù)據(jù)脈沖信號，接收到的信號經(jīng)選頻濾波、低噪聲放大后在功分器分為兩路，一路經(jīng)下變頻、中放檢波送到導航信息處理單元，通過檢波得到15Hz與135Hz復合包絡(luò)信號，通過譯碼得到主基準、輔基準、測距應(yīng)答與識別，計算得到距離和方位信息進行顯示，同時產(chǎn)生識別音頻去驅(qū)動揚聲器，并為數(shù)據(jù)脈沖處理單元提供主基準同步信號；另一路，經(jīng)下變頻送到數(shù)據(jù)脈沖處理單元，在主基準同步下進行解調(diào)譯碼，再經(jīng)數(shù)據(jù)接口送往顯示設(shè)備。

4 編碼格式與調(diào)制解調(diào)原理

適應(yīng)塔康系統(tǒng)原有的工作方式，地面信標發(fā)送數(shù)據(jù)時以廣播的形式進行，機載設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時采用點對點的通信方式。為提高數(shù)據(jù)傳輸速率，同時滿足塔康系統(tǒng)的頻譜要求，擴展數(shù)據(jù)脈沖擬采用16QAM調(diào)制方式。

4.1 編碼格式

發(fā)射的每個擴展數(shù)據(jù)脈沖作為一個數(shù)據(jù)幀，擬在每一幀傳輸96bit的數(shù)據(jù)，為方便數(shù)據(jù)解調(diào)在數(shù)據(jù)前增加載波同步段、幀同步碼和功能識別碼。幀同步碼采用5位巴克碼，功能識別碼也為5位二進制數(shù)。幀同步碼用于自相關(guān)判決，便于數(shù)據(jù)信息的讀取。而功能識別碼便于地面信標和機載設(shè)備對接收信息的內(nèi)容進行識別，進而篩選出屬于自己的數(shù)據(jù)信息。

為提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑢?shù)據(jù)進行(2，1，7)卷積編碼，那么，每幀的幀同步碼、功能識別碼與數(shù)據(jù)的比特數(shù)將分別提高到10、10與192。

數(shù)據(jù)脈沖采用16QAM調(diào)制方式，其符號率為比特率的四分之一，因此每幀的幀同步碼、功能識別碼與數(shù)據(jù)的符號數(shù)分別為3、3與48。擴展數(shù)據(jù)脈沖的幀格式如圖4所示。

載波同步段的長度為6個符號，其中前3個符號的調(diào)制信息全部為0000，用于COSTAS環(huán)的快速頻差跟蹤；后3個符號的調(diào)制信息是0000和1111固定數(shù)據(jù)的交替循環(huán)，用于通用載波恢復環(huán)恢復載波相位和符號同步，產(chǎn)生同步脈沖。

圖4 擴展數(shù)據(jù)脈沖的幀格式示意圖

綜上，塔康系統(tǒng)擴展數(shù)據(jù)脈沖后，每秒發(fā)送10個數(shù)據(jù)幀，發(fā)送的總符號數(shù)為600，對應(yīng)的總比特數(shù)為2400，信息速率為2.4kbps，小于式(7)確定的理論上限，在理論上是可行的。

4.2 數(shù)據(jù)調(diào)制原理

擴展的數(shù)據(jù)脈沖采用16QAM調(diào)制方式，其工作原理如圖5所示。經(jīng)過卷積編碼的二進制數(shù)據(jù)通過串/并轉(zhuǎn)換單元，進入2/4電平變換模塊產(chǎn)生±1V和±3V四種電平的信號，分別調(diào)制到兩個頻率相同的正交載波上，然后疊加為一路信號輸出。

圖5 16QAM調(diào)制原理框圖

4.3 數(shù)據(jù)解調(diào)原理

對機載設(shè)備而言，地面信標發(fā)射的包含數(shù)據(jù)脈沖的脈沖序列的包絡(luò)并不是平穩(wěn)的，而是一個15Hz與135Hz復合調(diào)幅信號，顯然不利于16QAM調(diào)制的數(shù)據(jù)脈沖信號的解調(diào)。為減小包絡(luò)調(diào)制對數(shù)據(jù)恢復的影響，提高解調(diào)性能，必須對信號進行幅度均衡。數(shù)據(jù)解調(diào)原理如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)調(diào)制原理框圖

輸入信號首先進行幅度均衡，以信號包絡(luò)的當前值作為判據(jù)，將進入數(shù)據(jù)處理單元的信號幅度增益調(diào)整至90%全幅值。經(jīng)過幅度均衡的信號進行幅度判決，同時進行載波恢復。為實現(xiàn)窄數(shù)據(jù)脈沖的快速載波恢復，載波同步模塊由COSTAS環(huán)與通用載波恢復環(huán)兩個環(huán)路構(gòu)成。而兩個環(huán)路的切換是利用一個計時器實現(xiàn)的，如圖7所示。當信號的幅度超過半幅點時，幅度判決的標志位變?yōu)?，此時計時器開始計時，計時滿5μs時將開關(guān)切換至符號同步，從而進入通用載波恢復環(huán)；當信號的幅度小于半幅點時，標志位變?yōu)?，開關(guān)切換至COSTAS環(huán)，等待下一個數(shù)據(jù)脈沖的到來。

圖7 計時器工作流程示意圖

在數(shù)據(jù)脈沖的前5μs利用COSTAS環(huán)進行快速而較低準確度的載波同步，并將過程中產(chǎn)生的誤差信號存入RAM。5μs后在計時器的控制下，信號切換至符號同步，完成符號同步后進入通用載波恢復環(huán)，輸出解調(diào)數(shù)據(jù)，解出各符號星座點，得到串行數(shù)據(jù)，串并轉(zhuǎn)換后進行維特比譯碼得到原始信息，幀同步后根據(jù)功能識別碼篩選出接收端需要的數(shù)據(jù)信息。

5 仿真驗證

為評估本文設(shè)計的塔康雙向數(shù)據(jù)傳輸方案的可行性與性能，對方案中采用的調(diào)制解調(diào)方式進行了建模和仿真。仿真原理框圖如圖8所示，對數(shù)據(jù)產(chǎn)生、組幀、編碼、調(diào)制、信道傳輸、載波及位同步、解調(diào)、譯碼、幀同步的過程進行了完整建模。

根據(jù)幀格式，利用隨機數(shù)產(chǎn)生器為每幀產(chǎn)生96bit的數(shù)據(jù)，在其之前添加幀同步碼和功能識別碼，然后進行卷積編碼，添加載波同步段的固定數(shù)據(jù)后構(gòu)成的一個數(shù)據(jù)幀。以此作為輸入信號，送入仿真模型進行仿真。塔康系統(tǒng)典型的接收機靈敏度為-92dBm，此時接收通道的信噪比約為10dB，仿真過程中設(shè)置的高斯白噪聲信道的信噪比為10～18 dB，基本模擬了塔康系統(tǒng)信息傳輸?shù)碾姶怒h(huán)境。塔康系統(tǒng)的工作頻率為962～1213MHz，載波調(diào)制信號不便于直接進行仿真，只對10 MHz的中頻調(diào)制信號進行了仿真，采樣率為60 MHz。

圖8 仿真原理框圖

當信噪比為18 dB時，16QAM中頻調(diào)制信號的仿真波形如圖9所示，從圖中可以明顯看出，前5μs為數(shù)據(jù)幀中調(diào)制信息全部為0000的載波同步段。

圖9 中頻調(diào)制信號仿真圖

圖10為某型塔康信標真實信號的頻譜，圖11為16QAM調(diào)制數(shù)據(jù)脈沖的頻譜仿真圖，通過對比可以發(fā)現(xiàn)，擴展數(shù)據(jù)脈沖的頻譜與原塔康脈沖序列的頻譜具有極高的相似性(頻譜寬度基本一致，頻譜形狀基本相同)，說明本文設(shè)計的擴展數(shù)據(jù)脈沖基本不會影響塔康系統(tǒng)的頻譜特性，具有較好的頻譜兼容性。

圖10 塔康真實信號頻譜圖

圖11 擴展數(shù)據(jù)脈沖頻譜圖

針對窄數(shù)據(jù)脈沖的快速載波恢復問題，本文設(shè)計了COSTAS環(huán)與通用載波恢復環(huán)相結(jié)合的方案，載波同步仿真結(jié)果如圖12所示。從圖中可以看出，在數(shù)據(jù)格式規(guī)定的前10μs載波同步段內(nèi)完成了環(huán)路鎖定，實現(xiàn)了精確的頻率跟蹤。

圖12 載波同步仿真圖

圖13所示為數(shù)據(jù)脈沖解調(diào)后的星座圖，從圖中可以看出，星座分布清晰，解調(diào)效果較好。

圖13 解調(diào)后的星座圖

誤碼率是衡量一個通信系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵指標，本文對仿真過程中10～18 dB不同信噪比下的誤碼率進行了統(tǒng)計，每個信噪比統(tǒng)計了100個數(shù)據(jù)幀的誤碼率，如圖14所示。從圖中可以看出，整個信噪比區(qū)間內(nèi)，誤碼率基本都保持在10-4以下。而在實際工作中，塔康信號的強度很少達到靈敏度的極端情況，一般情況下信噪比都優(yōu)于15 dB，此時數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率在10-5以下，滿足一般無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率要求。

圖14 不同信噪比下的誤碼率統(tǒng)計

6 結(jié)語

本文根據(jù)塔康系統(tǒng)的信號格式特點，探索基于塔康信道的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)途徑，對數(shù)據(jù)脈沖的數(shù)據(jù)格式與調(diào)制方式進行了設(shè)計，并通過理論計算和仿真從信息速率、信號頻譜與誤碼率等方面對方案的可行性進行了驗證，對塔康系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶嵺`具有一定理論指導意義。本文只對16QAM一種調(diào)制方式在塔康數(shù)據(jù)脈沖中的應(yīng)用效果進行了仿真，取得了較好的效果，其它調(diào)制方式的效率與抗干擾性能還有待于進一步研究。