基于DSP+CPLD的塔康系統(tǒng)測(cè)距/測(cè)位實(shí)現(xiàn)

陜西凌云電器總公司 賴杰鵬

TACAN是1955年研制并投入裝備的近程無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)，為適應(yīng)艦載、移動(dòng)臺(tái)站而開發(fā)的戰(zhàn)術(shù)空中導(dǎo)航系統(tǒng)。

1.系統(tǒng)工作原理

其測(cè)位原理是機(jī)載設(shè)備接收地面信標(biāo)臺(tái)天線輻射特定的方位信號(hào)（其中包括基準(zhǔn)和包絡(luò)信號(hào)）后經(jīng)過(guò)處理，測(cè)量出基準(zhǔn)與包絡(luò)之間的相位差，并顯示，完成測(cè)位功能。

距離測(cè)量是根據(jù)二次雷達(dá)工作原理，機(jī)載設(shè)備以80～120Hz（搜索狀態(tài)）或20～30Hz（跟蹤狀態(tài)）速率發(fā)射詢問(wèn)脈沖對(duì)信號(hào)，地面信標(biāo)接收到詢問(wèn)脈沖信號(hào)后，經(jīng)過(guò)一個(gè)固定延遲，在向機(jī)載設(shè)備發(fā)射應(yīng)答脈沖對(duì)信號(hào)。機(jī)載設(shè)備接收到信標(biāo)發(fā)射信號(hào)后，經(jīng)過(guò)識(shí)別選擇出對(duì)自己的測(cè)距應(yīng)答脈沖，并測(cè)量出詢問(wèn)脈沖與應(yīng)答脈沖之間的時(shí)間間隔。利用這個(gè)間隔T，按下式換算出機(jī)載設(shè)備與信標(biāo)臺(tái)之間的實(shí)際距離D=1/2×C×(T-T0)，C為電波在空間的傳播速度，取為3×108m/s，T0為信標(biāo)臺(tái)的固定延時(shí)。公式計(jì)算考慮發(fā)射詢問(wèn)信號(hào)時(shí)和接收回答信號(hào)時(shí)飛機(jī)位置的變化，因?yàn)轱w機(jī)運(yùn)動(dòng)速度想對(duì)于無(wú)線電波的傳輸速度而巖是相當(dāng)緩慢的，在信號(hào)傳播的短時(shí)間內(nèi)飛機(jī)位置的變化對(duì)計(jì)算精度相比較是可以忽略不計(jì)的。

2.主要信號(hào)形式以及信號(hào)特性

TACAN視頻信號(hào)是地面信標(biāo)臺(tái)不斷通過(guò)天線向其周圍空間發(fā)射電磁波信號(hào)，經(jīng)機(jī)載設(shè)備接收并解調(diào)后輸出的塔康視頻信號(hào)，它由有一定規(guī)律的外包絡(luò)調(diào)制的數(shù)千個(gè)脈沖或脈沖對(duì)組成，內(nèi)含有相應(yīng)的方位和距離等信息。

TACAN視頻信號(hào)是由鐘形脈沖組成，脈沖應(yīng)為準(zhǔn)鐘形脈沖(高斯形)；脈沖上升時(shí)間：2.0±0.25μs；脈沖下降時(shí)間：不超過(guò)3.0μs；脈沖寬度：3.5±0.50μs。主要功能用作普通精度方位、距離的測(cè)量，工作狀態(tài)R或R/T，A/A-R或A/A-R/T，如圖1。

圖1

TACAN視頻信號(hào)的識(shí)別信息，視頻信號(hào)是由大約2700對(duì)脈沖對(duì)組成，其中包括主基準(zhǔn)脈沖群、輔基準(zhǔn)脈沖群、識(shí)別信號(hào)、距離應(yīng)答信號(hào)、隨機(jī)填充脈沖。編碼關(guān)系如表1所示。

3.測(cè)距的主要工作原理及過(guò)程

3.1 噪聲過(guò)濾控制過(guò)程

先對(duì)采樣到的1V以上視頻脈沖計(jì)數(shù)，如超過(guò)6000個(gè)/秒，即輸出噪音電平信號(hào)到噪音AGC控制，使視頻信號(hào)中噪聲幅度小于1V;同時(shí)通過(guò)脈寬鑒別電路，識(shí)別視頻信號(hào)脈沖寬度，過(guò)濾掉小于1.6μs、大于6.4μs的脈沖，即噪聲和強(qiáng)干擾，輸出經(jīng)50%脈沖幅度檢波的矩形脈沖進(jìn)行譯碼。

圖2 硬件原理框圖

3.2 脈沖對(duì)譯碼過(guò)程

當(dāng)CPLD沖后，首先將計(jì)時(shí)值存入緩沖內(nèi)存，如在T/R-X狀態(tài)時(shí)，判斷其與前面已存入的一個(gè)脈沖間隔時(shí)間是否為12±0.5μs，如“是”則認(rèn)為是一對(duì)編碼脈沖，即將前一脈沖時(shí)間值計(jì)入已譯碼脈沖內(nèi)存有待進(jìn)一步處理并將緩沖內(nèi)容清零，同時(shí)輸出一譯碼選通標(biāo)記脈沖。如與前一脈沖間隔時(shí)間無(wú)任何關(guān)系或無(wú)前一脈沖，則可認(rèn)為該脈沖為第一脈沖，可將計(jì)時(shí)值存入緩沖內(nèi)存待用。在A/A-X狀態(tài)時(shí)，收到的脈沖為單脈沖信號(hào)，可直接計(jì)入譯碼脈沖內(nèi)存有待處理。

3.3 信號(hào)分類識(shí)別方法

在R/T-X工作模式，CPLD有4類，一是隨機(jī)填充脈沖，只起填充視頻外包絡(luò)的作用，在此無(wú)任何意義，每秒2700對(duì)左右，占總數(shù)的74%，二是主、輔基準(zhǔn)脈沖群，每秒135組900對(duì)占總數(shù)的24%。三是距離回答脈沖，每秒25～100對(duì)，占總數(shù)的2%，四是有規(guī)律的識(shí)別信號(hào)脈沖，此時(shí)無(wú)隨機(jī)及回答脈沖。

表1 塔康視頻信號(hào)識(shí)別信息

主基準(zhǔn)脈沖群：按同樣對(duì)待相鄰脈沖的方法對(duì)譯碼脈沖內(nèi)存的脈沖計(jì)時(shí)值，進(jìn)行判斷，如T/R-X狀態(tài)時(shí)，主基準(zhǔn)脈沖群規(guī)律為12對(duì)12μs編碼脈沖對(duì)，間隔30μs，如果收到一組脈沖發(fā)現(xiàn)間隔30±0.5μs且編碼為12±0.5μs的脈沖對(duì)多于8對(duì)即可認(rèn)定是主基準(zhǔn)群，當(dāng)然，為避免干擾，可與前一主基準(zhǔn)群進(jìn)行比較，判斷是否是主基準(zhǔn)群，然后輸出譯碼選通標(biāo)記脈沖并開始主基準(zhǔn)計(jì)時(shí)，同時(shí)與通過(guò)信號(hào)處理識(shí)別出的15Hz可變方位信號(hào)正斜率拐點(diǎn)的選通標(biāo)記脈沖定時(shí)點(diǎn)比較，輸出16位計(jì)時(shí)值即方位數(shù)據(jù)。

輔基準(zhǔn)脈沖群：同樣，T/R-X狀態(tài)時(shí)，輔基準(zhǔn)群為間隔24μs編碼12μs的6對(duì)脈沖群，如連續(xù)收到4對(duì)具有該規(guī)律的信號(hào)脈沖，可認(rèn)定是輔基準(zhǔn)群而發(fā)出輔基準(zhǔn)定位信號(hào)。識(shí)別信號(hào)：將收到的每一組信號(hào)變?yōu)橐粋€(gè)單脈沖，主、輔基準(zhǔn)群也各化為一個(gè)單脈沖進(jìn)入內(nèi)存，每25ms判斷一次，看是否有間隔100±10μs的脈沖對(duì)在25ms內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)25次(極限35次)或斷續(xù)出現(xiàn)25次，如有即認(rèn)為是有效識(shí)別信號(hào)并發(fā)出1350Hz識(shí)別信號(hào)經(jīng)過(guò)隔離放大輸出，直到某一25ms區(qū)間無(wú)該規(guī)律信號(hào)出現(xiàn)為止，按莫爾斯碼的規(guī)律，點(diǎn)長(zhǎng)信號(hào)125±12.5ms，劃長(zhǎng)信號(hào)375±37.5ms，在最壞情況下，點(diǎn)長(zhǎng)信號(hào)可在4個(gè)25ms區(qū)間識(shí)別到，劃長(zhǎng)信號(hào)可在14個(gè)25ms區(qū)間識(shí)別到，采樣判斷區(qū)間滿足正常使用要求，同時(shí)可判斷輸出臺(tái)址碼。

回答信號(hào)：對(duì)于回答信號(hào)的識(shí)別比較復(fù)雜一些，可分為“搜索”、“跟蹤”、“記憶”三種情況。DSP根據(jù)距離(“搜索”、“跟蹤”、“記憶”)的工作狀態(tài)，定時(shí)按數(shù)學(xué)規(guī)律給CPLD時(shí)計(jì)數(shù)值進(jìn)行延時(shí)。先送一按偽隨機(jī)序列碼延時(shí)的計(jì)數(shù)值到16位比較寄存器，時(shí)間到后，開始發(fā)射導(dǎo)前封閉脈沖(6.5μs)，復(fù)位計(jì)數(shù)頻率10MHz的16位高速計(jì)數(shù)器(高速計(jì)數(shù)器的精度為±0.1μS，相當(dāng)于距離±15米)，同時(shí)將該信號(hào)經(jīng)緩沖輸出去封閉接收分機(jī)、視頻通道及外部其它設(shè)備等；1.5μs后生成脈寬3μs的詢問(wèn)脈沖，第二個(gè)導(dǎo)前封閉脈沖同樣生成第二詢問(wèn)脈沖，即詢問(wèn)脈沖對(duì)。當(dāng)有外界封閉信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，詢問(wèn)脈沖不發(fā)射輸出，起到一保護(hù)作用。如正常，高速計(jì)數(shù)器即同時(shí)開始有效計(jì)數(shù)，將固定延時(shí)過(guò)后的500km路程中即3300μs時(shí)間均分為10μs間隔的區(qū)間，16位內(nèi)存內(nèi)的每一個(gè)字區(qū)間表示為1.5km的距離，將在這一3300μs時(shí)間內(nèi)收到的所有隨機(jī)脈沖按其收到的時(shí)間計(jì)數(shù)值存入內(nèi)存，在“搜索”狀態(tài)，設(shè)備每秒發(fā)射100對(duì)詢問(wèn)脈沖，按70%的概率計(jì)算，應(yīng)能收到70對(duì)脈沖，即0.1s應(yīng)收到7對(duì)脈沖，連續(xù)搜索0.1s，收到的回答脈沖在某相鄰的二區(qū)間內(nèi)可達(dá)到6～8對(duì)，而其它區(qū)間在0.1s內(nèi)進(jìn)入的總脈沖對(duì)數(shù)最壞情況下為370對(duì)，平均到每個(gè)區(qū)間僅為1.1對(duì)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于距離回答脈沖在該區(qū)間出現(xiàn)的個(gè)數(shù)，轉(zhuǎn)入“跟蹤”狀態(tài)后，設(shè)備每秒發(fā)25對(duì)詢問(wèn)脈沖，按70%概率計(jì)算，每秒應(yīng)收到17.5對(duì)回答脈沖，如飛機(jī)相對(duì)于地面速率為±2km/s，則最差的情況時(shí)，連續(xù)有6對(duì)脈沖未收到，第7對(duì)脈沖收到時(shí)，飛機(jī)已飛越560m，相當(dāng)于4μs時(shí)間，所以設(shè)定跟蹤區(qū)間為±1km，足以滿足動(dòng)態(tài)范圍需要，丟失信號(hào)即“記憶”后8s范圍內(nèi)，可按地速±2km/s逐步擴(kuò)大搜索范圍，而顯示值則按原值加當(dāng)時(shí)速率值繼續(xù)輸出，直到抓住新值。如4s時(shí)△t=±8km，8s時(shí)△t=±16km，在△t范圍內(nèi)的任何一點(diǎn)如連續(xù)收到3組脈沖，即可認(rèn)定重新抓住了信號(hào)，可鎖定后繼續(xù)“跟蹤”，否則過(guò)15s，即轉(zhuǎn)入“搜索”，按原方法重新搜索信號(hào)。

在A/A-X狀態(tài)，設(shè)備除發(fā)出詢問(wèn)脈沖并等待回答信號(hào)外還接收其它設(shè)備發(fā)出的詢問(wèn)脈沖，經(jīng)譯碼識(shí)別確認(rèn)后驅(qū)動(dòng)總延時(shí)為T0=50μs固定延時(shí)電路延時(shí)后，形成3μs回答脈沖送至發(fā)射分機(jī)電路，當(dāng)有外界封閉信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，發(fā)射脈沖不輸出，起到一保護(hù)作用。為保護(hù)發(fā)射分機(jī)不因發(fā)射脈沖太多而燒毀，應(yīng)控制到發(fā)射分機(jī)的詢問(wèn)脈沖和回答脈沖發(fā)射數(shù)量，不超過(guò)600個(gè)。

4.硬件電路方案

本項(xiàng)目硬件電路部分主要是采用大容量的CPLD+DSP數(shù)字信號(hào)處理相結(jié)合，硬件電路設(shè)計(jì)主要包括信號(hào)預(yù)處理電路、CPLD電路、DSP處理電路等各部分電路之間的接口設(shè)計(jì)以及電源電路等部分。硬件電路為軟件處理模塊提供輸入數(shù)據(jù)和處理資源，并在軟件的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下完成數(shù)字信號(hào)處理。硬件原理框圖如圖2所示。

5.結(jié)束語(yǔ)

提出了一種利用DSP和CPLD相結(jié)合的方式來(lái)完成塔康系統(tǒng)的測(cè)距、側(cè)位功能，利用數(shù)字信號(hào)處理和可編程邏輯器件來(lái)合理分配所需完成的功能。使得設(shè)備可靠性增強(qiáng)、功能模塊清晰。實(shí)際表明該方法有效可行。

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