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

王 鼎，欒寶寬，王傳剛，董茂林

(海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，山東 青島 266041)

1 引言

塔康是戰(zhàn)術(shù)空中導(dǎo)航(Tactical Air Navigation)英文縮寫TACAN的音譯名稱，是一種航空近程無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)，它是美軍和北約的標(biāo)準(zhǔn)軍用導(dǎo)航系統(tǒng)[1]。該系統(tǒng)采用極坐標(biāo)定位原理，基本構(gòu)成包括地面信標(biāo)和機(jī)載設(shè)備，機(jī)載設(shè)備通過(guò)對(duì)地面信標(biāo)進(jìn)行測(cè)向、測(cè)距和臺(tái)識(shí)別實(shí)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(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)狞S金頻段。結(jié)合塔康系統(tǒng)的信號(hào)特點(diǎn)，在不影響其測(cè)角和測(cè)距功能的前提下，通過(guò)插入數(shù)據(jù)脈沖的方式實(shí)現(xiàn)塔康信標(biāo)與機(jī)載設(shè)備之間的雙向數(shù)據(jù)通信，對(duì)現(xiàn)有對(duì)空通信手段進(jìn)行有效補(bǔ)充，提高對(duì)空通信的可靠性，同時(shí)提高頻譜資源利用率。

2 可行性分析

塔康地面信標(biāo)發(fā)射的信號(hào)是射頻高斯鐘形脈沖序列填充下的15Hz、135Hz復(fù)合包絡(luò)調(diào)幅信號(hào)[2]，如圖1所示。脈沖序列按優(yōu)先級(jí)包括測(cè)向主輔基準(zhǔn)群脈沖、識(shí)別和平衡脈沖、測(cè)距應(yīng)答脈沖與隨機(jī)填充脈沖等，而調(diào)幅是通過(guò)調(diào)幅饋電式電掃天線實(shí)現(xiàn)的，這樣每個(gè)方位接收信號(hào)的電相位與地理方位之間有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

圖1 塔康信標(biāo)發(fā)射信號(hào)波形示意圖

機(jī)載設(shè)備接收地面信標(biāo)發(fā)射的信號(hào)，通過(guò)比較信號(hào)15Hz包絡(luò)正斜率過(guò)零點(diǎn)與主基準(zhǔn)的相位差(粗測(cè))、135Hz包絡(luò)正斜率過(guò)零點(diǎn)與輔基準(zhǔn)的相位差(精測(cè))計(jì)算飛機(jī)的信標(biāo)方位角。同時(shí)，機(jī)載設(shè)備發(fā)射測(cè)角詢問(wèn)脈沖，地面信標(biāo)接收到詢問(wèn)脈沖之后發(fā)出應(yīng)答脈沖，機(jī)載設(shè)備利用二次雷達(dá)原理計(jì)算飛機(jī)與信標(biāo)之間的斜距。

通過(guò)在塔康信標(biāo)與機(jī)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(shí)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(cè)向、測(cè)距與臺(tái)識(shí)別功能及信號(hào)的頻譜特性為前提。

2.1 塔康系統(tǒng)信號(hào)占空比分析

通過(guò)對(duì)塔康系統(tǒng)工作原理和信號(hào)格式的分析，以X模式塔康信標(biāo)每個(gè)主基準(zhǔn)群占用時(shí)間tZ為350μs，每個(gè)輔基準(zhǔn)群占用時(shí)間tF為140μs，每個(gè)高斯脈沖對(duì)占用時(shí)間tD約為20μs。1s時(shí)間內(nèi)，塔康信標(biāo)共發(fā)射15個(gè)主基準(zhǔn)群、120個(gè)輔基準(zhǔn)群及2700個(gè)測(cè)距應(yīng)答或隨機(jī)填充脈沖對(duì)。利用式(1)可以計(jì)算塔康信標(biāo)在應(yīng)答狀態(tài)發(fā)射信號(hào)的占空比D1約為7.6%。

(1)

塔康機(jī)載設(shè)備在測(cè)距時(shí)分兩種狀態(tài)，即搜索狀態(tài)和跟蹤狀態(tài)，搜索時(shí)每秒發(fā)射150個(gè)詢問(wèn)脈沖對(duì)，跟蹤時(shí)每秒發(fā)射30個(gè)詢問(wèn)脈沖對(duì)，通過(guò)計(jì)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(jì)算可見(jiàn)，塔康系統(tǒng)的占空比是很低的，有大量的空閑時(shí)隙可用于擴(kuò)展數(shù)據(jù)脈沖的發(fā)送。需要說(shuō)明的是，由于塔康信標(biāo)的識(shí)別信號(hào)每30s左右發(fā)射一次，并且可以通過(guò)擴(kuò)展的數(shù)據(jù)脈沖進(jìn)行傳送，因此在計(jì)算中進(jìn)行了忽略，且2.2節(jié)中對(duì)回答概率的計(jì)算也作了同樣處理。

2.2 對(duì)系統(tǒng)測(cè)距回答概率的影響分析

塔康系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)距時(shí)，地面信標(biāo)并不能對(duì)所有的機(jī)載詢問(wèn)信號(hào)進(jìn)行應(yīng)答。首先，地面信標(biāo)在發(fā)射主、輔基準(zhǔn)群期間無(wú)法對(duì)測(cè)距詢問(wèn)進(jìn)行應(yīng)答；信標(biāo)接收機(jī)每輸出一個(gè)脈沖對(duì)就要封閉接收機(jī)一段時(shí)間；同時(shí)，信標(biāo)發(fā)射脈沖時(shí)也會(huì)封閉接收機(jī)。地面信標(biāo)發(fā)射主、輔基準(zhǔn)群是對(duì)接收機(jī)的封閉時(shí)間τZ、τF分別為450μs、240μs。信標(biāo)每發(fā)射一個(gè)測(cè)距應(yīng)答或隨機(jī)填充脈沖對(duì)時(shí)對(duì)接收機(jī)封閉時(shí)間τD為60μs。

假設(shè)，某架飛機(jī)每秒的詢問(wèn)次數(shù)為N，地面信標(biāo)對(duì)其回答概率為P，信標(biāo)每秒發(fā)射2700個(gè)脈沖對(duì)中只有NP個(gè)是對(duì)該飛機(jī)的應(yīng)答信號(hào)，其它脈沖對(duì)都會(huì)對(duì)該機(jī)詢問(wèn)形成封閉。那么，每秒內(nèi)信標(biāo)可以接收該機(jī)測(cè)距詢問(wèn)脈沖對(duì)的時(shí)間T可用(2)式表示

T=106-15τZ-120τF-(2700-NP)τD

(2)

同時(shí)，還有T=106P，結(jié)合(2)式，可得

(3)

飛機(jī)處于測(cè)距搜索狀態(tài)時(shí)，每秒詢問(wèn)次數(shù)為150，通過(guò)計(jì)算可得地面信標(biāo)對(duì)其回答概率為80.97%；處于跟蹤狀態(tài)時(shí)，每秒詢問(wèn)次數(shù)為30，信標(biāo)對(duì)其回答概率為80.39%。

機(jī)載設(shè)備的測(cè)距詢問(wèn)脈沖是隨機(jī)發(fā)出的，對(duì)應(yīng)的塔康信標(biāo)應(yīng)答脈沖的位置也是隨機(jī)的，因此擴(kuò)展數(shù)據(jù)脈沖功能后將增加塔康信標(biāo)的接收機(jī)封閉時(shí)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(huì)影響系統(tǒng)的測(cè)距功能。假設(shè)每秒內(nèi)發(fā)射擴(kuò)展數(shù)據(jù)脈沖的時(shí)間為τ，那么地面信標(biāo)的回答概率PC應(yīng)為(4)式所示。

(4)

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

每秒數(shù)傳時(shí)間τ在編碼格式中說(shuō)明。

2.3 對(duì)系統(tǒng)測(cè)向精度的影響分析

根據(jù)塔康系統(tǒng)的測(cè)角原理，塔康信標(biāo)發(fā)射的脈沖序列中，主、輔基準(zhǔn)群脈沖主要用于提供測(cè)角的基準(zhǔn)。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(zhǔn)群脈沖群出現(xiàn)的位置重疊，就不會(huì)影響塔康系統(tǒng)測(cè)向功能的基準(zhǔn)。同時(shí)由于主、輔基準(zhǔn)群脈沖群出現(xiàn)的位置相對(duì)比較固定，因此便于擴(kuò)展數(shù)據(jù)脈沖的加入和識(shí)別。

隨機(jī)填充脈沖的作用是使脈沖序列的包絡(luò)較為光滑，保證測(cè)角調(diào)幅信號(hào)的精度。加入的擴(kuò)展數(shù)據(jù)脈沖將占據(jù)部分隨機(jī)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(hào)的包絡(luò)。因此，擴(kuò)展數(shù)據(jù)脈沖對(duì)信號(hào)包絡(luò)的影響可以忽略不計(jì)。

2.4 數(shù)據(jù)容量的計(jì)算

塔康地面信標(biāo)典型的接收機(jī)靈敏度為-92dBm，此時(shí)接收通道的信噪比約為10dB。塔康信號(hào)的90%功率帶寬為0.8MHz，因此擴(kuò)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(jì)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(jì)

3.1 擴(kuò)展數(shù)據(jù)脈沖的方式

為實(shí)現(xiàn)塔康系統(tǒng)雙向數(shù)據(jù)通信功能，在地面信標(biāo)和機(jī)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(biāo)原脈沖序列中每秒包含15個(gè)主基準(zhǔn)群，選定前10個(gè)主基準(zhǔn)群，在每個(gè)主基準(zhǔn)群最后一個(gè)高斯脈沖之后計(jì)時(shí)100μs后增加一個(gè)100μs的矩形脈沖作為數(shù)據(jù)幀。

與測(cè)距回答概率類似，機(jī)載設(shè)備發(fā)射的數(shù)據(jù)脈沖被地面信標(biāo)有效接收同樣存在概率問(wèn)題。按塔康系統(tǒng)最低70%的回答概率的要求計(jì)算，機(jī)載設(shè)備每秒發(fā)射2次數(shù)據(jù)脈沖，地面信標(biāo)的接收概率為91%；每秒發(fā)射10次，接收概率為99.9994%。機(jī)載設(shè)備每秒發(fā)射的測(cè)距詢問(wèn)脈沖對(duì)為30個(gè)或150個(gè)，選定前10個(gè)詢問(wèn)脈沖對(duì)，在每個(gè)脈沖對(duì)第二脈沖之后計(jì)時(shí)100μs后增加一個(gè)100μs的矩形脈沖作為數(shù)據(jù)幀。為保證地面信標(biāo)較高的數(shù)據(jù)接收概率，機(jī)載設(shè)備1s時(shí)間內(nèi)發(fā)射的10個(gè)數(shù)據(jù)幀包含相同的數(shù)據(jù)信息。

(6)

經(jīng)計(jì)算，擴(kuò)展數(shù)據(jù)脈沖后，飛機(jī)處于測(cè)距搜索和跟蹤狀態(tài)時(shí)，地面信標(biāo)的測(cè)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(kuò)展數(shù)據(jù)脈沖只在1s內(nèi)的特定時(shí)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(kuò)展數(shù)據(jù)脈沖的總時(shí)間長(zhǎng)度τ為1000μs，根據(jù)式(7)計(jì)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(shí)現(xiàn)塔康系統(tǒng)雙向數(shù)據(jù)通信功能，要對(duì)原地面信標(biāo)和機(jī)載設(shè)備的信號(hào)產(chǎn)生與接收的處理過(guò)程進(jìn)行改進(jìn)，其中地面信標(biāo)擴(kuò)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(biāo)擴(kuò)展數(shù)據(jù)通信功能原理框圖

地面信標(biāo)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?hào)編碼單元發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求，同時(shí)接收主基準(zhǔn)同步信息，對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行編碼組幀。導(dǎo)航信息編碼單元進(jìn)行方位信號(hào)和測(cè)距應(yīng)答信號(hào)編碼，形成鐘形脈沖序列，并產(chǎn)生控制信號(hào)送往視頻選擇，使輸入信號(hào)按主基準(zhǔn)群、輔基準(zhǔn)群、識(shí)別碼、測(cè)距應(yīng)答、編碼數(shù)據(jù)與隨機(jī)填充優(yōu)先順序輸出，并控制導(dǎo)航脈沖序列與編碼數(shù)據(jù)在激勵(lì)器單元分別進(jìn)行脈沖調(diào)制與數(shù)據(jù)調(diào)制。已調(diào)射頻信號(hào)經(jīng)功放單元進(jìn)行功率放大合成之后送往天線輻射出去。同時(shí)，激勵(lì)器單元中的頻率合成器還為信標(biāo)的接收部分提供本振信號(hào)。

地面信標(biāo)接收到的信號(hào)包含機(jī)載發(fā)射的測(cè)距詢問(wèn)信號(hào)和數(shù)據(jù)脈沖信號(hào)，接收到的信號(hào)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(cè)距脈沖解調(diào)單元，經(jīng)下變頻、對(duì)數(shù)中放、檢波和譯碼后得到測(cè)距詢問(wèn)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(dǎo)航信號(hào)編碼單元；另一路送到數(shù)據(jù)脈沖解調(diào)單元，在測(cè)距譯碼脈沖同步下對(duì)數(shù)據(jù)脈沖進(jìn)行解調(diào)譯碼，經(jīng)數(shù)據(jù)接口送往顯示設(shè)備。

機(jī)載設(shè)備擴(kuò)展數(shù)據(jù)通信功能的工作原理如圖3所示。機(jī)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(cè)距詢問(wèn)編碼單元發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求，同時(shí)接收測(cè)距詢問(wèn)同步信息，對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行編碼組幀。測(cè)距詢問(wèn)編碼單元進(jìn)行測(cè)距詢問(wèn)信號(hào)編碼，形成鐘形脈沖對(duì)，并產(chǎn)生控制信號(hào)送往視頻選擇，控制測(cè)距詢問(wèn)脈沖對(duì)與編碼數(shù)據(jù)在激勵(lì)器單元分別進(jìn)行脈沖調(diào)制與數(shù)據(jù)調(diào)制。已調(diào)射頻信號(hào)經(jīng)功放單元進(jìn)行功率放大合成之后送往天線進(jìn)行15Hz與135Hz復(fù)合包絡(luò)調(diào)幅并輻射出去。同時(shí)，激勵(lì)器單元中的頻率合成器還為接收部分提供本振信號(hào)。

圖3 機(jī)載設(shè)備擴(kuò)展數(shù)據(jù)通信功能原理框圖

機(jī)載設(shè)備接收到的信號(hào)包含地面信標(biāo)發(fā)射的方位信號(hào)、測(cè)距應(yīng)答信號(hào)與數(shù)據(jù)脈沖信號(hào)，接收到的信號(hào)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(dǎo)航信息處理單元，通過(guò)檢波得到15Hz與135Hz復(fù)合包絡(luò)信號(hào)，通過(guò)譯碼得到主基準(zhǔn)、輔基準(zhǔn)、測(cè)距應(yīng)答與識(shí)別，計(jì)算得到距離和方位信息進(jìn)行顯示，同時(shí)產(chǎn)生識(shí)別音頻去驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，并為數(shù)據(jù)脈沖處理單元提供主基準(zhǔn)同步信號(hào)；另一路，經(jīng)下變頻送到數(shù)據(jù)脈沖處理單元，在主基準(zhǔn)同步下進(jìn)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(biāo)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)以廣播的形式進(jìn)行，機(jī)載設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式。為提高數(shù)據(jù)傳輸速率，同時(shí)滿足塔康系統(tǒng)的頻譜要求，擴(kuò)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(gè)擴(kuò)展數(shù)據(jù)脈沖作為一個(gè)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(shí)別碼。幀同步碼采用5位巴克碼，功能識(shí)別碼也為5位二進(jìn)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(shí)別碼便于地面信標(biāo)和機(jī)載設(shè)備對(duì)接收信息的內(nèi)容進(jìn)行識(shí)別，進(jìn)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?，?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行(2，1，7)卷積編碼，那么，每幀的幀同步碼、功能識(shí)別碼與數(shù)據(jù)的比特?cái)?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(hào)率為比特率的四分之一，因此每幀的幀同步碼、功能識(shí)別碼與數(shù)據(jù)的符號(hào)數(shù)分別為3、3與48。擴(kuò)展數(shù)據(jù)脈沖的幀格式如圖4所示。

載波同步段的長(zhǎng)度為6個(gè)符號(hào)，其中前3個(gè)符號(hào)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(gè)符號(hào)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(fù)環(huán)恢復(fù)載波相位和符號(hào)同步，產(chǎn)生同步脈沖。

圖4 擴(kuò)展數(shù)據(jù)脈沖的幀格式示意圖

綜上，塔康系統(tǒng)擴(kuò)展數(shù)據(jù)脈沖后，每秒發(fā)送10個(gè)數(shù)據(jù)幀，發(fā)送的總符號(hào)數(shù)為600，對(duì)應(yīng)的總比特?cái)?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(kuò)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(guò)卷積編碼的二進(jìn)制數(shù)據(jù)通過(guò)串/并轉(zhuǎn)換單元，進(jìn)入2/4電平變換模塊產(chǎn)生±1V和±3V四種電平的信號(hào)，分別調(diào)制到兩個(gè)頻率相同的正交載波上，然后疊加為一路信號(hào)輸出。

圖5 16QAM調(diào)制原理框圖

4.3 數(shù)據(jù)解調(diào)原理

對(duì)機(jī)載設(shè)備而言，地面信標(biāo)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(gè)15Hz與135Hz復(fù)合調(diào)幅信號(hào)，顯然不利于16QAM調(diào)制的數(shù)據(jù)脈沖信號(hào)的解調(diào)。為減小包絡(luò)調(diào)制對(duì)數(shù)據(jù)恢復(fù)的影響，提高解調(diào)性能，必須對(duì)信號(hào)進(jìn)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(hào)首先進(jìn)行幅度均衡，以信號(hào)包絡(luò)的當(dāng)前值作為判據(jù)，將進(jìn)入數(shù)據(jù)處理單元的信號(hào)幅度增益調(diào)整至90%全幅值。經(jīng)過(guò)幅度均衡的信號(hào)進(jìn)行幅度判決，同時(shí)進(jìn)行載波恢復(fù)。為實(shí)現(xiàn)窄數(shù)據(jù)脈沖的快速載波恢復(fù)，載波同步模塊由COSTAS環(huán)與通用載波恢復(fù)環(huán)兩個(gè)環(huán)路構(gòu)成。而兩個(gè)環(huán)路的切換是利用一個(gè)計(jì)時(shí)器實(shí)現(xiàn)的，如圖7所示。當(dāng)信號(hào)的幅度超過(guò)半幅點(diǎn)時(shí)，幅度判決的標(biāo)志位變?yōu)?，此時(shí)計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)滿5μs時(shí)將開關(guān)切換至符號(hào)同步，從而進(jìn)入通用載波恢復(fù)環(huán)；當(dāng)信號(hào)的幅度小于半幅點(diǎn)時(shí)，標(biāo)志位變?yōu)?，開關(guān)切換至COSTAS環(huán)，等待下一個(gè)數(shù)據(jù)脈沖的到來(lái)。

圖7 計(jì)時(shí)器工作流程示意圖

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

5 仿真驗(yàn)證

為評(píng)估本文設(shè)計(jì)的塔康雙向數(shù)據(jù)傳輸方案的可行性與性能，對(duì)方案中采用的調(diào)制解調(diào)方式進(jìn)行了建模和仿真。仿真原理框圖如圖8所示，對(duì)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(guò)程進(jìn)行了完整建模。

根據(jù)幀格式，利用隨機(jī)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(shí)別碼，然后進(jìn)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(gè)數(shù)據(jù)幀。以此作為輸入信號(hào)，送入仿真模型進(jìn)行仿真。塔康系統(tǒng)典型的接收機(jī)靈敏度為-92dBm，此時(shí)接收通道的信噪比約為10dB，仿真過(guò)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(hào)不便于直接進(jìn)行仿真，只對(duì)10 MHz的中頻調(diào)制信號(hào)進(jìn)行了仿真，采樣率為60 MHz。

圖8 仿真原理框圖

當(dāng)信噪比為18 dB時(shí)，16QAM中頻調(diào)制信號(hào)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(hào)仿真圖

圖10為某型塔康信標(biāo)真實(shí)信號(hào)的頻譜，圖11為16QAM調(diào)制數(shù)據(jù)脈沖的頻譜仿真圖，通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)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(shuō)明本文設(shè)計(jì)的擴(kuò)展數(shù)據(jù)脈沖基本不會(huì)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(shí)信號(hào)頻譜圖

圖11 擴(kuò)展數(shù)據(jù)脈沖頻譜圖

針對(duì)窄數(shù)據(jù)脈沖的快速載波恢復(fù)問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了COSTAS環(huán)與通用載波恢復(fù)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(shí)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(gè)通信系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵指標(biāo)，本文對(duì)仿真過(guò)程中10～18 dB不同信噪比下的誤碼率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，每個(gè)信噪比統(tǒng)計(jì)了100個(gè)數(shù)據(jù)幀的誤碼率，如圖14所示。從圖中可以看出，整個(gè)信噪比區(qū)間內(nèi)，誤碼率基本都保持在10-4以下。而在實(shí)際工作中，塔康信號(hào)的強(qiáng)度很少達(dá)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(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率在10-5以下，滿足一般無(wú)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(jì)

6 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)塔康系統(tǒng)的信號(hào)格式特點(diǎn)，探索基于塔康信道的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)途徑，對(duì)數(shù)據(jù)脈沖的數(shù)據(jù)格式與調(diào)制方式進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并通過(guò)理論計(jì)算和仿真從信息速率、信號(hào)頻譜與誤碼率等方面對(duì)方案的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)塔康系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)踐具有一定理論指導(dǎo)意義。本文只對(duì)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(jìn)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(jìn)一步研究。