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據采樣量化等因素，模擬器輸出端信號的ECD 值與理論值會產生一定偏差。硬件設備中元器件繁多，逐個分析比較麻煩，因此，應著重分析數據量化部分，得出結論后通過整體分析及數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 信號數據采集時，為了充分利用數模轉換器的分辨率，提高輸出信號的精度，需要將采集的數據進行量化，由于數模轉換器轉換的數據信息為二進制編碼，因此，量化后的數據并不能完全代表原始信號中的信息，相對原始標準數據會產生一定的偏差，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，量化后的數據已經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據

圖2 量化后數據

1.2 羅蘭-C 信號量化誤差

量化誤差在幅度較小的采樣數據中影響很大，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 前三周數據量化誤差如圖3所示，圖4 所示為設計信號每個采樣數據的量化誤差，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生誤差，這將會導致輸出的羅蘭-C 信號包周差產生變化。

圖3 羅蘭-C 前三周數據量化誤差

圖4 羅蘭-C 各采樣數據量化誤差

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，經過D/A 轉換成模擬量輸出，但是由于量化后采樣數據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

由數據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 導航系統要求導航臺發射信號波形前沿與標準函數的幅度偏差不超過±4%，前沿的幅度不穩定性不超過1%。脈沖—相位測距差系統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）的比值有著嚴格規定：

實驗證明，采用標準數據生成的羅蘭-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，已經不能采用包周差為零的標準數據模型了。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 信號數據的影響，仿真出每個采樣點數據的誤差，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。最后根據接收機對信號的要求，通過整體分析和數字補償的方法，給出了對應的最優包周差值。

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

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