塔康系統數據傳輸技術方案設計與仿真

王 鼎，欒寶寬，王傳剛，董茂林

(海軍航空大學青島校區，山東 青島 266041)

1 引言

塔康是戰術空中導航(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，它是美軍和北約的標準軍用導航系統[1]。該系統采用極坐標定位原理，基本構成包括地面信標和機載設備，機載設備通過對地面信標進行測向、測距和臺識別實現定位功能。塔康系統工作于L波段(962～1213MHz，頻率間隔1MHz)，該頻段為無線數據傳輸的黃金頻段。結合塔康系統的信號特點，在不影響其測角和測距功能的前提下，通過插入數據脈沖的方式實現塔康信標與機載設備之間的雙向數據通信，對現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復合包絡調幅信號[2]，如圖1所示。脈沖序列按優先級包括測向主輔基準群脈沖、識別和平衡脈沖、測距應答脈沖與隨機填充脈沖等，而調幅是通過調幅饋電式電掃天線實現的，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的關系。

圖1 塔康信標發射信號波形示意圖

機載設備接收地面信標發射的信號，通過比較信號15Hz包絡正斜率過零點與主基準的相位差(粗測)、135Hz包絡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，機載設備發射測角詢問脈沖，地面信標接收到詢問脈沖之后發出應答脈沖，機載設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備發射的編碼脈沖中插入數據脈沖的方法實現雙向數據傳輸功能，必須以不影響塔康系統的測向、測距與臺識別功能及信號的頻譜特性為前提。

2.1 塔康系統信號占空比分析

通過對塔康系統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，塔康信標共發射15個主基準群、120個輔基準群及2700個測距應答或隨機填充脈沖對。利用式(1)可以計算塔康信標在應答狀態發射信號的占空比D1約為7.6%。

(1)

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

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

2.2 對系統測距回答概率的影響分析

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

假設，某架飛機每秒的詢問次數為N，地面信標對其回答概率為P，信標每秒發射2700個脈沖對中只有NP個是對該飛機的應答信號，其它脈沖對都會對該機詢問形成封閉。那么，每秒內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，結合(2)式，可得

(3)

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

機載設備的測距詢問脈沖是隨機發出的，對應的塔康信標應答脈沖的位置也是隨機的，因此擴展數據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%，就不會影響系統的測距功能。假設每秒內發射擴展數據脈沖的時間為τ，那么地面信標的回答概率PC應為(4)式所示。

(4)

當回答概率降為70%時，利用(4)式計算搜索狀態和跟蹤狀態信標每秒可用于數據傳輸的時間τ分別為108750μs和103710μs。

每秒數傳時間τ在編碼格式中說明。

2.3 對系統測向精度的影響分析

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

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

2.4 數據容量的計算

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，因此擴展數據脈沖的頻譜寬度也應該不大于0.8MHz。根據香農公式，可以計算塔康信道可以傳輸的最大信息速率C為2.7675Mbps。

(5)

3 方案設計

3.1 擴展數據脈沖的方式

為實現塔康系統雙向數據通信功能，在地面信標和機載設備脈沖序列中加入特定編碼調制的矩形數據脈沖。

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的矩形脈沖作為數據幀。

與測距回答概率類似，機載設備發射的數據脈沖被地面信標有效接收同樣存在概率問題。按塔康系統最低70%的回答概率的要求計算，機載設備每秒發射2次數據脈沖，地面信標的接收概率為91%；每秒發射10次，接收概率為99.9994%。機載設備每秒發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的矩形脈沖作為數據幀。為保證地面信標較高的數據接收概率，機載設備1s時間內發射的10個數據幀包含相同的數據信息。

(6)

經計算，擴展數據脈沖后，飛機處于測距搜索和跟蹤狀態時，地面信標的測距回答概率分別約為80.71%和80.13%，滿足塔康系統不小于70%的回答概率要求。

但由于擴展數據脈沖只在1s內的特定時隙τ發送，因此數據傳輸的最大信息速率C′應為

(7)

1s內發送擴展數據脈沖的總時間長度τ為1000μs，根據式(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

為實現塔康系統雙向數據通信功能，要對原地面信標和機載設備的信號產生與接收的處理過程進行改進，其中地面信標擴展數據通信功能的工作原理如圖2所示。

圖2 塔康信標擴展數據通信功能原理框圖

地面信標將要發送的信息經數據接口送入數據編碼單元，數據編碼單元向導航信號編碼單元發送數據發送請求，同時接收主基準同步信息，對數據信息進行編碼組幀。導航信息編碼單元進行方位信號和測距應答信號編碼，形成鐘形脈沖序列，并產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、測距應答、編碼數據與隨機填充優先順序輸出，并控制導航脈沖序列與編碼數據在激勵器單元分別進行脈沖調制與數據調制。已調射頻信號經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射的測距詢問信號和數據脈沖信號，接收到的信號經選頻濾波、低噪聲放大后在功分器分為兩路，一路送到測距脈沖解調單元，經下變頻、對數中放、檢波和譯碼后得到測距詢問脈沖的譯碼脈沖，送至數據脈沖解調單元與發射部分的導航信號編碼單元；另一路送到數據脈沖解調單元，在測距譯碼脈沖同步下對數據脈沖進行解調譯碼，經數據接口送往顯示設備。

機載設備擴展數據通信功能的工作原理如圖3所示。機載設備將要發送的信息經數據接口送入數據編碼單元，數據編碼單元向測距詢問編碼單元發送數據發送請求，同時接收測距詢問同步信息，對數據信息進行編碼組幀。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，并產生控制信號送往視頻選擇，控制測距詢問脈沖對與編碼數據在激勵器單元分別進行脈沖調制與數據調制。已調射頻信號經功放單元進行功率放大合成之后送往天線進行15Hz與135Hz復合包絡調幅并輻射出去。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 機載設備擴展數據通信功能原理框圖

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

4 編碼格式與調制解調原理

適應塔康系統原有的工作方式，地面信標發送數據時以廣播的形式進行，機載設備發送數據時采用點對點的通信方式。為提高數據傳輸速率，同時滿足塔康系統的頻譜要求，擴展數據脈沖擬采用16QAM調制方式。

4.1 編碼格式

發射的每個擴展數據脈沖作為一個數據幀，擬在每一幀傳輸96bit的數據，為方便數據解調在數據前增加載波同步段、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。幀同步碼用于自相關判決，便于數據信息的讀取。而功能識別碼便于地面信標和機載設備對接收信息的內容進行識別，進而篩選出屬于自己的數據信息。

為提高數據傳輸的可靠性，對數據進行(2，1，7)卷積編碼，那么，每幀的幀同步碼、功能識別碼與數據的比特數將分別提高到10、10與192。

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

載波同步段的長度為6個符號，其中前3個符號的調制信息全部為0000，用于COSTAS環的快速頻差跟蹤；后3個符號的調制信息是0000和1111固定數據的交替循環，用于通用載波恢復環恢復載波相位和符號同步，產生同步脈沖。

圖4 擴展數據脈沖的幀格式示意圖

綜上，塔康系統擴展數據脈沖后，每秒發送10個數據幀，發送的總符號數為600，對應的總比特數為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 數據調制原理

擴展的數據脈沖采用16QAM調制方式，其工作原理如圖5所示。經過卷積編碼的二進制數據通過串/并轉換單元，進入2/4電平變換模塊產生±1V和±3V四種電平的信號，分別調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調制原理框圖

4.3 數據解調原理

對機載設備而言，地面信標發射的包含數據脈沖的脈沖序列的包絡并不是平穩的，而是一個15Hz與135Hz復合調幅信號，顯然不利于16QAM調制的數據脈沖信號的解調。為減小包絡調制對數據恢復的影響，提高解調性能，必須對信號進行幅度均衡。數據解調原理如圖6所示。

圖6 數據調制原理框圖

輸入信號首先進行幅度均衡，以信號包絡的當前值作為判據，將進入數據處理單元的信號幅度增益調整至90%全幅值。經過幅度均衡的信號進行幅度判決，同時進行載波恢復。為實現窄數據脈沖的快速載波恢復，載波同步模塊由COSTAS環與通用載波恢復環兩個環路構成。而兩個環路的切換是利用一個計時器實現的，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為1，此時計時器開始計時，計時滿5μs時將開關切換至符號同步，從而進入通用載波恢復環；當信號的幅度小于半幅點時，標志位變為0，開關切換至COSTAS環，等待下一個數據脈沖的到來。

圖7 計時器工作流程示意圖

在數據脈沖的前5μs利用COSTAS環進行快速而較低準確度的載波同步，并將過程中產生的誤差信號存入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，輸出解調數據，解出各符號星座點，得到串行數據，串并轉換后進行維特比譯碼得到原始信息，幀同步后根據功能識別碼篩選出接收端需要的數據信息。

5 仿真驗證

為評估本文設計的塔康雙向數據傳輸方案的可行性與性能，對方案中采用的調制解調方式進行了建模和仿真。仿真原理框圖如圖8所示，對數據產生、組幀、編碼、調制、信道傳輸、載波及位同步、解調、譯碼、幀同步的過程進行了完整建模。

根據幀格式，利用隨機數產生器為每幀產生96bit的數據，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據后構成的一個數據幀。以此作為輸入信號，送入仿真模型進行仿真。塔康系統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信息傳輸的電磁環境。塔康系統的工作頻率為962～1213MHz，載波調制信號不便于直接進行仿真，只對10 MHz的中頻調制信號進行了仿真，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為數據幀中調制信息全部為0000的載波同步段。

圖9 中頻調制信號仿真圖

圖10為某型塔康信標真實信號的頻譜，圖11為16QAM調制數據脈沖的頻譜仿真圖，通過對比可以發現，擴展數據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)，說明本文設計的擴展數據脈沖基本不會影響塔康系統的頻譜特性，具有較好的頻譜兼容性。

圖10 塔康真實信號頻譜圖

圖11 擴展數據脈沖頻譜圖

針對窄數據脈沖的快速載波恢復問題，本文設計了COSTAS環與通用載波恢復環相結合的方案，載波同步仿真結果如圖12所示。從圖中可以看出，在數據格式規定的前10μs載波同步段內完成了環路鎖定，實現了精確的頻率跟蹤。

圖12 載波同步仿真圖

圖13所示為數據脈沖解調后的星座圖，從圖中可以看出，星座分布清晰，解調效果較好。

圖13 解調后的星座圖

誤碼率是衡量一個通信系統可靠性的關鍵指標，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計，每個信噪比統計了100個數據幀的誤碼率，如圖14所示。從圖中可以看出，整個信噪比區間內，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于15 dB，此時數據傳輸的誤碼率在10-5以下，滿足一般無線數據傳輸的誤碼率要求。

圖14 不同信噪比下的誤碼率統計

6 結語

本文根據塔康系統的信號格式特點，探索基于塔康信道的數據傳輸技術途徑，對數據脈沖的數據格式與調制方式進行了設計，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，對塔康系統數據傳輸的實踐具有一定理論指導意義。本文只對16QAM一種調制方式在塔康數據脈沖中的應用效果進行了仿真，取得了較好的效果，其它調制方式的效率與抗干擾性能還有待于進一步研究。