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塔康设备信号模拟器设计pdf

归档日期:07-15       文本归类:敌我识别系统      文章编辑:爱尚语录

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  分类号 密级 注 1 UDC 学 位 论 文 塔康设备信号模拟器设计 (题名和副题名) 张 朋 (作者姓名) 指导教师姓名 徐建南 高 工 电子科技大学 成 都 (职务、职称、学位、单位名称及地址) 申请专业学位级别 硕士 专业名称 测试计量技术及仪器 论文提交日期 2009.4 论文答辩日期 2009.5 学位授予单位和日期 电子科技大学 答辩委员会主席 评阅人 2009 年5 月 日 注1:注明《国际十进分类法UDC 》的类号。 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方 外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名: 日期: 年 月 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的 规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘, 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名: 导师签名: 日期: 年 月 日 摘要 摘 要 塔康 (TACAN )又称战术空中导航系统(Tactical Air Navigation System),是 为适应舰载、移动台开发的军用战术空中导航系统。是由相互配套的地面信标台 和机载塔康设备组成的极坐标定位系统。目前国内外的主流军机均装备有该系统, 并将在很长段时间内,作为其重要的导航设备之一。 本文首先介绍了课题的来源和意义,提出了课题的任务和目标。在简要介绍 了塔康系统的工作原理及其信号特性后,结合具体设计指标要求,分析了系统的 硬件设计结构,提出了基于可编程逻辑器件的塔康设备信号模拟器的设计原理及 具体实现方案。然后根据设计工作的重点和难点,讨论了载波信号产生单元、包 络信号产生单元、塔康脉冲产生单元的模拟电路设计以及相应控制逻辑的数字设 计,并对实现包络信号幅度调制(AM )、脉冲信号开关键控(OOK )数字调制及 包络信号相位与脉冲同步的技术作了详细阐述。此外,对信号模拟器与计算机进 行通信的工作原理及控制逻辑实现也作了具体讨论。接下来针对该信号模拟器的 系统控制软件作了一些阐述,介绍了控制部分的数据结构、软件的工作流程以及 上层用户界面的设计。文章最后对系统的整体调试作简单叙述,并总结了在调试 过程中出现的问题及其解决方案。 该信号模拟器能够产生塔康测方位和测距离模拟信号。经测试表明,该信号 模拟器达到了设计指标的要求,满足了塔康机载设备的测试、维护以及飞前离地 检查等需要,并已得到实际应用。 关键词:塔康,信号模拟器,可编程门阵列,直接数字频率合成 I ABSTRACT ABSTRACT Tactical Air Navigation System (TACAN) is designed for ship-based, mobile station,which is developed for the use of military tactical navigation. This system is a kind of polar positioning system consists of mutual assorted ground beacon stations and airborne TACAN equipment. At present, the main military aircraft in the world are equipped with this device, which would be serving for a long time as one of essential navigation system. In this paper, the author first made introduction on how the topic stemmed from and the meaning of the topic. Author raised the task and object for the topic. According to the requirement of this design, author analyzed the structure of hardware design, proposed the design principle of TACAN signal simulator basing on Filed Programm- able Logic Device and put forward the scheme of design in detail. Then according to the focus and difficulties in design, this paper expatiated the analog circuit design and corresponding digital control logic of Carrier Generation Unit, Envelope Generation Unit, Pulse Generation Unit. Meanwhile, the Amplitude Modulation, On-Off Keying digital modulation and the synchronization technology between pulse and the phase of envelope were particularly described. In addition, the communication between computer and signal simulator were also involved in discussing. The software, which was closely related with the hardware, was also brief introduction in the paper. At the end of the paper, author described the whole system debug, and summarizes the problems as well as problem-solving in the debugging. This device could generate TACAN simulation signals. According to the results of test, the signal simulator can meet the requirements of test, maintenance and examination for airborne TACAN equipment and this signal simulator has come into service. Keywords: TACAN, Signal Simulator, FPGA, DDS II 目录 目 录 第一章 引言1 1.1 课题来源及意义 1 1.2 国内外研究发展现状 2 1.3 课题任务 4 1.4 本文各章节安排 5 第二章 总体方案设计6 2.1 TACAN 系统概述 6 2.1.1 TACAN 测方位原理 7 2.1.2 TACAN 测距原理 8 2.1.3 TACAN 信号的合成 9 2.3 需求分析 12 2.4 总体框架构思 14 2.5 硬件设计方案构思 15 第三章 信号模拟器单元电路设计17 3.1 载波信号产生单元电路设计 17 3.1.1 直接数字频率合成 17 3.1.2 DDS 芯片AD9951 21 3.1.3 载波信号产生单元组成结构 22 3.1.4 无源低通滤波器设计 23 3.2 包络信号产生单元电路设计 25 3.2.1 数模转换器TLV5616 25 3.2.2 包络信号产生单元组成结构 26 3.2.3 包络低通滤波器设计 26 3.3 时钟电路设计 28 3.4 电源模块设计 28 3.5 信号调制电路设计 29 III 目录 3.5.1 四象限乘法器AD835 29 3.5.2 衰减网络设计 30 3.5.3 数字及模拟调制电路设计 31 3.6 测距功能电路实现 32 3.7 通信及控制接口电路设计 33 3.7.1 UART 通信接口电路设计 34 3.7.2 上变频及衰减控制接口电路设计 34 第四章 控制逻辑的数字设计35 4.1 载波信号产生及发送控制逻辑 35 4.1.1 AD9951 内部寄存器介绍 35 4.1.2 AD9951 控制时序 36 4.1.3 AD9951 控制时序的FPGA 实现 38 4.2 包络信号产生及发送控制逻辑 39 4.2.1 数模转换器TLV5616 控制时序 40 4.2.2 包络信号DDS 的FPGA 实现 41 4.3 UART 通信控制逻辑 45 4.3.1 UART 功能与模块组成 45 4.3.2 UART 接收器设计 47 4.4 脉冲产生及发送控制逻辑 50 4.4.1 基准脉冲产生及发送控制逻辑 51 4.4.2 距离模拟控制逻辑 56 4.4.3 塔康音频产生及发送控制逻辑 57 第五章 设备调试与测试59 5.1 上位机控制软件 59 5.2 信号处理模块硬件调试 61 5.3 设备整体调试 64 5.4 调试中出现的问题和解决方法 67 第六章 结论69 致 谢70 参考文献71 IV 目录 附 录72 攻硕期间取得的研究成果75 V 第一章 引言 第一章 引言 1.1 课题来源及意义 导航是一门综合性很强的技术性学科。通过声音、图像或者无线电信号等技 术手段测量出舰船、飞机或车辆等运动载体实时的方位、速度等参数,同时为运 动载体提供线路指引等服务的过程称为导航。导航在现代社会中发挥着重要作用, 它在人们日常生活以及经济、军事等方面都有广泛的应用。特别是在车辆出行、 空中交通管制、港口船舶调度、地理制图测绘、紧急搜救定位等方面都发挥着不 可替代的作用。对于航空无线电导航,其涉及的学科是十分广泛的,主要可分为 [1] 目视导航、航位推测法导航、天文导航、惯性导航、无线电导航和综合导航等 。 一般来讲,飞机上通常会同时采用两种以上导航装置,相互配合、相互补充, 以圆满的完成导航的任务。对于常用的导航系统,其基本原理归纳起来有以下五 种。一是目视导航,目视导航是通过借助显著地标或检查点,比如说铁路、桥梁、 湖泊或者特设的地面标志来检查飞机的位置。近代利用航拍摄影、视频以及雷达 等手段观测周围环境图像进行导航 ,是这种方法的延续和发展。二是航位推测法 导航,利用磁罗盘、陀螺仪、空速表及航空时钟等机上仪表,结合气象情报,通 过领航计算出飞机的航向、距离及位置数据,从而推测出飞机的当前位置。三是 天文导航,是根据宇宙空间日、月、星辰的高度角来测定飞机位置和航向的导航 方法,常用的有六分仪和天文罗盘。四是惯性导航,它是通过惯性测量设备测出 飞机的加速度数据,然后对时间积分,通过数学的方法求得位置参数的导航方法。 目前使用最广泛的是第五种导航,即无线电导航。无线电导航是利用电磁波的传 播特性确定飞机的距离、方向和位置,从而引导飞机飞行的方法。无线电导航发 展至今已有百年历史,其发展过程大致可以分为三个时期: 1、无线电测向时期 无线电测向时期从无线电发明开始,一直持续到第二次世界大战前。前十年 以理论研究为主,辅以部分实际应用。世界各国在此期间对电波传播及其传播对 定向的影响、夜间效应、定向中出现的误差等方面进行了大量的研究。无线电罗 盘及信标台在这个时期出现。美国在此期间研制和正式建立了四航道系统地面导 1 电子科技大学硕士学位论文 航台并投入使用,上世纪三十年代全向和定向无线电信标在航空领域得到了广泛 使用,它克服了在此之前的导航设备由于气象和环境造成的困难和错误。在当时 一直被作为主要的导航系统使用。 2 、地面基准无线电时期 这个时期从第二次世界大战开始,一直持续到上世纪五十年代后期。在这段 时期,无线电导航从无线电测向进入到以地面基准无线电导航系统进行方位测量、 距离测量以及利用这两个飞行参数进行导航定位的时代。除无线电测向器外,无 线电测距机和无线电高度表相继制成,仪表着陆系统的初样也已基本完成。二战 前后的这段时期,世界各国对已有的航空导航系统进行不断改进升级,同时大力 发展新型导航系统。在远程导航系统方面,美英等国研制了罗兰-A (Loran-A )和 台卡(Decca )系统;在飞机着陆引导系统方面,仪表着陆系统(ILS )在改进完 善后正式投入使用;在近程导航系统方面,伏尔(VOR )、测距机(DME )、塔康 (TACAN )等新的导航系统相继投入使用。塔康导航系统是美国于上世纪五十年 代中后期由美国费得拉尔电信实验室根据美国海军及空军的建议,并与他们合作 研制成功并率先装备使用的。系统试验成功并正式装备美国空军,后来成为美国 与北大西洋公约组织的军用标准导航设备。该系统用于军用和联航机场的近距离 导航,利用该导航系统可以保障飞机沿预定航线飞行、机群的空中集合和会合以 [2] 及在复杂气象条件下引导飞机归航和进场着陆 。地面基准无线电时期是无线电导 航系统发展最快的一段时期,也是各种新型导航系统不断涌现的时期。很多在这 个时期建立起来的导航系统在改进后,仍然在目前各种类型的飞机上装备使用。 3、无线电导航新阶段 从上世纪六十年代至今,随着半导体技术的发展和计算机的出现,无线电导 航进入到一个新的发展时期。对于已有的导航设备和系统,其速度、精度以及体 积等方面不断改进和提高;此外,超长波导航的Omega 系统,时间基准波速扫描 微波着陆系统(TRSB-MLS )、卫星定位系统(SPS)、联合战术信息分配系统(JTIDS ) 等新的导航系统也相继出现,以更好的满足高速度、高精度的定位及导航要求。 1.2 国内外研究发展现状 随着科技的进步和发展,对导航定位的要求也不断提高。其发展趋势主要表 现在以下两个方面:一、全球卫星定位系统。该系统需要提供全球性的导航网络 2 第一章 引言 覆盖,具备高精度的定位能力,能连续、实时的提供导航定位信息。典型的应用 系统包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS 以及中国的北斗卫星导航定位系统; 二、组合导航系统。该系统能同时对多个导航设备提供的数据和信息进行处理, 根据需要对数据进行组合,取长补短。导航精度、速度、稳定度等指标比单独的 系统都有较大的提升。此外,组合导航还引入了系统故障检测及自动切换处理等 功能,提高了系统工作的可靠程度,保证了系统的冗余度。 塔康导航系统是空军航空导航体制中主要的导航系统。美国、北约及其它国 内外空军的主流机型均装备有该系统,并将在很长段时间内,作为其重要的导航 设备之一。经过几十年发展,目前全世纪列装该系统的有30 多个国家。上世纪七 十年代末,仅美国本土设置的塔康地面台总数就超过1000 个,空中用户超过70000 个,设备型号多达几十种。在这段时期,国外各大公司都不断研发出新的塔康设 备,并利用塔康系统向新的系统发展。美国在研制初期曾进行过“仪表引近与组 合塔康”及“塔康数传”等研制,但由于某些原因中途停止。而“空-空塔康”在 美、日等国却发展了起来。其发展简史及技术特点如表1-1 所示。 表 1-1 塔康设备发展简表 类别 代别 研产年限 主要技术特点 典型设备代号 第一代 1958 年以前 电子管,机电调谐,模拟测量 AN/ARN-21 系列 机 第二代 1958~1962 设备部分器件晶体管化 AN/ARN-52,62 载 第三代 1962~1965 全晶体管化,数字化测量 AN/ARN-74,84 设 备 第四代 1965~1975 固态,集成,数字化,XY 双通道 AN/ARN-91,103 第五代 1970 年后 引入微处理器 AN/ARN-119 地 第一代 1960 年以前 电子管,X 通道,机扫天线 年以后 晶体管,集成电路,XY 双通道 AN/GRN-20C,26 信 标 第三代 1970 年以后 微处理器,电扫天线,高集成度 AN/TRN-41 我国从上世纪六十年代就开始研制塔康系统,六十年代中期研制了第一批样 机(401 机载设备/402 地面设备),七十年代初研制了第一批定型产品(401/402 甲) 进行转厂生产,并架设了试用台。现在的型号为“HJD-II ”机载设备和“II 型-620 3 电子科技大学硕士学位论文 地面设备”。目前,我国空军、研究所、高校都正在加紧研究、改进和生产,以便 [2] 更多地装备部队,改善当前的飞机导航状态,适应我国国防现代化的要求 。 随着该系统的大量装备和使用,为了满足航电设备的维修测试需要,美国 AEROFLEX 、AIRCO 以及其它航空电子设备生产厂商都提供了配套的测试仪器设 备和自动测试系统,其中 AEROFLEX 公司拥有全系列的航空电子测试设备。其 ATC1400 系列询问机发射/接收测试设备能完成多数民用航空信号的模拟;此外, AIRCO 公司的DTS 系列测试仪也能实现类似的功能。 为了规范导航机载设备的科研、生产工作,原国防科工委立项编制了国家军 用标准,GJB2784-96 《塔康机载设备通用规范》及GJB914-90 《塔康系统信号要 求和测试方法》己经发布实施。 1.3 课题任务 由于塔康系统为地面基准的无线电导航系统,如果要对机载塔康设备进行测 试,就必须要模拟地面信标台的信号对机载设备进行激励,以检测机载设备的工 作情况。而在目前的设备测试中,主要采用美国 AEROFLEX 公司生产的 ATC-1400A 配合T-1401 用以模拟塔康信号或者使用美国AIRCO 公司的DTS-200 塔康导航模拟器实现,仪器价格昂贵、操作复杂、繁琐,且部分仪器和设备购买 困难。在这种情况下,对塔康机载设备的生产、测试及维护存着着诸多不便。 本文的主要工作是设计制作塔康设备信号模拟器,该设备能模拟塔康导航系 统地面台信号,用于对某型号塔康机载导航设备进行测试。该信号模拟器采用模 块化设计的思想,使用大容量和高速度的可编程逻辑器件来实现数字逻辑粘合、 应用DDS 技术实现模拟信号产生,配合外围的检波器模块、上变频模块等构建整 个模拟器。经过方案设计、框架搭建及功能测试等开发过程,已经完成了该系统 的设计工作,达到预期指标和功能。本课题的主要任务包括以下几个部分: 1、完成信号模拟器中频信号处理模块的硬件电路设计和调试。包括芯片的选 型和验证、模拟电路部分设计、滤波器设计和验证以及混合电路PCB 设计。 2 、完成信号模拟器功能实现所需的控制逻辑 Verilog 代码编写及调试。包括 低频包络信号DDS 逻辑、载波控制逻辑、UART 接口通信控制逻辑及脉冲发送控 制逻辑等。 3、完成与上位机进行通信控制的数据结构定义,上位机控制软件设计。 4 第一章 引言 4 、完成中频信号处理模块与设备其它模块的集成以及信号模拟器与被测设备 的整体联调。 1.4 本文各章节安排 根据课题设计的主要任务,本文的结构安排如下: 第一章 引言 从需求分析的角度明确课题的来源及研究的意义,明确本课题的目标和任务, 安排论文整体结构。 第二章 总体方案设计 首先简要介绍了塔康导航系统方位、距离测量的基本原理以及合成信号的产 生方式。然后从整体结构出发,按照设计指标要求,讨论总体设计方案,分析探 讨各单元电路的设计思想。 第三章 信号模拟器单元电路设计 根据第二章的总体方案设计,详细介绍了塔康设备信号模拟器的硬件电路设 计,包括载波、包络信号产生单元硬件电路设计、信号调制电路等。 第四章 控制逻辑的数字设计 介绍了基于可编程逻辑器件的数字逻辑设计及实现,包括载波电路控制逻辑 设计、包络信号DDS 算法逻辑设计、塔康基准脉冲发送逻辑、音频模式信号发送 逻辑以及与上位机进行通信的UART 逻辑设计等。 第五章 设备调试与测试 介绍了与上位机进行通信时的数据结构定义,软件工作流程。接着介绍了信 号模拟器的调试和测试,给出了调试的方法以及测试的结果,总结了调试过程中 遇到的问题和解决方法。 第六章 结论 总结设计及调试工作,提出需要进一步研究和改进的问题。 5 电子科技大学硕士学位论文 第二章 总体方案设计 本章首先对塔康导航系统 (TACAN )的工作原理进行了简要介绍,包括测方 位原理、测距原理以及合成信号的特征。然后对本课题所涉及的塔康设备信号模 拟器进行需求分析,给出了系统总体框架的设计构思以及硬件设计的构思。 2.1 TACAN 系统概述 塔康导航系统又被称为战术空中导航系统,工作频段为 962~1213 MHz ,共 有252 个波道。该系统是采用脉冲调制技术的极坐标 (ρ, θ )系统,其距离 (ρ ) 测量基于二次雷达测距原理,方位 (θ )测量是通过旋转地面信标台天线得到的一 个旋转的多波瓣方向性图,提供粗、精方位信息。塔康地面信标台与机载导航设 备配套使用,飞行指引系统对导航数据进行解算,实现空-地间方位及距离的测 量;当信标台装在飞机上时,能实现空-空距离测量;此外,塔康导航的数据还 可供着陆系统使用,从而为飞机起降提供服务。目前国内外的主流军机均装备有 该系统,并将在很长段时间内,作为其重要的导航设备之一。 根据极坐标系统定位原理,塔康系统可以从某个确定的基准点解算出相对点 的方位和距离数据。通过这些数据,飞行员就能够在航行图上确认自己的当前位 置。如图2-1 所示,相对方位以磁北为基准显示在机舱数据面板上,方位以角度为 [3] 单位,距离以海里为单位。该距离是指两者的斜距,也称“信标距离” 。 图2-1 塔康导航原理 6 第二章 总体方案设计 2.1.1 TACAN 测方位原理 塔康导航系统测方位是在甚高频全向信标(VOR )的基础上改进的,通过解 算导航信号包络的相位点来确立方位。信标台产生信号的水平方向图如图2-2 所 示。 图2-2 塔康天线形成的心型方向性图 如图所示,信号在空间的不同方位相对于信标台的形状是有差异的,两者通 过函数相对应。如图2-2 (a )所示,信标台天线 转的速度按顺时针方向 进行旋转,在其信号辐射场产生以15 Hz 正弦波为包络的调幅信号。所以在空间某 一点接收到信号的场强也随时间变化。由于塔康系统约定地面的正东方为参考磁 北,因此每当信标台天线主瓣转到该方位时,信标台发射主基准脉冲信号,在信 标台不同位置的机载接收机在同一时刻收到该脉冲信号。所以,在某一方位收到 的信号,其脉冲与包络信号相位的关系如图2-3 所示。 θt F E 基准脉冲群 图2-3 包络与脉冲瞬时图 7 电子科技大学硕士学位论文 E 点为信号场强按正弦波幅度改变的正斜率0 点。根据前文所述,该点处于信 标台的南面,即飞机在地面台的正下方。依照塔康规范,机载设备解算出的方位 零点为飞机的正北方。当接收到的信号如图2-3 中E 点所示时,飞机解算出相对 o 于信标台的位置为 0 。因此,通过将接收到的主基准脉冲时的包络相位与 15 Hz 正弦波相位的正斜率0 点来比较,就可以得到相对方位的数据。如图2-3 所示,当 飞机位于F 点时的时候,机载设备接收到主基准脉冲后计算当前包络信号相位与E [4] 点间的差值,就能得到当前飞机与信标台的方位角度值。θT 也称为飞机的方位角 。 根据上述讨论,如图2-1 所示,塔康方位θ 定义为:接收点北向(N )矢量顺时针 旋转 θ 与信标-测量点连线重合,该 θ 就是测量点在这个信标工作区的方位。因 o 此,当测量点位于信标台的正南方向,方位θ = 0 ;测量点位于信标台正西方向, o o o θ = 90 ;测量点位于信标台的正北方和正东方时,方位θ 分别为180 和270 。在该 信标工作区的每个测量点,方位有唯一的对应值。 由于存在多径反射的关系,除了15Hz 调制包络 (把15 Hz AM 调制产生的调 制分量称为15 Hz 调制包络)以外,TACAN 测方位还引入了第二次幅度调制。如 图2-2 (b )所示,即在心脏形方向图又附加了9 个小的波瓣,使机载设备收到的 地面台脉冲包络不仅受到15 Hz 调制,还受到135 Hz 的正弦波调制。15Hz 调制包 o 络一个周期对应于空间360 ,而135Hz 调制包络(把135Hz AM 调制产生的调制 o 分量称为135Hz 调制包络)一个周期对应于空间方位40 。这样,对于收到的地面 台信号,机载设备首先测量 15 Hz 正弦波的相位,以分辨出飞机到底处于哪一个 40 o 的方位区域内,然后再测量135Hz 正弦波的相位,以确定飞机所在的准确方位。 这种关系有些类似于钟表的时针与分针,理想情况下这种方法可以使方位测量误 差下降 1/9。此外,为了减小多径反射的影响,TACAN 地面台天线 TACAN 测距原理 TACAN 系统距离测量依据二次雷达工作原理。利用应答式脉冲测距原理,机 载设备以 80~150 对/秒 (搜索状态)或20~30 对/秒 (跟踪状态)速率发射询问 脉冲对信号,地面信标台收到该询问脉冲后,经过一个固定延时,再向机载设备 发出应答脉冲对信号。机载设备收到询问脉冲信号后,经过识别,选择出对自己 的测距应答脉冲,并测出询问脉冲和地面台应答脉冲之间的时间间隔,机载设备 对数据进行解算后,飞行员就可以从指示器上直接读出飞机到地面台的距离了。 8 第二章 总体方案设计 时间间隔和距离的关系可由下式求出: D = C ×(T -T )/ 2 (2-1) 0 其中,D 为飞机与地面台的斜距,C 为光速,T 为机载设备发出询问脉冲到收 到地面台应答脉冲的时间间隔。由于收发信号间天线的切换以及补偿测距误差, 塔康系统规定地面信标发射应答信号前需要有T0 微秒的延时。此外,由于地面信 标台要同时为上百架次飞机提供服务,所以对每个机载设备发出的询问都要进行 应答。为了区别出对不同设备的应答,机载设备发出询问脉冲的频率是随机变化 的。因此,收到的地面信标台发出的应答信号后,机载设备找出与本机发出询问 [5] 频率同步的应答脉冲进行数据解算 。测距原理框图如图2-4 所示。 地 空 询问脉冲 询问发射机 发生器 询问接收机 询问 距离测量 应答接收机 固定微秒 电路 系统延迟 应答 距离解算及 显示 应答发射机 图2-4 塔康系统距离测量原理 2.1.3 TACAN 信号的合成 从塔康地面信标台发射的信号是由完成不同功能的若干脉冲信号组成,主要 包括用于方位测量的主基准脉冲及辅助基准脉冲,用于距离测量的应答脉冲以及 用于区别不同地面台的台识别脉冲。这些脉冲信号被频率为962MHz 至 1213MHz 的载波信号搬移到L 波段。此外,信号还被15Hz 和135Hz 叠加后的包络进行AM 调制。在本课题中,采用了中频信号处理的方式,首先由中频信号处理模块产生 载波频率为70MHz 的带有基准脉冲、测距应答脉冲、台识别脉冲以及15 Hz、135 Hz 外包络的合成信号,再通过射频前端组件将该中频合成信号上变频到最终的波 道上。 如图2-5 所示,塔康系统中的脉冲都具有相同的信号特征:即3.5 us 的正脉宽 9 电子科技大学硕士学位论文 以及12 us 的脉冲周期。完成不同功能的脉冲都按照脉冲对进行编码,通过脉冲对 的个数以及脉冲对间的间隔来进行区分。 3.5us 12us 图2-5 塔康系统脉冲的基本特征 机载设备接收机收到信标台发出的信号后,对信号进行包络检波,再根据规 范对检波出来的这些脉冲对进行识别,区分出基准脉冲、应答脉冲以及台识别脉 冲等,然后将这些信号送到相应的电路进行处理。 塔康合成信号的 AM 调制外包络通过信标台中央天线对辐射信号进行旋转产 生。在周期性触发脉冲作用下,信标编码器根据工作模式产生主、辅基准脉冲群, 并通过中央天线 AM 调制信号 由塔康测方位原理可知,由基准脉冲与调制信号外包络相位的相对关系,就 可以解算出方位数据。15Hz 正弦调制外包络完成方位的“粗测”,135Hz 正弦调制 外包络完成方位的“精测”。这两个调制信号由天线的中央辐射体及外部的两个圆 筒状调制体配合产生。信标天线Hz调制 旋转 中央辐射体 15Hz调制 图2-6 塔康天线俯视图 信标台的中央辐射体一般由多个宽带偶极子垂直阵列构成。为了降低信号传 播衰减,塔康的信号采用垂直极化方式发射。通过中央辐射体发射出来的信号是 10 第二章 总体方案设计 全向的,对应的方向图是圆形。信号通过第一级调制器件后,信号的方向图从圆 形变为心型,第一级调制器件围绕中央辐辐射体以每分钟15 圈的速度旋转,对应 的方向图也随之做周期性变化,于是将产生15Hz 包络AM 调制。在第一级调制器 件的外部,还存在一个由九个调制器件组成的具有同样旋转结构的圆筒。这样, 信号通过第二级调制器件后形成九个波瓣。由于第二级圆筒具有在空间均匀分布 的九个调制器件。因此,将在原调制信号基础上再次进行135Hz 包络的AM 调制。 其函数式为: s( t ) A As i n( 2 ft ) A si n( 9 f2t ) (2-2 ) 0 1 2 其中,f =15 Hz ,A 为直流成分,A 、A 分别为15 Hz 包络和135 Hz 包络的 0 1 2 调制度。经调制后的信号携带方位信息,测方位时,机载设备跟踪主、辅基准脉 冲,计算出基准与包络相位零点之间的相位差,便完成定位工作。将信标台的空 间辐射信号在直角坐标系下展开可以看到,在其信号覆盖范围内任一点的信号强 度都是按正弦波变化的,全向的地理坐标方位为一个 15Hz 调制信号的周期,而一 o 个 135Hz 调制信号的周期,对应40 的地理周期方位。其包络信号示意图如图2-7 所示。 图2-7 塔康信号包络示意图 2.1.3.2 基准脉冲群 塔康基准脉冲群分为主基准脉冲群和辅助基准脉冲群,基准脉冲群和包络信 号相位相配合,用于目标方位的解算。根据塔康定位原理,机载设备接收到的15Hz 和 135Hz 合成的AM 调制包络只是作为定位的参考基准,还需要一个确定的时间 点,才能最终解算出正确的方位。 11 电子科技大学硕士学位论文 为了达到这一目的,就需要建立时间/空间对应的关系。当塔康地面天线辐射 信号的主瓣指向地理上的东面时,就产生基准触发脉冲。对于塔康系统,约定正 东方为导航指向的 “磁北”基准方位。基准触发脉冲是由安装在圆筒底部的磁感 应装置产生的,圆筒每转一圈产生一次触发。因此,触发脉冲的周期也为15Hz。 当编码器器收到基准触发脉冲后,便产生主基准脉冲通过中央辐射体发射出去。 同理,辅助基准脉冲是由安装在第二级调制圆筒底部的磁感应装置触发产生,触 发周期为135Hz。 因此,在一个15Hz 周期内,就有一个主基准脉冲群和八个辅助基准脉冲群, o 这九个脉冲群在空间方位上按相距40 的间隔均匀分布。由于主基准脉冲群与某一 个辅助基准脉冲群在发射时刻重叠,故在塔康系统中不产生第九个辅助脉冲群。 辅助脉冲群与135 Hz 调制组合,用于方位角精测,这和用于粗测的15 Hz 调制相 o 似。135Hz 调制的一个周期代表40 方位角。借助 135 Hz 系统,就可以在精测调 制信号上定出基准脉冲的位置。利用展宽的方位刻度,粗测和精测方位信息能从 [6] 调制后的塔康合成信号波形图中得到 。 图2-8 主辅基准群 2.3 需求分析 根据本文上述章节对塔康导航系统的概述,本课题设计塔康信号模拟器,用 于模拟塔康地面信标台信号,作为对机载设备的激励,以检测机载设备的工作情 况。其主要设计目标要求如下: 1、产生塔康地面台模拟信号,该信号为带有主辅基准脉冲群、台识别脉冲、 应答脉冲的二进制开关键控(OOK )调制信号及带有15Hz、135Hz 合成正弦包络 的调幅(AM )信号。 12 第二章 总体方案设计 2 、能够根据控制需求,模拟产生固定方位及可变方位信号。当工作于测距模 式时,还能够对机载设备发出的询问信号进行应答,以供机载设备进行距离解算。 3、能够工作于连续波和脉冲两种模式。在脉冲模式下,还能够处于单音、寂 静及台识别三种工作模式。 此外,信号模拟器还能够改变包络信号 AM 调制度、信号发射频率、信号幅 度等功能。设备与控制计算机进行通信,接受计算机发出的控制命令。其主要技 术指标要求如下: (1)信号输出 发射频率: 962~1213 MHz 中频频率: 70 MHz 波道数: 126 个(X 波道1~126) 输出动态范围: 60 dB 音频模拟模式: 寂静、单音、台识别 15Hz 包络信号稳定度: 15± 15Hz 包络AM 调制度: 10 %~30 % 135Hz 包络信号稳定度: 135±0.27 Hz 135Hz 包络AM 调制度: 10 %~30 % 脉冲宽度: 3.5 ±0.5 us 方位模拟范围: 0~360o 方位模拟精度: ±1o o 方位变化速度: ≤20 / S 转换时间: ≤1 S 距离模拟范围: 0 ~ 480 Km 距离模拟精度: ±200m (0~100 Km) ±400m (100~480 Km ) (2 )环境指标要求 设备工作温度: 0~40 ℃; 设备存储温度: -20~70℃; (3 )其他要求 信号输入接口: N 型接头 信号输出接口: N 型接头 通讯控制接口: UART 通用异步收发总线 电子科技大学硕士学位论文 设备电源要求: 220 ±10%VAC 2.4 总体框架构思 通过本文上述章节对塔康系统的详细介绍,深入分析设计参数和指标需求, 结合该设备的具体使用场合和应用目的,提出了基于 FPGA 的塔康设备信号模拟 器设计。系统总体框架如图2-9 所示。 TACAN机载设备 (DUT ) 测距询问 地面台模拟信号 上变频及 包络检波 衰减控制 脉冲输入 控制输出 中频信号输出 70MHz 中频信号处理模块 UART 电源 计算机 人机界面 图2-9 系统总体框图 如图2-9 所示,虚线方框的部分为整个塔康设备信号模拟器的模块构成框图。 在本系统中,采用了中频信号处理的方式,首先产生中频合成信号,再将合成信 号通过射频前端进行频谱搬移。对于中频信号的频点,根据横向合作单位提出的 要求,结合具体设计实现难易程度综合考虑,最终选择了70MHz 作为中频信号的 载波频率。基于该频率的电路设计难度不大,数模转换器等器件选择范围较宽。 同时,降低了射频前端部分中所需要的声表带通滤波、本振频率合成等模块的设 计难度,控制了整个系统的设计成本及难度。 整个信号模拟器以70MHz 中频信号处理模块为核心,结合上变频与衰减控制 模块、包络检波器等模块构成。其中,中频信号处理模块用于产生70MHz 的带有 主辅基准脉冲、台识别脉冲、应答脉冲和 15Hz、135Hz 调制的塔康中频信号。同 时根据控制计算机发出的命令,产生 8 路上变频组件控制信号及 6 路衰减组件控 制信号。包络检波器模块将机载设备发出的询问信号进行检波,将测距询问脉冲 14 第二章 总体方案设计 送到中频信号模块进行处理。上变频与衰减控制组件在中频信号模块输出控制信 号作用下,将70MHz 塔康中频信号搬移到962MHz~1213MHz 的L 频段塔康波道 上。同时,控制最终输出信号的功率,以便对机载设备进行灵敏度测试。 设备的控制系统由计算机和人机界面显控模块组成,计算机发出的控制命令 通过 UART 通信接口发到中频信号处理模块,中频信号处理模块再根据控制字进 行相应的操作。 2.5 硬件设计方案构思 根据系统总体框架设计构思,在整个信号模拟器中,70MHz 中频信号处理模 块为本课题研究的核心部分,本文也主要围绕该模块进行讨论。该信号处理模块 大致可分为控制单元、载波信号产生单元、包络信号产生单元、信号调制单元及 通信和控制单元五个部分。硬件设计构思如图2-10 所示。 70MHz载波 电 U 变频及SPI接口 DDS芯片 LPF PC机控制 平 A RS232 转 R 脉冲编码器 OOK 换 T 塔康中频输出 及 距离延迟控制 AM 时 脉冲序列 脉 钟 包络DDS逻辑 包络DAC LPF 询问脉冲 冲 控 其它控制逻辑 15Hz和135Hz 制 整 正弦波叠加 变频及衰减控制 形 控制单元 (FPGA ) 图2-10 中频信号处理模块硬件框图 控制计算机通过UART 接口与信号模拟器进行通信,将待发送的方位、距离、 工作模式、调制度、波道选择以及衰减量等控制信息传送到信号模拟器。FPGA 的 串行通信控制逻辑收到上位机传来的数据后,读取相应的控制信息,以确定待产 生中频信号的各项参数和前端变频控制信号的输出。FPGA 核心控制逻辑在接收完 数据后,产生多路信号控制各个电路协同工作,产生最终所需要的信号。整个中 频信号处理模块的控制逻辑都是在FPGA 中采用Verilog 描述实现。因此,信号模 拟器的设计主要包括控制部分的 FPGA 数字逻辑设计以及各单元电路设计。以下 分别就这几部分的设计简要介绍如下: 1、控制单元 在本设计方案中,控制单元由一片 FPGA 实现,通过片内数字逻辑实现对整 15 电子科技大学硕士学位论文 个中频信号处理模块各单元电路器件的控制。控制单元包括 FPGA 芯片、外围电 路以及片内控制逻辑。主要功能有以下几个方面:第一、产生及发送载波信号DDS 芯片的控制字;第二、通过片内数字逻辑应用DDS 算法,输出 15Hz 和 135Hz 两 路低频包络信号叠加的相位控制字到数模转换器(DAC );第三、控制主辅基准脉 冲、台识别脉冲、询问应答脉冲的产生及发送;第四、利用有限状态机实现UART 通信控制逻辑,与计算机进行通信;第五、产生多路信号输出对射频前端模块进 行控制。 2 、载波信号产生单元 载波信号产生单元主要用于产生70MHz 的正弦波以供信号调制电路使用。由 于该信号频率相对较高,同时为了保证载波信号具有较高的频率稳定度和分辨率, 本方案采用ADI 公司生产的基于DDS 技术的专用频率合成器芯片,通过FPGA 对 其进行控制,芯片输出的信号首先经过电流电压转换,再经过滤波及衰减后送到 调制电路以供使用。 3、包络信号产生单元 由本文上述章节对塔康系统信号特性的分析可知,塔康信号外包络是由 15Hz 和 135Hz 正弦波叠加后的波形。由于该信号频率不高,且没有专门的芯片能产生 类似信号,本方案通过 FPGA 应用 DDS 算法,输出的数字幅度值通过本单元的 DAC 及信号调理电路转换为所需要的包络信号。 4 、信号调制单元 信号调制单元由两级调制电路组成。首先以70MHz 正弦波为载波,以塔康脉 冲串为待调信号进行调制,得到OOK 数字调制信号;然后第二级调制电路将第一 级调制后的OOK 信号作为载波,以包络信号为待调信号进行AM 调制。通过对三 路信号进行两次调制,得到最终所需要的波形。 5、通信及控制单元 在设计方案中,信号模拟器与计算机采用UART 进行通信。因此,本方案中通 过 MAXIM 公司的专用芯片对接口电平进行转换。此外,上变频及衰减控制信号 也需要相应的接口芯片转换后才能送到射频前端模块。 此外,硬件电路部分的设计还包括脉冲整形电路、时钟电路以及电源电路等。 16 第三章 信号模拟器单元电路设计 第三章 信号模拟器单元电路设计 上一章节介绍了塔康设备信号模拟器的总体框架设计,并结合设计需求,对 本课题的硬件设计构思作了简要介绍,分析了各个组成单元的主要功能。本章将 详细介绍中频信号处理模块的单元电路设计,包括载波信号产生电路、包络信号 产生电路、信号调制电路、时钟电路、电源电路、UART 通信接口及变频衰减组件 控制接口的电路设计。 3.1 载波信号产生单元电路设计 载波信号产生电路主要用于产生所需的70MHz 正弦波信号,该信号作为合成 模拟塔康地面台信号的中频载波,其各项指标直接关系到最终信号波形是否能达 到性能要求。 3.1.1 直接数字频率合成 直接数字频率合成(Direct Digital Synthesis )是一种新型的频率合成方法,以 波形瞬时相位为出发点,通过数字化处理的方法直接合成所需要的频率波形。对 于任何数字信号与模拟信号间的相互转换,都是以Nyquist 抽样定理为理论基础的。 Nyquist 抽样定理通过数字的方法,描述了对一个有限带宽的模拟信号进行采样并 量化后,能不能通过该量化值无失真的恢复重建原始信号的问题。根据该定理, 用于采样的频率大于输入信号最高频率的两倍时,信号的频谱不会产生混叠,可 以通过该采样值无失真的恢复出采前模拟信号。DDS 系统可以表示为从采样得到 的数字量化值中恢复出模拟波形的过程,通过建立数字量化值与输出模拟波形的 函数映射关系来进行频率合成。由于采用了数字信号处理的方法,因此,DDS 在 频率转换速度、频率分辨率、信号带宽、相位连续性等一系列的性能和指标都优 于传统信号产生方式输出的波形。基于上述特点,DDS 技术被广泛应用于数据通 信、导航制导、遥测遥控以及仪器仪表等领域。 17 电子科技大学硕士学位论文 3.1.1.1 DDS 组成原理及结构 DDS 的基本结构包括:相位累加器、正弦波形查找表ROM 、数模转换器(DAC ) [7] 及低通滤波器(LPF ) 。系统组成框图如图3-1 所示。 频率控制字 N位相位累加器 正弦波形 数模转换器 低通滤波器 f o K Phase Accu. M位 ROM N位 DAC LPF 波形输出 时钟fc 图3-1 DDS 组成框图 其中K 为频率控制字;N 为相位累加器的位宽; 为累加频率;M 为相位累 f c 加器的输出位宽,作为波形ROM 数据的寻址地址;N 为ROM 输出的正弦波形幅 度量化值的位宽; 为DDS 输出波形频率。在累加频率 的控制下,频率控制字 f o f c K 与相位累加器进行累加,得到的相位累加值作为地址对正弦波形ROM 进行寻址, 波形ROM 根据输入的地址查表输出正弦波幅度量化值。该幅度值经过DA 转换后 变为模拟信号。由于该模拟信号的杂散和谐波分量较多,所以还需要通过低通滤 波处理,从而得到所需要的输出信号 。 f o f f 2 /  /(2 t) 对于正弦波信号 ,有 ,其中 为一个采样周期  t 之间的相位增量,t 1/ f , K 2 / 2N ,所以DDS 系统的最终信号输出频 c 率 取决于相位累加值K 和累加频率 ,两者的关系通过下式决定。 f o f c K  fc f o N (3-1) 2 频率分辨率为f f c / 2N 。 由上可知,DDS 技术可以理解为数字信号处理中信号综合的硬件实现问题, 即给定信号幅度、频率、相位参数,产生所需要的信号波形。如图3-2 所示,从系 统的角度可以认为是给定输入时钟 和频率控制字K ,输出对应的正弦信号。 f c K K DDS fo fc N 2 fc 图3-2 系统观点中的DDS 1、相位累加器原理 相位累加器是DDS 最重要的组成部分,完成相位量化值的累加并保存当前总 18 第三章 信号模拟器单元电路设计 的累加数值。若目前累加器数值为 ,完成一次累加后变成 ,则有: n n1   K (3-2 ) n1 n 其中, 是一个等差数列,因此有:  n n n K 0 (3-3 ) 0 表示相位累加器的初始数值。 相位累加器在实际应用中采用加法器和寄存器进行组合设计实现。在累加时 钟的控制下完成量化数值的累加,并将累加值保存在寄存器并输出。图3-3 是工程 应用中使用的相位累加器的实现框图。寄存器的宽度由累加器的累加宽度决定, 通过多个触发器并联构成。频率控制字及累加值不同,加法器在每个累加周期的 输出值就不同。对应改变了输出信号在每个周期的抽样率,通过改变累加频率和 累加值,完成对输出波形的控制。 N位 N位 N位 K 数字全加器 N位 数字寄存器 M位寻址输出 fc 图3-3 相位累加器结构框图 2 、正弦波形查找表ROM 正弦波形查找表 ROM (或RAM )存储的数据是经过数字量化处理后的正弦 波形在一个信号周期内相位点的二进制幅度值。相位累加器在累加时钟的作用下 进行累加,并将累加值输出送到ROM 的地址端。由于累加器的位宽往往高于ROM 的地址位宽,所以通常采用高M 位数据作为地址对波形数据进行寻址。ROM 寻址 的输出对应正弦波形瞬时相位幅度的量化值。 因此,正弦波形查找表ROM 大小为2M D Bit 。其中M 为相位累加器对ROM 的寻址位宽,D 为查找表输出幅度量化值的位宽。若寻址位宽M 为14,输出量化 值位宽D 为8,ROM 的容量则为16384 Byte ,即131072 Bit 。增加正弦波形查找 表ROM 的地址位宽和输出数据位宽,可以减小量化误差,提高DDS 输出波形的 质量。但ROM 容量越大,价格和功耗都随之增加,速度和稳定性也会降低。因此, 19 电子科技大学硕士学位论文 在很多应用场合通常采用算法来压缩ROM 容量。 3、数模转换器与低通滤波器 数模转换器用于将离散的数字信号转换成连续的模拟信号。由于DAC 的分辨 率受输入数字信号的位宽以及参考电压影响,事实上DAC 输出的电压信号是阶梯 状,而不是平滑的模拟曲线。根据输出信号类型,DAC 可以分为电流输出型和电 压输出型。低速DAC 通常是电压输出型,高速DAC 则一般采用电流输出。DAC 输出的波形含有很丰富的杂散和谐波成份。因此,还需要将输出信号送到滤波器 进行处理,滤除掉波形中不需要的成份,从而使最终信号波形及频谱达到设计要 求。 3.1.1.2 DDS 技术特点 通过对直接数字频率合成的介绍,对其工作原理、实现机理都有了一定的认 识。DDS 系统在一系列技术指标上,均远远优于传统的模拟信号源。主要表现在 以下几个方面: 1、输出信号分辨率高 如前所述,由DDS 系统的工作原理可知,当增加相位累加器的位宽N ,就可 以获得任意小的频率调谐步进。DDS 系统的频率分辨率一般可以到mHz 或者uHz 。 2 、频率切换速度快 DDS 是一个不存在反馈控制的开环数字系统。由于数字器件的运行速度很快, 所以DDS 的频率变化快慢主要由后级滤波器的延迟决定。目前,DDS 的频率切换 速度一般可以达到ns 级。此外,还可以实现输出信号相位的连续。 3、便于信号调制 DDS 信号的产生是基于数字信号处理的方式,因此可以通过控制相位累加器 的初始值、累加速度和输出幅度量化值,达到改变输出信号的频率、相位以及幅 度等参数的目的,实现AM 、FM 、PSK 及QAM 等各种调制。 4 、易于集成和调整 DDS 中除了模拟滤波器以外,几乎

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