一种塔康信号波形设计方案

陆强

（中国电子科技集团公司第二十研究所 陕西省西安市 710068）

塔康系统是采用“询问-回答”方式的二次雷达方式进行测距，通过检测无线电波的往返时间，结合电磁波传播速度可以计算得到端机间距离；通过旋转地面台天线空间辐射形成的多波瓣方向图,通过方位包络和基准脉冲之间的关系，可以解算出机载设备的方位。为了实现塔康识别、测位、测距功能，塔康系统采用了一种复杂的信号波形。该波形所包含定位和测距所需的信息：

（1）1350Hz 系统识别信号；

（2）距离应答信号；

（3）方位基准信号：主基准脉冲群、辅基准脉冲群；

（4）方位空间调制信号：15Hz 可变相位粗测信号、135Hz 可变相位精测信号；

（5）随机填充脉冲。

如图1 所示。

图1： 塔康信标信号组成

1 信号波形设计方案

塔康信号波形设计方案采用“时序触发器+波形形成”方案。首先，按照GJB2784-96《塔康机载设备通用规范》的要求生成上述（1）～（5）各类基本信号的时序触发信号；然后，按照塔康不同工作模式的各类信号优先级要求进行混合编码，最终形成塔康信标台要求的时序，生成所有信号的触发信号；然后，按照不同工作模式下，对脉冲对的间隔要求，在这些触发脉冲的控制下合成编码脉冲对触发信号；利用高斯脉冲形成基本的钟型脉冲信号；最后为这些成形后的钟形脉冲对进行空间幅度调制处理，用来代替和模拟实际信标台天线旋转带来的空间幅度调制。完成这些工作后将这些基带信号进行插值并正交上变频后形成数字中频信号，最后将视频信号数字IQ 数据输出至脉冲信号源。通过信号源完成射频信号输出。

1.1 信号触发器

询问信号信息被接收并初步处理得到参考脉冲后送到视频信号产生部分。通过信号时序触发器处理产生测距回答脉冲、随机填充脉冲，再附加上测位信号（包络相位和主、辅基准）以及识别信息，最终合成所需的塔康模拟信号。

塔康信号基带波形生成时序为在一个15Hz 的粗测信号周期内，由9 个135Hz 精测信号将其分割成9 各时段。第一个时段内，优先级最高的是主基准脉冲群，约占345.5μs；然后是识别脉冲和应答脉冲；第二个时段内，优先级最高的是辅基准脉冲群，约占135.5μs；然后是识别脉冲和应答脉冲；后七个时段与第二时段相同。在整个视频信号基带脉冲中会通过随机填充脉冲填充基带外包络。

信号触发器接收来自天线（控制计算机模拟产生）的基准触发信号，分别控制主、辅基准编码器，产生主、辅基准脉冲编码。这两路主、辅基准信号混合后不经过任何门电路的控制而直接进入固定延时器和混合编码器，表现出其最高的优先级。同时，为了保证主辅基准脉冲编码的最高优先级，主基准编码器、辅基准编码器会产生一个能够覆盖主辅基准持续时间的静默封闭脉冲，用来在传输基准脉冲群时间内，封闭识别脉冲和回答脉冲。该封闭脉冲宽度和相对位置的选择应保证在基准群传输期间及其前后各约40μs 左右的整个时间内绝对封闭，从而绝对保证基准信号的最高优先级。

识别信号产生电路在来自天线135Hz 触发信号的控制下，产生与主、辅基准严格同步且重复频率为1350Hz 的识别脉冲及每个识别脉冲之后100μs 处的平衡脉冲。由键控电路形成的莫尔斯电码结构为：点的长度为1/8 秒，划的长度为3/8 秒，点与划之间的间隔（含点与划、划与划）为1/8 秒，码与码（一个码由若干个点划组成）的间隔为3/8 秒。识别信号每30 秒发一次。键控电路在打键期间（一般指落键为识别状态）相应地产生两路控制信号（在键控级内部），一路使识别信号进入混合编码器，一路产生封闭信号阻止应答信号，以保证识别信号的第二优先级。

在主、辅基准封闭电路和识别信号封闭电路没有封闭的条件下，来自接收机的译码询问信号进入应答脉冲产生器，产生器产生应答信号及随机填充脉冲并发到混合编码器进入下一级。

由信标编码器输出的信号即为符合塔康信号时序的一系列触发脉冲，一路进入后一级的脉冲对编码器形成脉冲对编码，一种去接收机作为封闭信号，以保证在发射脉冲期间封闭接收机。接下来对每一种信号编码进行逻辑设计实现。

1.1.1 主、辅基准脉冲群编码

模拟来自天线的基准触发信号（本系统该触发信号由上位机显控软件控制模拟生成）分别控制主、辅基准编码器。其中，主基准编码器每对应一个15Hz 的触发脉冲，在X模式下，产生相邻间隔为30μs的12个单脉冲；在Y 模式下，产生相邻间隔为30μs 的13 个单脉冲。辅基准编码器每对应一个135Hz 的触发脉冲，在X 模式下，产生相邻间隔为24μs 的6 个单脉冲；在Y 模式下，产生相邻间隔为15μs 的13 个单脉冲。同时产生封闭脉冲，该封闭脉冲宽度和相对位置的选择应保证在基准群传输期间及其前后各约40μs 左右的整个时间内绝对封闭，从而绝对保证基准信号的最高优先级。

1.1.2 随机填充脉冲编码

随机脉冲对的编码产生主要在DSP 中实现。首先，将时间轴从60μs 开始，划分成40 个时间段，每段时长25μs。根据概率拟合曲线，计算出每个时间段的中点时刻对应的出现概率。然后，通过伪随机srand()函数，产生一个伪随机种子，用来产生后续过程中需要使用的随机数。在处理第i 个时间段时，首先用所需要产生的随机脉冲总数与该段的中点时刻对应的出现概率相乘，得到所有随机脉冲中落在第i 个时间段范围内的脉冲个数Mi。动态申请两块内存，内存大小均为Mi*sizeof(int)。一块内存空间用于作为“偏移量存储空间”，另一块内存空间用来作为“脉冲时刻值存储空间”，这两块内存空间分别用来保存“时刻偏移量”和“脉冲时刻值”。产生Mi 个在0～25 范围内的随机数，将这些随机数作为时刻偏移量，分别用它们与第i 段的起始时刻值相加，得到Mi 个脉冲时刻值。若计算得到的脉冲时刻值在720μs～760μs 的范围内，则应该给其加上一个额外的偏移值，使它移出该时间范围。

对所有40 个时间段都处理结束后，将保存着所有随机脉冲时刻值的数组进行乱序排列，并在DSP 主程序中，依次取出一个时刻值，作为定时器的中断触发时间。当定时器中断被触发，则DSP 将给FPGA 一个触发信号，由FPGA 产生一个随机脉冲，以这样的方式，来完成所有所需的随机脉冲的产生。

我们在500 ～5000 随机脉冲对进行了仿真，得到在相应随机脉冲下实际产生的随机脉冲数量对及随机脉冲对时间间隔的和，仿真结果与理论一致。

1.1.3 识别脉冲编码

本文以135Hz 为基准控制识别脉冲编码器产生点划键控信号和1350 脉冲触发信号。其中，脉冲触发信号只需要对135Hz 进行10 倍频即可得到；点划键控信号可以按照周期推算：可以用17 个135Hz 周期表示点，实现时间约为0.126 秒；用51 个135Hz 周期表示划，实现时间约为0.377 秒。在允许误差范围内。在实现过程中，编码器按照系统软件设置的字母编号，计算135Hz 周期序列的时序。并将其与10 倍频135Hz 得到的1350Hz 脉冲触发信号进行逻辑与，最终实现识别编码的产生。

1.1.4 应答脉冲触发编码

1.2 混合编码器

混合编码器的作用是模拟塔康信标的实际工作状态对信号中的脉冲进行筛选排序，保证合成的混合编码触发信号与信标实际工作状态保持逻辑一致。在得到了应答信号触发脉冲、基准群信号触发脉冲、随机填充脉冲、识别信号触发脉冲四类脉冲以及上的屏蔽信号后，它们将按照优先级顺序依次排列为：基准群信号触发脉冲、识别信号触发脉冲、应答信号触发脉冲、随机填充脉冲。按照这个优先级与时序，混合编码器用高优先级脉冲的屏蔽脉冲屏蔽掉低优先级脉冲后，就可完成基带编码的混合输出。

1.3 脉冲对编码器

塔康信标系统信号的脉冲形式，均采用了脉冲对编码型式。分为X 模式、Y 模式两种编码格式。在X 模式下，发射脉冲对的脉冲内时间间隔为12μs，在询问脉冲触发信号上升沿到来时，将输入的单个脉冲分为两路，其中一路延时12μs 和另一路异或就完成了脉冲对触发信号编码。

1.4 钟形脉冲生成

塔康系统给每一个波道仅仅划分了1MHz 的带宽，因此，GJB2784-96《塔康机载设备通用规范》采用了能量相对集中在中心频率附近的高斯脉冲。高斯脉冲的数学定义为。按照标准规范规定，脉冲的上升沿为(2.5±0.5)μs，脉冲的下降沿为(2.5±0.5)μs，脉冲宽度为(3.5±0.5)μs，这些参数是按照其数学定义在50%电平宽度计算出来的。

由于理论上的高斯脉冲数值永远不会降为零，所以，实际设计时，只能近似为高斯脉冲，通常将计算值放宽一些要求，使其达到参数要求。实现过程中在FPGA 的块RAM 中提前存储好高斯脉冲，在询问触发脉冲对信号的触发下，顺序读取块RAM 中的高斯脉冲信号，得到实际的询问信号高斯脉冲对。

1.5 空间幅度调制

空间幅度调制是对塔康信号进行空间调制模拟，模拟真实天线在空间调制形成15Hz 和135Hz 的空间电场方向性图。其包络空间幅度调制数学上表示为发射信号合成频率为 15Hz 和 135Hz 两个正弦波分量的 AM 调制，其包络表达式为：

其中，s(t)为方位角为∅处，机载设备接收到的信号幅度归一化值；A1为信号包络中15Hz 的包络的调制度；A2为信号包络中135Hz 的包络的调制度；∅为方位角。只要设置不同的值，即可得到不同方位处的信号包络，在设计实现时采用波形发生器的方法，直接将计算出的波形文件存于FPGA 中。利用视频信号与从上述方法得到的信号包络做乘法，最终可得到15Hz 以及135Hz 的包络调制信号。

15Hz/135Hz 包络信号拟采用周期抽样量化加D/A变换的方案实现，按照调幅深度对两路正弦波信号幅度值进行调节，相加后，即可得到合成包络，如图2 所示。

图2： TACAN 模拟信号

2 模拟距离测试

采用任意波形发生器、矢量信号发生器、示波器，结合功分器和环形器搭建测试环境，对实现的TACAN信号进行测试验证。距离参数是通过模拟时间延时得到的，只需测量出时间间隔即可得到其距离模拟。实际测试过程中，选取了500km，50km，0km 进行测试验证。测量结果见表1，测量结果表明塔康信号模拟的距离指标满足指标要求。

表1： 距离参数测试结果

3 模拟方位测试

本文设计的模拟器在实现输出方位信号时会输出包络相位同步脉冲信号，具有很好的测试溯源性。对其方位测试验证只需要测量相位同步脉冲和主、辅基准脉冲之间的时间间隔，通过换算时间与相位的关系，可以得出方位数据。采用示波器测量脉冲间隔的方法，测量它们之间的脉冲时间间隔。

将所得到的时间延时测量数据按照公式（2）进行计算。由测量结果可知，测量结果的误差小于参数要求的最大允许误差，模拟器方位模拟指标满足项目指标要求。

表2： 方位参数测试结果

4 结论

本文通过对塔康信号复杂波形的分析，在实验室设计实现了其基带信号波形，通过信号源和微波组件实现了塔康信号模拟，通过测试验证，其主要的距离模拟指标和方位模拟指标均达到预期设计指标要求，能够用于对塔康系统进行指标验证、计量溯源。