喬永嚴(yán) 周愛軍

（1.中國人民解放軍海軍大連艦艇學(xué)院研究生管理大隊(duì)，遼寧 大連 116018；2.中國人民解放軍海軍大連艦艇學(xué)院航海系，遼寧 大連 116018）

0 引言

在羅蘭-C 信號(hào)模擬器的研制過程中，由于硬件設(shè)備以及數(shù)據(jù)采樣量化等因素，模擬器輸出端信號(hào)的ECD 值與理論值會(huì)產(chǎn)生一定偏差。硬件設(shè)備中元器件繁多，逐個(gè)分析比較麻煩，因此，應(yīng)著重分析數(shù)據(jù)量化部分，得出結(jié)論后通過整體分析及數(shù)字補(bǔ)償方式來抑制誤差帶來的影響，從而有效地增強(qiáng)和完善信號(hào)模擬器的功能。

1 量化誤差

1.1 誤差來源

羅蘭-C 信號(hào)數(shù)據(jù)采集時(shí)，為了充分利用數(shù)模轉(zhuǎn)換器的分辨率，提高輸出信號(hào)的精度，需要將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行量化，由于數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)信息為二進(jìn)制編碼，因此，量化后的數(shù)據(jù)并不能完全代表原始信號(hào)中的信息，相對(duì)原始標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)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(hào)中，量化后的數(shù)據(jù)已經(jīng)不能包含原始信號(hào)的所有信息了。

圖1 原始信號(hào)及離散采樣數(shù)據(jù)

圖2 量化后數(shù)據(jù)

1.2 羅蘭-C 信號(hào)量化誤差

量化誤差在幅度較小的采樣數(shù)據(jù)中影響很大，將影響導(dǎo)航儀對(duì)輸出羅蘭-C 信號(hào)的相位識(shí)別和幅值檢測(cè)。設(shè)羅蘭-C 單脈沖信號(hào)寬度為200μs，以采樣周期為0.25μs 為例，羅蘭-C 前三周數(shù)據(jù)量化誤差如圖3所示，圖4 所示為設(shè)計(jì)信號(hào)每個(gè)采樣數(shù)據(jù)的量化誤差，圖5 所示為羅蘭-C 信號(hào)零基準(zhǔn)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)波形會(huì)產(chǎn)生誤差，這將會(huì)導(dǎo)致輸出的羅蘭-C 信號(hào)包周差產(chǎn)生變化。

圖3 羅蘭-C 前三周數(shù)據(jù)量化誤差

圖4 羅蘭-C 各采樣數(shù)據(jù)量化誤差

圖5 零基準(zhǔn)以上半周波峰值量化誤差百分比

2 量化誤差對(duì)ECD 影響分析

2.1 量化誤差對(duì)ECD 影響分析

標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)離散化后量化，經(jīng)過D/A 轉(zhuǎn)換成模擬量輸出，但是由于量化后采樣數(shù)據(jù)將會(huì)丟失原始標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)中的一些信息，所以不可能完全地將原始標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)還原出來，與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的不完全匹配導(dǎo)致包絡(luò)也將產(chǎn)生誤差。仿真出采樣間隔為0.2μs、0.25μs、0.3μs、0.5μs 時(shí)的信號(hào)波形包絡(luò)與標(biāo)準(zhǔn)包絡(luò)的誤差分別如圖6、7、8、9 所示，圖中虛線為標(biāo)準(zhǔn)包絡(luò)線。

圖6 0.2μs采樣間隔時(shí)包絡(luò)對(duì)比

圖7 0.25μs采樣間隔時(shí)包絡(luò)對(duì)比

圖8 0.3μs采樣間隔時(shí)包絡(luò)對(duì)比

圖9 0.5μs采樣間隔時(shí)包絡(luò)對(duì)比

由數(shù)據(jù)仿真可得出四種不同采樣間隔生成信號(hào)波形包絡(luò)都存在一定的誤差，具體誤差對(duì)比如圖10 所示。

圖10 不同采樣間隔生成包絡(luò)誤差對(duì)比

0.2μs 采樣間隔生成的信號(hào)包絡(luò)與標(biāo)準(zhǔn)包絡(luò)對(duì)比，ECD=1.2μs；0.25μs 采樣間隔生成的信號(hào)包絡(luò)與標(biāo)準(zhǔn)包絡(luò)對(duì)比，ECD=1.3μs；0.3μs 采樣間隔生成的信號(hào)包絡(luò)與標(biāo)準(zhǔn)包絡(luò)對(duì)比，ECD=1.5μs，0.5μs 采樣間隔生成的信號(hào)包絡(luò)與標(biāo)準(zhǔn)包絡(luò)對(duì)比，ECD=1.6μs。可以看出，針對(duì)這四種采樣間隔，值越大，模擬出的信號(hào)包絡(luò)線與標(biāo)準(zhǔn)包絡(luò)線誤差也就越大。

2.2 羅蘭-C 信號(hào)波形要求

信號(hào)波形的幅度失真會(huì)對(duì)導(dǎo)出包絡(luò)零點(diǎn)位置產(chǎn)生影響。波形幅度失真1%，可造成0.6μs 的包絡(luò)零點(diǎn)誤差[1]。羅蘭-C 導(dǎo)航系統(tǒng)要求導(dǎo)航臺(tái)發(fā)射信號(hào)波形前沿與標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)的幅度偏差不超過±4%，前沿的幅度不穩(wěn)定性不超過1%。脈沖—相位測(cè)距差系統(tǒng)中要求包周差的均方誤差小于±0.2μs[1-2]。

羅蘭-C 信號(hào)是嚴(yán)格按一定波形發(fā)射的，其載頻信號(hào)各周的幅值不相等，相鄰兩幅值之比也各不相等。接收機(jī)進(jìn)行周期識(shí)別時(shí)，對(duì)30μs采樣點(diǎn)前兩個(gè)振幅（脈沖的22.5μs 處和27.5μs 處）的比值有著嚴(yán)格規(guī)定：

實(shí)驗(yàn)證明，采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)生成的羅蘭-C 信號(hào)是無法被接收機(jī)鎖定在30μs處的，原因是因?yàn)樵谛盘?hào)模擬產(chǎn)生電路中包含大量的電阻電容和運(yùn)放等器件，這些電子器件的存在不止會(huì)帶來噪聲，而且還會(huì)影響信號(hào)的輸出，綜合DA 量化帶來的誤差，使最終生成的信號(hào)已經(jīng)無法滿足接收機(jī)對(duì)接收信號(hào)的要求。

2.3 誤差補(bǔ)償

設(shè)計(jì)所用DA 芯片為八位芯片，以C8051F120 為核心研制的羅蘭-C 信號(hào)模擬器，由于誤差帶來的影響，已經(jīng)不能采用包周差為零的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型了。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)包周差進(jìn)行補(bǔ)償。

由于各種誤差對(duì)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(shí)驗(yàn)相結(jié)合的辦法，倒推求得可以使導(dǎo)航接收機(jī)定位的羅蘭-C 信號(hào)對(duì)應(yīng)的包周差值。經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)證明，在采樣周期為0.25μs的前提下，包周差的最優(yōu)值可取1.5μs。

3 結(jié)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(duì)采集羅蘭-C 信號(hào)數(shù)據(jù)的影響，仿真出每個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的誤差，并給出基準(zhǔn)線以上每半周波峰值誤差比例圖，分析了不同采樣間隔時(shí)量化誤差對(duì)信號(hào)包周差的影響。最后根據(jù)接收機(jī)對(duì)信號(hào)的要求，通過整體分析和數(shù)字補(bǔ)償?shù)姆椒ǎo出了對(duì)應(yīng)的最優(yōu)包周差值。

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

［2］吳苗,朱濤,李方能,等.無線電導(dǎo)航原理及應(yīng)用[M].國防工業(yè)出版社,2008：179-182.