孫　博，馮永浩，趙穎輝，魯凱彬

（空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，西安　710077）

塔康信標(biāo)擴(kuò)展數(shù)據(jù)廣播抗噪聲性能分析*

孫博，馮永浩，趙穎輝，魯凱彬

（空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，西安710077）

為擴(kuò)展塔康信標(biāo)數(shù)據(jù)廣播功能，保持同導(dǎo)航功能的兼容性，分析了信標(biāo)信號(hào)格式和系統(tǒng)要求，提出了基于OOK、PPM、DPSK的數(shù)據(jù)廣播方法，將數(shù)據(jù)信號(hào)插在基準(zhǔn)群之后播發(fā)。研究了高斯白噪聲對(duì)3種數(shù)據(jù)廣播信號(hào)的影響，分別推導(dǎo)出3種數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)誤碼率公式。仿真結(jié)果表明：抗噪聲性能從好到壞依次為OOK信號(hào)、DPSK信號(hào)、PPM信號(hào)；信噪比大于15 dB時(shí)，DPSK同PPM誤碼率基本相同，均小于6×10-5。同時(shí)，由于PPM方法數(shù)據(jù)廣播速率高于OOK，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低于DPSK，具有較好的綜合性能。

開(kāi)關(guān)鍵控，脈沖位置調(diào)制，差分相移鍵控，塔康，誤碼率

0　引言

塔康（Tactical Air Navigation，TACAN）是目前使用廣泛的近程陸基無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)，采用脈沖調(diào)制體制，給飛機(jī)提供相對(duì)于信標(biāo)的距離和方位信息。

近年來(lái)，隨著通信導(dǎo)航一體化的發(fā)展趨勢(shì)［1-2］，圍繞塔康系統(tǒng)擴(kuò)展數(shù)據(jù)傳輸功能的研究相繼展開(kāi)［3］。文獻(xiàn)［4］提出增強(qiáng)型塔康系統(tǒng)的概念，即增加下行數(shù)據(jù)傳輸功能，將飛機(jī)位置數(shù)據(jù)（距離/方位）傳輸給信標(biāo)，實(shí)現(xiàn)空情實(shí)時(shí)監(jiān)視。文獻(xiàn)［5］對(duì)塔康信標(biāo)增加數(shù)據(jù)發(fā)播功能的可行性進(jìn)行了分析。信標(biāo)擴(kuò)展數(shù)據(jù)廣播功能后，可發(fā)播信標(biāo)識(shí)別碼、信標(biāo)位置坐標(biāo)、GPS差分?jǐn)?shù)據(jù)等信息，具有重要應(yīng)用價(jià)值。

本文基于通信導(dǎo)航一體化思想，提出在現(xiàn)有塔康信標(biāo)信號(hào)基礎(chǔ)上，采用OOK、PPM或DPSK方式將數(shù)據(jù)信息調(diào)制在脈沖或載波上。并且分析3種數(shù)據(jù)廣播方法的抗噪聲性能——推導(dǎo)各自誤碼率公式，再進(jìn)行仿真比較，為塔康信標(biāo)擴(kuò)展數(shù)據(jù)廣播方法的選取提供依據(jù)。

1　塔康信標(biāo)擴(kuò)展數(shù)據(jù)廣播基本要求

塔康信標(biāo)數(shù)據(jù)廣播，就是將待廣播的二進(jìn)制數(shù)據(jù)調(diào)制到上行信號(hào)，主要遵循兩個(gè)原則：

1.1對(duì)系統(tǒng)定位功能影響盡可能小

系統(tǒng)定位功能分測(cè)距和測(cè)位兩部分［6］。機(jī)載設(shè)備測(cè)距跟蹤所需最低回答概率為70%，系統(tǒng)要求信標(biāo)回答概率高于該值。目前信號(hào)體制下，系統(tǒng)滿容量時(shí)，信標(biāo)對(duì)跟蹤狀態(tài)飛機(jī)的測(cè)距回答概率為80.39%，比最低要求有一定余量。信標(biāo)原信號(hào)不攜帶數(shù)據(jù)，擴(kuò)展數(shù)據(jù)廣播功能需增加數(shù)據(jù)信號(hào)，且優(yōu)先級(jí)高于回答/填充脈沖，因此，會(huì)降低回答概率。

由于信標(biāo)發(fā)射信號(hào)時(shí)封閉接收機(jī)，信標(biāo)對(duì)某飛機(jī)詢問(wèn)回答概率Pb與每秒用于廣播數(shù)據(jù)的時(shí)間b存在式（1）的關(guān)系［7］，其中1、2和Δ分別是主基準(zhǔn)群、輔基準(zhǔn)群、回答和隨機(jī)填充脈沖引起的發(fā)射機(jī)封閉時(shí)間，n是該飛機(jī)每秒詢問(wèn)次數(shù)。對(duì)處于跟蹤狀態(tài)的飛機(jī)，當(dāng)Pb達(dá)到系統(tǒng)最低要求70%時(shí)，b取得最大值103 710μs。

系統(tǒng)測(cè)位功能基于主/輔基準(zhǔn)群和復(fù)合包絡(luò)的檢測(cè)，為避免對(duì)測(cè)位產(chǎn)生影響，數(shù)據(jù)信號(hào)優(yōu)先級(jí)低于主/輔基準(zhǔn)群。另外，X模式下系統(tǒng)采用間隔12μs、半幅脈寬3.5μs的高斯脈沖對(duì)為基本編碼，應(yīng)避免引入新的脈沖信號(hào)增加設(shè)備復(fù)雜度。

1.2數(shù)據(jù)信號(hào)格式便于機(jī)載設(shè)備進(jìn)行提取

信標(biāo)按一定周期發(fā)射基準(zhǔn)群：主基準(zhǔn)群包括12對(duì)脈沖對(duì)，脈沖對(duì)間隔30μs；輔基準(zhǔn)群包括6對(duì)脈沖對(duì)，脈沖對(duì)間隔24μs。增加的數(shù)據(jù)脈沖格式應(yīng)區(qū)別于主/輔基準(zhǔn)群，并同基準(zhǔn)群保持相對(duì)固定的位置關(guān)系，便于機(jī)載設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)提取。

2　塔康信標(biāo)擴(kuò)展數(shù)據(jù)廣播調(diào)制方法

作為脈沖信號(hào)體制系統(tǒng)，常用的調(diào)制方法有脈沖幅度調(diào)制（PAM）、脈沖寬度調(diào)制（PWM）、脈沖位置調(diào)制（PPM）。信標(biāo)發(fā)射信號(hào)要經(jīng)過(guò)復(fù)合包絡(luò)調(diào)制，因此，只能使用二進(jìn)制脈沖幅度調(diào)制，即開(kāi)關(guān)鍵控（OOK）；系統(tǒng)采用固定脈寬的高斯脈沖，不能使用PWM。數(shù)字帶通傳輸系統(tǒng)可采用振幅鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）等數(shù)字調(diào)制方式。復(fù)合包絡(luò)調(diào)制致使多進(jìn)制振幅鍵控不能使用；系統(tǒng)工作在固定頻點(diǎn)上，無(wú)法使用FSK；載波相位可用來(lái)傳輸信息，但PSK存在載波相位模糊度問(wèn)題，因而選用DSPK。綜上，可選的調(diào)制方法有OOK、PPM、DPSK。

2.1開(kāi)關(guān)鍵控

開(kāi)關(guān)鍵控，就是用固定時(shí)隙中脈沖的有無(wú)表示“1”或“0”。為避免數(shù)據(jù)脈沖序列同基準(zhǔn)群相沖突，同時(shí)便于機(jī)載設(shè)備數(shù)據(jù)解調(diào)，將數(shù)據(jù)脈沖序列插在主/輔基準(zhǔn)群之后。103 710μs平均分配135份，每個(gè)基準(zhǔn)群后數(shù)據(jù)廣播最多占用768μs。

圖1是主基準(zhǔn)群后插入數(shù)據(jù)脈沖的示意圖：使用基準(zhǔn)群作為同步頭，基準(zhǔn)群最后一個(gè)脈沖同數(shù)據(jù)消息第一符號(hào)間隔60μs；每幀包括12個(gè)碼元，每碼元占用時(shí)隙為60μs，以區(qū)別于主/輔基準(zhǔn)群的脈沖對(duì)間隔，并防止多徑引起的碼間串?dāng)_；每幀數(shù)據(jù)廣播引起的接收機(jī)封閉時(shí)間為720μs。通過(guò)該方法可實(shí)現(xiàn)速率1 620 bit/s的數(shù)據(jù)廣播。

圖1　基于OOK的數(shù)據(jù)廣播方法

發(fā)射機(jī)輸出至天線的數(shù)據(jù)信號(hào)可表示為式（2），以基準(zhǔn)群最后一個(gè)脈沖對(duì)的第一脈沖峰值點(diǎn)為時(shí)間零點(diǎn)，an為第n個(gè)符號(hào)取值（0或1），fc為載波頻率，g（t）為幅度為A、半幅脈寬3.5μs、脈沖間隔12μs的高斯脈沖對(duì)。

由于數(shù)據(jù)消息的位置和占用時(shí)長(zhǎng)固定，機(jī)載接收機(jī)檢出基準(zhǔn)群后，便可以同步時(shí)鐘并進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)。

2.2脈沖位置調(diào)制

脈沖位置調(diào)制，就是將一組n位二進(jìn)制數(shù)據(jù)組映射到包含2n個(gè)時(shí)隙的時(shí)間段上某一時(shí)隙處的脈沖信號(hào)上［8］。這里采用n為2的4-PPM：保護(hù)時(shí)隙為60μs，以保證相鄰脈沖對(duì)間隔至少60μs，防止多徑造成的碼間串?dāng)_；由于信標(biāo)編碼分機(jī)采用3μs時(shí)鐘，信息時(shí)段每時(shí)隙設(shè)定為3μs，4個(gè)不同時(shí)隙上的脈沖分別表示數(shù)據(jù)“00”、“01”、“10”、“11”。

圖2是采用4-PPM進(jìn)行數(shù)據(jù)廣播的示意圖，同OOK廣播方法相似，數(shù)據(jù)信號(hào)插入基準(zhǔn)群后。每幀包括11個(gè)碼元，引起的接收機(jī)封閉時(shí)間為759μs。通過(guò)該方法可實(shí)現(xiàn)速率2 970 bit/s的數(shù)據(jù)廣播。

圖2　基于4-PPM的數(shù)據(jù)廣播方法

發(fā)射機(jī)輸出至天線的數(shù)據(jù)信號(hào)可表示為式（4），以基準(zhǔn)群最后一個(gè)脈沖對(duì)的第一脈沖峰值點(diǎn)為時(shí)間零點(diǎn)，dn∈｛0，1，2，3｝代表脈沖位置。

2.3差分相移鍵控

不同于一般通信系統(tǒng)使用的DPSK，這里用脈沖對(duì)中兩脈沖載波相位變化表示數(shù)據(jù)。采用QDPSK，分別用0°、90°、180°、270°的相位差表示數(shù)據(jù)“00”、“01”、“10”、“11”。

脈沖序列格式等同于OOK調(diào)制的全“1”信號(hào)，每脈沖對(duì)攜帶2 bit二進(jìn)制數(shù)據(jù)，廣播速率可達(dá)3 240 bit/s。發(fā)射機(jī)輸出至天線的數(shù)據(jù)信號(hào)可表示為式（5），以基準(zhǔn)群最后一個(gè)脈沖對(duì)的第一脈沖峰值點(diǎn)為時(shí)間零點(diǎn)，φ∈｛0°、90°、180°、270°｝為相位差。

如果再將DPSK調(diào)制應(yīng)用到主/輔基準(zhǔn)群脈沖載波上，可額外增加1 800 bit/s的數(shù)據(jù)廣播速率。

3　塔康信標(biāo)擴(kuò)展數(shù)據(jù)廣播抗噪聲性能

上述3種方法或以主/輔基準(zhǔn)群作為同步頭，或?qū)?shù)據(jù)直接調(diào)制在基準(zhǔn)群載波上。假設(shè)機(jī)載設(shè)備準(zhǔn)確檢測(cè)出基準(zhǔn)群位置，完成幀同步，在此基礎(chǔ)上研究加性高斯白噪信道下幾種不同數(shù)據(jù)廣播方法的抗噪聲性能，為塔康信標(biāo)數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論參考。

3.1OOK信號(hào)抗噪聲性能

采用包絡(luò)檢波法進(jìn)行OOK信號(hào)的解調(diào)，不需要相干載波，對(duì)設(shè)備要求簡(jiǎn)單。通過(guò)門(mén)限檢測(cè)判斷固定時(shí)隙脈沖對(duì)的有無(wú)：將信號(hào)電壓同門(mén)限電平進(jìn)行比較，若信號(hào)電壓大于門(mén)限電平，判定存在脈沖，否則判定無(wú)脈沖。

行星齒輪軸滲氮后，表面化合物層疏松組織不合格，試驗(yàn)過(guò)程中受到外力，形成裂紋源，并進(jìn)一步向中心區(qū)域擴(kuò)展導(dǎo)致完全斷裂。

錯(cuò)誤判決包括兩種情況：

（1）沒(méi)有脈沖而只有噪聲時(shí)，包絡(luò)檢波器輸出的噪聲電壓v為瑞利型隨機(jī)變量，其概率密度函數(shù)如式（6）所示，σ2為高斯白噪方差；該電壓高于門(mén)限電平b時(shí)誤判為有脈沖，稱為虛警［9］，其概率Pfa如式（7）所示。

塔康系統(tǒng)基本編碼為高斯脈沖對(duì)，“1”碼元波形包括兩個(gè)脈沖，任何一個(gè)脈沖漏警都會(huì)造成脈沖對(duì)漏警，使“1”錯(cuò)判為“0”，其概率P（0/1）如式（12）所示；同理，兩個(gè)脈沖位置上同時(shí)出現(xiàn)虛警才會(huì)造成脈沖對(duì)虛警，使“0”錯(cuò)判為“1”，其概率P（1/0）如式（13）。

由于發(fā)“0”和發(fā)“1”概率相等，P（0）=P（1）=1/2，求出系統(tǒng)的總誤比特率如式（14）。

PPM信號(hào)解調(diào)誤碼有兩種情況：

（1）由于脈沖虛警，連續(xù)噪聲脈沖被當(dāng)成脈沖對(duì)，其概率P（1/0）相當(dāng)小，可以忽略不計(jì)；由于脈沖漏警，脈沖對(duì)不能被正確檢出，造成誤碼，其概率為P（0/1）。

（2）脈沖對(duì)正確檢出，但由于高斯白噪的影響，脈沖半幅度點(diǎn)位置檢測(cè)出現(xiàn)偏差。偏差量大于PPM時(shí)隙寬度一半（1.5μs）時(shí)，出現(xiàn)誤碼。

圖3　脈沖半幅度點(diǎn)位置檢測(cè)誤差

如式（15）所示，gs（t）是振幅為A的高斯脈沖，半幅度點(diǎn)t1=-1.75μs、t2=1.75μs，噪聲vn造成半幅度點(diǎn)位置誤差為 。當(dāng)vn足夠小時(shí)，同 具有式（16）的關(guān)系，如圖3所示。

高斯白噪幅度vn服從均值為0、方差為σ2的正態(tài)分布，因此，半幅度點(diǎn)位置誤差 也服從正態(tài)分布，其均值為0，方差如式（17），其密度函數(shù)如式（18），大于1.5μs的概率如式（19）。

由此求得PPM數(shù)據(jù)廣播誤碼率如式（20）所示。

3.3DPSK信號(hào)抗噪聲性能

DPSK信號(hào)的解調(diào)，實(shí)際就是通過(guò)第一脈沖載波產(chǎn)生相干載波，將第二脈沖信號(hào)當(dāng)作QPSK信號(hào)解調(diào)，其誤碼率如式（21）所示。

同PPM相似，總的誤碼率還應(yīng)考慮脈沖對(duì)漏警造成的影響，如式（22）所示。

4　仿真分析

表1是不同信噪比下脈沖對(duì)的虛警、漏警概率。信噪比高于11 dB時(shí)，脈沖對(duì)虛警概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于漏警概率，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸誤碼造成的影響幾乎可忽略。

表1　脈沖對(duì)虛/漏警概率

圖4是低信噪比情況（10 dB～15 dB）下3種數(shù)據(jù)廣播方法的誤碼率曲線，OOK信號(hào)抗噪聲性能最好，DPSK信號(hào)次之，PPM信號(hào)抗噪聲性能最差。

圖5是高信噪比情況（15 dB～18 dB）下3種數(shù)據(jù)廣播方法的誤碼率曲線，OOK信號(hào)的誤碼率仍然最低，PPM信號(hào)和DPSK信號(hào)具有幾乎相同的抗噪聲性能。3種方法的誤碼率均小于6×10-5，如果配合糾錯(cuò)編碼的使用，還可進(jìn)一步降低誤碼率，達(dá)到數(shù)字通信系統(tǒng)的可靠度要求。

圖4　低信噪比下數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)抗噪性能

5　結(jié)論

圖5　高信噪比下數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)抗噪性能

本文根據(jù)塔康信標(biāo)信號(hào)格式和系統(tǒng)要求，提出了基于OOK、PPM和DPSK的塔康信標(biāo)數(shù)據(jù)廣播方法，使信標(biāo)具備數(shù)據(jù)通信能力，同時(shí)不影響導(dǎo)航功能。所提方法對(duì)DME、俄制近程導(dǎo)航系統(tǒng)、羅蘭-C等脈沖體制導(dǎo)航系統(tǒng)擴(kuò)展數(shù)據(jù)傳輸功能有借鑒意義。另外，分析了噪聲對(duì)3種數(shù)據(jù)廣播信號(hào)的影響，分別推導(dǎo)其誤碼率公式。仿真結(jié)果表明，抗噪聲性能從好到差依次為OOK信號(hào)、DPSK信號(hào)、PPM信號(hào)，但信噪比高于15 dB時(shí)DPSK信號(hào)和PPM信號(hào)誤碼率幾乎相同，且均小于6×10-5。

塔康信標(biāo)擴(kuò)展數(shù)據(jù)廣播系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要考慮不同方法的抗噪聲性能，同時(shí)需結(jié)合其他因素，如：數(shù)據(jù)廣播速率上，基于DPSK和PPM的方法有明顯優(yōu)勢(shì)；實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度上，基于OOK和PPM的方法解調(diào)簡(jiǎn)單，在視頻信號(hào)上就可完成。綜上，基于PPM的數(shù)據(jù)廣播方法具有較好的綜合性能。

［1］周雋，許江寧，曹可勁.基于羅蘭C的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)地面通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)［J］.海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，24（4）：11-14.

［2］徐任暉，朱軍，陶昱.基于雷達(dá)的通信系統(tǒng)研究進(jìn)展［J］.軍事通信技術(shù)，2014，35（1）：37-42.

［3］馮永浩，李云，孫博.塔康系統(tǒng)擴(kuò)展數(shù)據(jù)通信功能技術(shù)途徑［J］.空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015，16（2）：49-52.

［4］劉俊琪，金榮，殷景剛.增強(qiáng)型塔康系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析［J］.導(dǎo)航，2006，42（4）：67-73.

［5］陸治綱.塔康地面設(shè)備兼容數(shù)據(jù)發(fā)播分析［J］.現(xiàn)代導(dǎo)航，2012，3（5）：338-341.

［6］吳德偉.航空無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

［7］孫博，馮永浩，盧虎，等.一種塔康信標(biāo)擴(kuò)展數(shù)據(jù)廣播功能的方法［J］.空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015，16 （4）：80-83.

［8］李昌，蔡啟博，萬(wàn)東冬.MPPM軟判決方案及其在超寬帶通信中的應(yīng)用［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，30 （5）：62-69.

［9］丁鷺飛，耿富錄.雷達(dá)原理［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2009.

［10］樊昌信，曹麗娜.通信原理［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

Anti-noiseCapability Analysis for Data-broadcast System Developed from Tacan Beacon

SUN Bo，F(xiàn)ENGYong-hao，ZHAOYing-hui，LU Kai-bin
（School of Information and Navigation，Air Force Engineering University，Xi’an 710077，China）

In order to keep compatibility between data-broadcast and navigation function of Tacan beacon，signal structure and system requirements are analysed.Data-broadcast methods based on OOK，PPM and DPSK are proposed，in which data signal is inserted after reference pulse group. Influences of Gaussian noise on different data signals are studied，and relevant formulas are given out. Simulation results show that OOK signal has best anti-noise capability，and DPSK is better than PPM. DPSK and PPM have nearly the same bit error rate which is smaller than 6×10-5when SNR is more than 15 dB.Therefore，PPM has better comprehensive property because of higher data rate than OOK and easier to achieve than DPSK.

on-off-keying，pulse position modulation，differential phase-shift-keying，TACAN，bit error rate

TN965

A

1002-0640（2016）08-0010-05

2015-04-18

2015-07-11

國(guó)家自然科學(xué)基金（61473308）；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃基金資助項(xiàng)目（2013JM 8010）

孫博（1991-），男，陜西澄城人，碩士研究生。研究方向：航空無(wú)線電導(dǎo)航。