（通信与信息系统专业论文）基于中频处理tacan系统设计与实现.pdf

摘要 摘要 导航己经成为现代生活中不可或缺的重要组成部分，它在国民经济和现代科 学技术等各个领域均发挥着重要作用。本文主要研究了基于中频调制的塔康系统 ( t a c a n ) 中的数字下变频技术及数字信号处理算法，并最终使用了f p g a 硬件平 台来实现整个t a c a n 系统。首先介绍了t a c a n 信号的基本形式以及空地测距和 测位的基本原理。然后介绍了系统实现过程中如中频采样和c i c 数字滤波器等关 键技术的原理，接着给出了系统的硬件实现方案，f p g a 与d s p 硬件接口时序的 仿真和整个软件的设计流程，最后并给出系统性能测试和分析。 关键字：t a c a nf p g a 数字下变频c i c 滤波器 a b s t m e t a b s t r a c t n a v i g a t i o ni s 觚i n d i s p e n s a b i l i t yp a r ti nm o d e m l i v e s i tp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei n n a t i o n a le c o n o m ya n dm o d e r ns c i e n c et e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r ，w em a i n l yi n v e s t i g a t e t a c a n s y s t e mm o d u l a t e db y m e d i u m f r e q u e n c y ，a n d h o wt o i m p l e m e n t d o w n - c o n v e r s i o na n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n ga l g o r i t h m f i n a l l yw eu s of p g at o i m p l e m e n ta l lt h et a c a nn a v i g a t i o na i r b o r n ee q u i p m e n t w ef i r s t l yi n t r o d u c et h e b a s ef o r m a to ft h et a c a ns i g n a la n dt h e o r yo ft h ea i r - t o - g r o u n dd i s t a n c em e a s u r i n g a n dp h a s em e a s u r i n g ，a n ds e c o n d l yi n t r o d u c et h ep r i n c i p l ek e yt e c h n o l o g ys u c ha s m e d i u mf r e q u e n c ys a m p l i n ga n dc i cd i g i t a l s i g n a lf i l t e r t h i r d l yw eg i v et h e i m p l e m e n ts c h e m eo ft h eh a r d w a r e ，a n dt h ew h o l ed e s i g nf l o wo ft h es o l , r a r e ，a t l a s t ，w ea n a l y s et h et e s to f t h es y s t e mc a p a b i l i t y k e yw o r d ：t a c a nf p g ad i g i t i a ld o w n - e o n v e r s i o n c i cf i l t e r 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导f 进行的研究作及所取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果；也不包含为获得两安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。与我一起工作的同志所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 本人签名：丝盟 关于论文使用授权的说明 日期：! z ：2 ：i ! 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采 用影印、缩印、或其它复制手段保存论文。 ( 保密后的论文在解密后遵守此规定) 本人签名：塾煎日期：丑：! 导师签名：多故劣孚日期： ( 7 3 d 第一章绪论 第一章绪论 1 1 无线电导航系统介绍 导航己经成为现代生活中不可或缺的重要组成部分，它在国民经济和现代科 学技术等各个领域均发挥着重要作用，例如飞机舰船导航、空海港管理、大地测 绘、地震测绘、海洋工程、空海搜索救援以及导弹发射等等，具有广阔的应用前 景，人们早已对它越来越关注。导航是一门综合性很强的技术，它通过测量并确 定运动载体当前所处的位置及其航行参数，引导运动载体沿既定航线准确、安全 地航行。导航系统获取导航信息依掘的原理有多种，诸如惯性原理、无线电导航、 天文导航、地形辅助导航等。 导航系统的基本定位原理，归纳起来有三种。一是航位推算法，也称推测航 位法，它是最基本的导航定位方法，即从己知的位置开始，根据运动载体在该点 的航向、航速和时问推算出下一点的位置。二是无线电定位法，即利用无线电波 测得运动载体相对于导航台的一些几何参数来确定被导航的运动载体，在运动过 程中的运动参数( 位置、速度、加速度等) 。三是地形辅助导航定位法，也就是在 航行过程中，地形辅助导航系统预先存储有运动载体所要经过地区的三维数字地 形模型。在航行中将运动载体的气压高度( 海拔高度) 和由雷达高度表测出的运动 载体正下方地表的相对高度相减，得出地面上的地形剖面图，再将存储的地形模 型与测得的地形剖面相比较，当达到匹配时便定出了运动载体所在点的位置。 无线电导航首先应用于测向方面，其后又出现测高、测距和着陆装置。它的发 展大致经历了三个时期： 1 无线电测向时期 这个时期包括从无线电发明到第二此世界大战前。在这个时期中，无线电测 向的发展从理论和试验研究开始并制成设备，最后得到广泛应用。1 9 2 6 年出现第 一个无线导航台，它可供装有无线电罗盘的用户进行测向用，三十年代全向和定 向无线电信标得到了广泛的应用。1 9 2 5 年，美国的m o o s l y 提出了自动定向的概念， 从而出现了飞机普遍使用的无线电罗盘。1 9 3 0 年左右，无线电在航空方面开始运 用，1 9 2 9 年装设航向指点标和下滑指点标，形成仪表着陆的雏形，随着第二次世 界大战的爆发，无线电导航进入第二时期。 2 地面基准无线电导航时期 这个时期前后大约二十年，从第二此世界大战到五十年代末。这个时期内， 2 基于中频处理t a c a n 系统设计与实现 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测距、测距差和 测向一测距的时代。二战后，是地面基准无线电导航系统的大发展时期，在近距 导航系统方面，美国成功的研制了v o r 、d m e 、t a c a n 等系统。 塔康( t a c a n ) 又称战术空中导航系统就是这个时期发展起来的，是为适应 舰载、移动台而开发的军用战术空中导航系统。可用于军用和联航机场的近距导 航方面。它由相互配套的机载塔康设备和配套的信标台组成。机载设备包括一个 称作询问器的收发信机；地面站部分由地面信标( 天线) 和控制单元组成。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及在复杂气 象条件下引导飞机归航和进场着陆。塔康导航系统由美国于本世纪5 0 年代率先装 备使用，后成为北约标准军用导航系统。这个时期是无线电导航系统突飞猛进的 大发展时期，它所建立起来的许多导航系统至今仍然在航空导航中起着巨大的作 用，地面基准无线电导航系统在这个时期从无到有，不断成熟完善。 3 高性能无线电导航时期 这个时期也称为高性能无线电导航时期，时间从六十年代至今。一方面改进 和完善已有的系统性能，另一方面是研制新的系统，总的目的是获取高性能无线 电导航系统。飞机着陆引导在这个时期得到了很大的发展，目前国际上广泛使用 的是仪表着陆系统和精密雷达引进系统，此外还有正在发展和使用的微波着陆系 统。 1 2 国内外在该方向的研究现状及分析 无线电导航在未来的2 0 3 0 年内其发展的主要趋向：一、是全球、全天候、 高精度、连续、实时的全球卫星导航系统；二、是发展由多种导航设备组合到一 起的组合导航系统；三、是发展集通信、导航、识别等功能于一体的综合导航系 统；四、是发展时间基准波束扫描微波着陆以及利用g p s 等进行精密着陆的开发。 因此，在本世纪末2 l 世纪初，由于g p s 和m l s 、组合导航、综合导航与地形辅助导 航系统的应用，使无线电导航的发展步入了一个改朝换代的时期，如自i 所述一些 做出了历史贡献的系统行将就木，一些新的系统将肩负2 l 世纪的导航重任，另一 些系统将作为承上启下或作为辅助或作为备份而继续保留至l j 2 1 世纪。 卫星导航从某种意义上说是把导航台搬到了卫星上一顺离地球表面2 0 0 0 0 k m 左右的卫星可以看到4 2 的地球表面，多颗卫星组成星座，其信号便可能覆盖整个 地区。卫星发射l 频段信号，因此电波传播稳定，可以作到很高的测量精度，而且 提供丰畜的信息这就克服了陆基导航系统覆盖范围与导航精度之间的矛盾，可以 以高度的一致性为全世界的海陆空用户提供实时、连续、精确的三维位置、三维 速度和时间信息。为了满足军事和民用的需要，美国从1 9 7 3 年开始研制导航卫星 第一章绪论 全球定位系统( n a v i s t a rg l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) ，简称g p s 系统，1 9 9 2 年已全部建 成。g p s 是一个以军用为主，军民两用的系统，g p s 系统有2 l 颗工作卫星，平均配 置在6 个轨道上。g p s 是目前最好的区域导航系统，g p s 不但精度高，而且还能测 量飞机、船舶等载体的瞬时姿态。 组合导航系统是从7 0 年代开始发展起来的一种新的导航技术，利用两个及两 个以上导航系统提供的信息，通过综合处理以获得最佳导航信息。微型计算机的 发展与广泛应用，为组合导航奠定了物质基础，而新的数字滤波技术如卡尔曼滤 波理论与技术，则提供了有力的处理工具。组合导航系统能有效地利用各予系统 的信息，以取此长而补彼短。尤其是在一个大组合中，一般都有几种组合方式可 供选择，其定位精度通常可比其中任何单一的导航系统的精度提高3 0 。对于任 何运动体的导航都必须考虑冗余度，以加强保障手段的可靠程度，乃至要绝对可 靠。在组合导航系统中，通过自动故障检测，一旦发现某子系统失效，就自动转 换工作模式，因此适应性强，可靠性高。对于给定的导航系统性能要求而言，采 用组合导航与采用单一导航系统相比，其成本还会降低。譬如采用g p s 与i n s 组合 就比单独采用i n s 的成本要低。高精度i n s ，一台十几万至几十万美元，中等精度 的价格就低得多，而一台g p s 用户设备仅几千美元，甚至更低。 2 0 0 1 年1 月，我国独立自主设计研制的“北斗一号”第二颗导航卫星发射成功， 一种区域性卫星导航定位系统进入试验阶段。“北斗一号”工程利用两颗地球同 步卫星为用户提供快速定位，简短数字报文通信和授时服务。它使我国成为世界 上第三个具有卫星定位与导航系统的国家。现今已建成的“北斗一号”系统是我 国独立自主建设的卫星定位系统，能覆盖我国整个大陆及一部分沿海区域，有相 当的用户数和定位精度，对陆上和海上导航定位具有一定意义。 1 3 本课题的研究范围 早期导航系统中的收发信机以散件模拟技术为主，电路存在调试复杂，信号 处理部分设备庞大等缺点。随着数字信号处理( d s p ) 技术的发展，大容量和高速度 的现场可编程逻辑器件( f p g a ) 不断涌现，用数字信号处理的方法在f p g a 上实现 信号的数字化处理已经成为可能。 本课题的工作是在成熟的t a c a n 系统的基础上，把t a c a n 送到中频调制上来处 理，其中包括t a c a n 信号解调算法、数字下变频技术和数字滤波算法，并在对算 法进行m a t l a b 仿真的基础上将算法设计成适合f p g a 处理的硬件实现算法，最后利 用f p g a 硬件平台实现了中频调制的t a c a n 系统的数字信号处理，完成t a c a n 系 统的空地测位、测距，空空测距功能以及为飞机进场着陆提供精密距离信息的 精密测距器( d m e p ) ，并且实际测试了整机的基本技术指标。 4 基于中频处理t a c a n 系统设计与实现 1 4 各章节的安排 本文各章节的安排如下： 第二章介绍了塔康系统信号的基本形式以及测距系统和测位系统的基本原 理。 第三章介绍基于中频处理的t a c a n 系统实现过程中应用到的关键技术，重点 介绍中频采样、数字滤波器m a t l a b 与v h d l 设计以及数据后期处理的原理。 第四章介绍了t a c a n 系统的硬件实现方案，对t a c a n 整个系统的实现，软 件算法，硬件之间通信方法和系统自动增益控制进行了阐述。 第五章给出了t a c a n 系统性能的要求。 第二章t c a n 系统的工作原理 第二章t a c a n 系统工作原理 2 1t a c a n 概述 塔康( t a c a n ) 又称战术空中导航系统，是为适应舰载、移动台而开发的军用 战术空中导航系统。可用于军用和联航机场。它由相互配套的机载塔康设备和信 标台组成的极式近程无线电导航系统。机载设备包括一个称作询问器的收发信机， 地面站部分由地面信标( 天线) 和控制单元组成。塔康系统工作频段为9 6 2 1 2 1 3 兆赫兹，共有2 5 2 个波道。 1 与地面信标台及航向系统配合，可组成空地测位、测距系统。能连续自动 地测定飞机无线电方位角，飞机至信标台地的直线斜距以及航道偏离的数 据，同时输出信标台的识别信号。 2 与装有同类设备的飞机协同工作，可组成空空测距系统，提供与空中最近 一架飞机的相对距离的信息。 3 与装有空中信标设备以及空空测位天线的飞机协同工作，可组成空，空测 位、测距系统，提供该飞机的相对方位和相对距离的信息。 4 配合微波着陆系统，可为飞机进场着陆系统提供精密距离信息。 塔康系统从一个已知的基准点提供极坐标下的方位和距离信息。依靠这些信 息，飞行员就能在航图上确定他的位置，塔康系统本身不去测量也不能提供飞机 的航向。如图2 1 所示，方位信息从磁北开始计，并且显示在以度数划分的指示器 上；而距离信息以海里数指示。这里的距离是指信标天线到飞机的斜距，并称之 为。信标距离” 参考点信棒：、 图2 1塔康原理 磁北 6 基丁中频处理t a c a n 系统设计与实现 2 2 中频调制的t a c a n 的合成信号 从地面信标发射的信号实际上是许多单独信号的组合。不稳定( 随机可变的) 振荡器脉冲、询问应答脉冲和1 5 赫兹、1 3 5 赫兹调制信号被加到频率约为1 0 0 0 兆 赫兹( 低端) 或1 1 8 0 兆赫兹( 高端) 的载波信号上。因此合成信号包含所有为了 取得完整的方位信息所必须的成分。用接收天线、检波器和示波器就能简单地获 得这些信息。但在我们接收机接收之前，接收到的信号已经被降频为载波为7 0 兆 赫兹的带有振荡器脉冲、询问应答脉冲和1 5 赫兹、1 3 5 赫兹已调信号。 塔康系统中所有的脉冲都按脉冲进行编码，并且全部都具有相同的基本特征： 即3 5 p s 的脉冲宽度和1 2 p s 的脉冲间隔。如图2 2 所示。 八 3 5 u s | 1 l - - - _ - - - - - 一 1 2 u s 7 图2 2脉冲对的基本特征 对不稳定振荡、d m e 、台识别、主基准和辅助基准信号的脉冲对的间隔进行 不同的编码。机载接收机对各种不同的信号进行译码并将他们分别送到适当的电 路中去。 1 5 赫兹和1 3 5 赫兹调制信号由天线结构中的无源阵子产生，主基准和辅助基 准脉冲在天线脉冲线圈上被触发，脉冲的形成和编码在信标中完成。下面分别介 绍。 2 2 1a m 调制信号的形成 当1 5 赫兹和1 3 5 赫兹的调制信号与基准脉冲适当结合时，就可提供所期望的 方位信息。1 5 赫兹系统提供“粗测”信息，1 3 5 赫兹系统提供“精测”信息。1 5 赫兹和1 3 5 赫兹的调制信号由无线装置中的无源振予产生。调制元件实际上就是 这些小的无线天线。它们会截取和再辐射一部分来自中央天线的能量。天线装置 的俯视图如图2 3 所示。 第二章t a c a n 系统的工作原理 旋 转 一k 罗甜 巾心天线辟 捌元件 7 图2 3塔辰天线俯视圈 首先考虑中央天线，当这个振子被恰当的激励后，它辐射的能量将是全向的 辐射图形。接着考虑装在中央天线附近小圆筒上的单个振子，当来自中央天线的 能量激励该振子时，它将截取该能量并从该振子再辐射出去，这时圆形的辐射图 形将变成心形的辐射图形。现在假设寄生振予以9 0 0 转分，即1 5 转秒的转速在 中央天线周围旋转，那么心形辐射图也将以1 5 转秒的转速旋转，于是将产生1 5 赫兹( 基波) 调制。现在考虑装在同一个旋转结构上的九个无源振子的天线阵， 这九个无源振子与单个振子一样，只是装在一个较大直径的圆筒上。当圆筒旋转 时，九个振子同样地从中央天线截取能量并辐射出去，从而形成九个波瓣。由于 基波调制是1 5 赫兹，所以由九个振子产生的调制是1 3 5 赫兹。 由于旋转心形图的结果，在空间任一点上接收到的来自信标的信号，就具有 时间函数的周期性振幅变化。变换成直角坐标肘，调制的辐射图形具有正弦波的 形式。1 5 赫兹调制的一个周期相对于地理坐标代表3 6 0 。的方位，而1 3 5 赫兹调制 的一个周期代表4 0 0 的方位。完整的包络详图如图2 a 所示。由图可以看出1 3 5 赫 兹调制的中心振幅点与1 5 赫兹调制包络相交。“时间”基准刻度表明当俯视天线 阵按顺时针方向旋转时心形图振幅变化的时序。 、 - pl 卜3f 。 信 d 号 vv 心x 0 强 度 1 6 08 04 00 3 2 02 4 01 8 0 方傀表示叫 图2 4 包络图 度 ! 基于中频处理t a c a n 系统设计与实现 2 2 2 主基准脉冲 接收辐射信号的机上观察者仅仅由调制信号还不能确定他的方位角。必须有 一个能迭加到调制信号上的基准系统，观察者才能确定他相对于发射机位置的方 位。为了建立这个基准系统，每当塔康信标的1 5 赫兹心形图波瓣的最大值指向地 理上的东方时，就发射一个脉冲。由于地理上的磁北被作为方位基准的零度，所 以也称这个脉冲为“北”基准脉冲。这个北基准脉冲即主基准脉冲，是靠安装在 天线装置中的磁拾系统产生的。个软铁从旋转调制圆筒的底部伸出，圆筒每旋 转一周，它便通过磁拾系统一次。通过改变磁场，线圈中感应的电压被反馈给信 标，在那儿它被编码成代表主基准脉冲的脉冲组。当心形图波瓣的最大值指向东 方时才会产生这个北基准脉冲。 2 2 3 辅助基准脉冲 辅助基准脉冲由安装在天线底盘上的软铁产生心形图每一转，就有八个辅 助基准脉冲组和一个主基准脉冲组。这九个脉冲组均匀分布( 相距4 0o 间隔) ，于 是每一组之间的间隔就表示方位角的4 0o 。在塔康系统中不产生第九个辅助脉冲 组，因为主基准脉冲组组建了这第九个辅助组。辅助脉冲组与1 3 5 赫兹调制组合， 代表精测方位角，这与建立粗测的1 5 赫兹调制相似。1 3 5 赫兹调制的一个周期代 表方位角4 0 。借助1 3 5 赫兹系统，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调制后的塔康合成信号波形图中 得到。 图2 5 主辐基准群 第二章t a c a n 系统的工作原理 2 3 1 测位原理 2 3 测位与测距原理 9 测位原理是在v o r 的基础上发展起来的，也是通过测量接收的信号包络相位 来确定方位。地面台发射的信号的水平方向图为心形图，如图2 6 所示。 一! 、八 e 时，放大倍 数g 偏大，需减小放大倍数，即a g c 电压增大，相当于模拟a g c 中的“充电”过 程当i s ( n ) l e 时，则增益g 在上升时间内应该下降，即降低增益应为： a g = 2 0 ( 1 9 s ( n ) 一l g e ) ( 4 - 2 ) 因此每一个样点增益应下降： 箜：2 0 ( 1 9 l s ( n ) - l g e ) ) n n 其中 肖a g c 的时间常数有关，= 上升时间( 或释放时间) 抽样频率。假设a g c 的总增益控制量为马单位为d b ，电压变化范围为铡有： ：20(19ls(n)l-lge)g。鱼( 4 - 4 )= x 二( 4 - 4 ) na 单位为v ，则a g c 电压在每一个样点应增加。c = 2 0 b n a 这是与a g c 的时间常数有 关的一个变量，因此也称之为时间常数。 4 4 2t a c a n 系统的自动增益控制设计 需要在t a c a n 系统中设计一个a g c 系统，其动态范围为7 5 d b 。我们在该系统 中，需要有两个a g c 控制模块，一个是用来控制r f 端输入信号的大小，用来保护系 统安全；一个用来控$ l j a d 端的信号输入的大小，用来保持信号的幅度。 a g c 控制模块的功能是检测出视频信号包络的占空比变化，从而计算出接收 i j 第四章基了：中频处理t a c a n 系统实现 信号幅度变化量，经过一定的放大反馈给受控衰减器，调整输入信号幅度，使输 入信号在a d 采样范围之内。 a g c 控制模块输出为要衰减的d b 值，用来调整数控衰减器的衰减量。a g c 控 制模块由比较器、计数器、低通滤波器、计算模块和增益放大几部分构成，实现 框图如图3 7 所示。 世砸垂h 习吨曰屯堕h 亘卜 巫h 与帮l i一_ 广 l h 计算h t 叫黔刊诗赣嚣卜1 壁i i l 叮删l l 一卜口 图4 1 6a g c 环路实现框图 如果输入信号超出前端a d 的动态范围时，也就是说连续信号的幅度超过正常 幅度，直接导致信号的占空比变化。通过a g c 控制数控衰减器调整输入信号幅度， 使输出信号落入a d 采样动态范围内。数控衰减量的调节直接由输入信号的占空比 确定。采样信号1 5 h z 包络与信号占空比的关系，如图4 1 7 所示。 1 5 h z 包编 一“f i 戳 受f j 澉 厂广 删 窄比 图4 1 7 信号1 5 h z g 络与信号占空比的关系 设射频前端a d 正常工作时连续信号幅度为4 ，设输出信号门限为： 以= 口4 ( 0 如) ，并设新的接收信号超过 门限时的相位为九。，则有： 屯x s i n = 如 ( “) 由( 4 6 ) 式得： 基于中频处理t a c a n 系统设计与实现 = a r c s i i l e ) 抽。盈 设信号新占空比为二，则有： 形；至= 兰：纽 _ l - x a r c s i n 悼1 a a ”, , = 2 0 l o g l - 吒_ 0 石j 其中x ( n ) 为低通滤波器的输入，y ( n ) 为低通滤波器的输出，口为滤波器系数。 大方便了硬件的修改和调试。a g c 扩展了接收机的动态范围，使接收机的工作性 第四章基于中频处理t a c a n 系统实现 4 4 小节 本章中，我们主要讨论了t a c a n 系统信息单元的数字化设计，也就是t a c a n 系统信号的数字化处理。第一节主要介绍了采用f p g a 结构的系统方案和硬件平 台的结构，第二节详细分析了系统硬件之间借口通信方法与设计，第三节讲述了 接收机整个软件的算法，第四节介绍了系统的自动增益控制。那么我们整个系统 的设计的流程就基本上介绍完毕。 第五章t a c a n 系统性能测试 第五章t a c a n 系统性能测试 5 1t a c a n 系统方位测量数据 5 1 1t a c a n 系统方位技术要求 t a c a n 系统方位主要技术指标： 1 ) 方位数据范围及精度 范围：o d 3 6 0 。； 精度：1 5 h z 和1 3 5 h z 合成调制度在1 5 6 0 时方位精度： 1 8 。； 单1 5 h z 调制度在7 3 9 时方位精度： 3 。； 2 ) 跟踪速率 方位变化率为越0 6 s 时，应能锁定和跟踪，并给出正确数据： 3 ) 捕获时间 从搜索转入跟踪的时间不大于2 s ； 4 ) 记忆时间 当处于方位跟踪状态时，对以前跟踪上的但丢失的方位信号应记忆3 5 s ； 5 ) 1 5 a z 夕b n 相移 当1 5 h z 包络相对1 3 5 h z 包络之问相位差为一1 5 。+ 1 5 。时，方位测量应能锁 定并在方位变化率为5 。s 时保持方位跟踪。 5 1 2 测试结果及分析 由于这个系统的测试必须在飞机上才能够进行真正的外场测试，所以在平常， 我们只能通过模拟器来实现基本的测试，在模拟器的测试中，我们的测位数据一 直保持在1 度左右的误差，跟踪的时间上，也在o 5 s 以内，因为每捕捉一次信号， 必须需要一个经过1 5 h z 的一个包络，所以相对时间上的跟踪不仅仅是算法上的一 个关键技术，也是需要根据信号的要求来处理的。 基于中频处理t a c a n 系统设计与实现 5 2t a c a n 系统距离测量数据 5 2 1t a c a n 系统测距技术要求 t a c a n 系统距离主要技术指标： 1 ) 距离测量范围及精度 距离测量范围为0 k m 4 8 0 1 u n ； 当应答效率不小于5 0 时，距离测量精度应满足下面要求：在0 1 0 0 1 a n 时 不劣于0 2 k m ；在1 0 0 4 8 0 k m 时不劣于0 4 k i n ； 2 1 跟踪速率 当应答器的应答效率不小于5 0 ，距离变化率为监白形s 时，应能锁定和跟 踪； 3 ) 捕获时间 当应答器的应答效率不小于6 0 时，从搜索转入跟踪的时间应不大于l s ； 4 1 记忆时间 当处于距离跟踪状态时，对以前跟踪上的但丢失的距离信号应在距离搜索 前记忆1 5 2 s 。记忆应是速度型。 5 2 2 测试结果及分析 根据模拟器的得出的结果，在所要求的4 8 0 h n 以内，t a c a n 距离测量数据与 模拟器的结果进行比对得到的误差数据小于5 0 m ，但是模拟器毕竟和实际的情况的 噪声有差别，所以还是需要能够在实际的空间中试飞才能够得到更加正确的结论， 再对算法的一些数据进行相应的修改。 第五章t a c a n 系统性能测试 5 4 系统实物图 基丁中频处理t a c a n 系统设计与实现 5 3 小节 本章中，我们主要介绍的是t a c a n 系统测试的情况。首先分析了系统给出的 技术指标，其次，给出了整个系统在模拟器上实测的数据，并对测试结果进行了 分析说明，最后，给出了瞄c a n 系统整机硬件实物图。 结束语 结束语 5 5 本文主要研究了在中频调制的塔康系统( t a c a n ) 中的数字信号处理，通过仿 真证明了本文中数字信号处理算法的可行性，并用f p g a 硬件平台实现了基于中 频处理的t a c a n 系统的数字信号处理，完成t a c a n 系统的空地测位、测距功 能，并最终完成设计为飞机的导航的机载设备。 本文在第二章对t a c a n 系统基本概念作了一个简单的介绍，并着重介绍了 t i c n 系统的信号形式以及方位和距离测量的基本原理。在第三章里主要介绍了基 于中频处理t a c a n 系统数字信号处理的关键技术，首先简单介绍了信号中频采样 理论和数字下变频技术，接着介绍了数字滤波器的m a t l a b 的设计的方法和 f p g a 实现，最后对整个系统的数据后处理理论进行了详细分析。在第四章晕讨论 了t a c a n 系统信号处理单元的数字化设计，首先介绍了采用f p g a 结构的系统方 案和硬件平台的结构以及硬件结构的原理图，f p g a 与d s p 之间的数据传输的实 现，接着详细分析了系统算法设计中的几个主要部分，如信号的识别，导脉冲法 测距等，最后还介绍了系统接收机的自动增益控制的实现。在第五章首先主要分 析了系统给出的技术指标，其次给出了整个系统实测的数据，并对测试结果进行 了分析说明。 本文只是对t a c a n 系统在中频数字信号处理部分做了研究，为了使系统更 加完善，功能更齐全，并具有较好的抗噪声抗干扰能力，还需要作进一步的不懈 努力。 致谢 致谢 首先，衷心感谢我的导师张辉教授。在科研工作和日常生活中，张老师给了 我无微不至的指导、关怀和帮助。他的悉心指导和言传身教，使我在理论和实践 上得到了锻炼和提高，渊博的专业知识、严谨的治学态度和平易近人的作风都给 我留下了深刻的印象，是我在今后工作生活中学习的榜样。 感谢和我一起学习和工作过，给予我许多帮助的实验室的同学们。他们有王 亚东，刘向字，高帆，李腾飞，宁耀军，郭世欣。任明露等。 同时。还要感谢7 6 5 厂的工程师，他们在课题的研究阶段，作了大量实际工 作，在论文的研究阶段，提供了大量资料和实验数据。 借此机会，深深感谢我的父母亲对我二十几年的养育之恩，他们为我的成长 倾注了大量心血，他们无私的爱和深切的期望是我漫漫求学征途中的强大精神支 柱。还要感谢我的朋友，他们的支持和关爱给了我巨大的信心和动力。 最后，衷心感谢参加论文评审和答辩的各位专家教授l 参考文献 参考文献 【1 】t h a n y th u a g c ，p l a n t j b a k a h n a n f i l t e r b a s e d t r a c k i n g s c h e m a w i t h i n p u t e s t i m a t i o n i e e et r a n s a e s ，1 9 7 9 ，1 5 ( 2 ) ：2 3 7 2 4 4 1 2 1 b a r - s h a l o myb i r m i w a li cv a r i a b l ed i m e n s i o nf i l t e rf o rm a n e u v e r i n gt a r g e tt r a c k i n g i e e e t r a n s a e s ，1 9 8 2 。1 8 ( 5 ) ：6 2 1 6 2 9 3 1 b a r - s h a l o m y c h a n g k c t r a c k i n g a m a n e u v e r i n g t a r g e t u s i n g i n p u t e s t i m a t i o n v e m u s i n t e r a c t i o n m u l t i p l e m o d e l a l g o d t h m i e e e t r a n s a e s , 1 9 8 9 2 5 ( 4 ) ：2 9 6 3 0 0 【4 】朱延军d m e p 精密测距技术研究，导航，2 0 0 2 年第4 期，5 9 - 6 3 页 5 1u w em e y e r - b a e s e 数字信号处理的f p g a 实现北京：清华大学出版社2 0 0 3 1 0 1 徐志军，徐光辉c p l d f p g a 的开发与应用北京：电子工业出版社 2 0 0 2 1 7 1 刘青，王晓军。雒怡采样c p l d 技术实现精密测距，导航，2 0 0 4 年第2 期，5 9 6 3 页 s l 丁玉美，高西全数字信号处理，第二版西安：西安电子科技大学，2 0 0 1 1 9 向敬成，张明友雷达系统电子工业出版社2 0 0 1 5 【i o 赵树杰信号检测与估计理论西安；西安电子科技大学，2 0 0 0 【1 1 】j o h n g p r o a k i s d 牺t a l c o m m u n i c a t i o n s t h i r d e d i t i o n 北京：电子丁业出版社1 9 9 8 9 【1 2 1 张辉、曹丽娜现代通信原理与技术西安：西安电子科技人学出版社2 0 0 2 1 【1 3 1b e r n a r ds k l a r 著，徐平平、宋铁成、叶芝慧等译沈连丰审校数字通信一基础与应 用( 第二版) 北京：电子工业山版社2 0 0 2 9 【1 4 1 秦永元，张洪钺，汪叔华卡尔曼滤波与组合导航原理西安：西北工业大学出版 社2 0 0 4 7 【1 5 1 刘徐德战术通信、导航定位和识别综合系统文集北京：电子工业出版社1 9 9 2 1 【1 6 1 曾繁泰，陈美金v h d l 程序设计北京：清华大学大学出版社2 0 0 1 2 【1 7 1 张贤达现代信号处理( 第二版l 北京：清华大学大学出版社2 0 0 2 1 0 孙仲康雷达数据数字处理，北京：国防工业出版社，1 9 8 3 【1 8 1k a l a t a p l l t h e t r a c k i n g i n d e x ：a g e n e r a l i z e d p a r a m e t e r f o r 口一声a n d 醪，t a r g e t t r