基于数字通信的中大口径引信信息双向传输技术

基于数字通信的中大口径引信信息双向传输技术

0信号静态感应装定系统可靠性技术是根据实际的战场环境和作战目标，通过安装终端对每个发射点的弹药进行独立编程，及时选择合适的可靠性操作和控制信息。这是精确打击、提高弹药作战效率、显著提高武器损坏率的关键之一。电磁感应装定因其抗干扰能力强,能量和信息可实现一体化同步传输等优点,应用最为广泛。它通过发送线圈和接收线圈之间的电磁耦合,实现引信和火控系统之间的动态信息交联。本文介绍了一种基于半双工通信原理的引信静态感应装定系统。首先提出了三种数字通信模型,并对每种通信模型的特点与工作原理进行了说明。然后结合引信静态感应装定系统的特点,选择了半双工工作方式,详细介绍了这种感应装定系统的设计。最后通过试验验证了这种装定器的可行性。1信号传输模块一般的引信感应装定系统可以抽象为如图1所示的一个典型的数字通信模型。它由信源、数字信道和信宿三部分组成,狭义的数字信道只包括传输媒介部分。对于引信感应装定系统,信源是装定信号发生器,数字信道包括编码器、调制器、感应耦合回路、解调器和译码器,信宿是引信装定模块中的存储器。引信信息装定的过程,就是装定器不失真地将装定信号通过感应耦合回路传输到引信的过程。1.1半双工通信模式装定系统信息双向传输可以分为能量传输、装定信息传输和信息回传三部分。根据这三部分对信道的占用情况,可以将整个系统的工作分为全双工、半双工和时序法。这里定义装定器发送数据到引信为下传;引信将数据反馈回装定器为上传。(1)全双工法:装定器一直向引信发送能量,刚开始向引信发送一定时间的能量,为引信电路工作提供电能,在后续的信息下传与上传过程中,信息即能量,继续被存储在引信的储能电容中。下传采用相移键控(2PSK),上传采用基于负载调制的装定数据反向传输技术(LSK),即利用MOS开关管导通和关断,改变次级回路结构,获得不同的次级回路对初级回路的反射阻抗和初级线圈端电压。对初级线圈端电压信号进行解调,可得到MOS开关管的驱动信号,从而实现数据的反向传输。负载调制技术实际上也是一种幅移键控。(2)半双工法:和全双工相似,装定器一直向引信传送能量。装定信息传输和信息回传是按照给定的协议交替进行的,是一个分时系统。下传一般采用幅移键控,上传采用负载调制技术。(3)时序法:装定器首先向引信发送能量和信息,在装定器发送的停顿期间,引信将装定的数据发送给装定器,因此,下传和上传在时间上是交替进行的,装定器和引信都可以向对方发送数据,即两者均兼有发射机和接收机的功能。全双工数据通信模型如图2所示,Vs是已调装定信号源,R1为负载电阻,发送线圈L1和C1构成了初级谐振电路。下传采用相移键控,因为上传采用的LSK实际上是一种幅移键控,如果下传采用幅移键控将无法正确解调装定信息和反馈信息。接收线圈L2和C2构成了次级谐振电路,得到的次级电压送给装定信号解调电路处理,输出装定信号。同时,装定数据被用于控制开关S1去接通R2或者是R2′,获得不同的次级回路对初级回路的反射阻抗和初级线圈端电压,实现信息回传。初级电路中的负载调制信号解调电路将检测到的信号处理并输出反馈信息。半双工数据通信模型如图3所示,和全双工数据通信模型相比,半双工数据通信下传采用幅移键控(2ASK),次级引信对接收到的2ASK信号进行解调;信息下传和上传是分时进行的,一个完整的通信过程是:装定器首先向引信发送一段能量载波,为引信次级电路工作提供能量。然后发送装定信息,次级引信将接收到装定信息进行解调、解码并存储。次级引信将接收到的装定信号对次级回路进行负载调制,引起初级电路线圈端电压的变化,对LSK信号进行解调获得反馈信号,从而完成整个通信过程。全双工和半双工方式的共同点是:能量传输是连续的,与数据传输的方向无关。时序法只有在下传中传输能量。对于引信感应装定系统来说,引信是无源工作的,所需的全部能量由装定器提供,所以不适合时序法工作。半双工法是分时工作的,实时性较差。引信静态感应装定系统中的信息双向传输系统模型采用半双工工作方式,主要有以下原因:(1)引信静态感应装定系统不需要很高的实时性;(2)引信控制电路的体积一般不大,全双工通信采用相移键控,相移键控的解调设备复杂,增加了引信控制电路的体积和复杂性;(3)由文献可知,幅移键控的最高数据传输速率能达到500Kb/s,目前引信静态感应装定系统中的数据传输速率一般为每秒几千比特到几万比特,幅移键控可以达到数据传输速率的要求。1.2信号编码设计根据数字信号控制载波的参量不同可以将调制分为幅移键控(2ASK)、频移键控(2FSK)和相移键控(2PSK)三种方式。已调信号的解调有相干解调和非相干解调两种。数字调制系统的主要性能包括频带宽度、设备复杂程度、误码率等,下面对三种基本数字调制方法的性能作一简要的比较。频带宽度:当二进制基带信号的频带宽度为BS时,2ASK和2PSK系统的频带宽度都为2BS,而2FSK系统的带宽为2Bs+|f2-f1|。因此,2FSK的频带宽度最大,频带利用率最小。设备复杂程度:对于2ASK、2PSK和2FSK来说,发送设备的复杂程度相差不多,而接收设备的复杂程度与调制和解调方式相关。对于同一种调制方式,相干解调的设备要比非相干解调设备复杂。而同为非相干解调时,2PSK的设备最复杂,2FSK次之,2ASK最简单。误码率:对于同一调制方式不同的解调方法,相干解调的抗噪声性能优于非相干解调。但是随信噪比r的增大,相干与非相干解调误码性能差别减小。对于同一解调方式,在相同误码率的条件下,信噪比r的要求是2PSK比2FSK小3dB,而2FSK比2ASK小3dB。引信控制电路的体积小,要求接收设备简单,因此,在引信感应装定系统中采用非相干解调。同时,由于引信感应装定系统中的E类功率放大器的R-L-C调谐电路对开关频率较敏感,为了保证功放始终工作在最佳状态下,开关频率应保持稳定。幅移键控的载波频率稳定,适宜能量和信息的传输。通过比较确定,引信静态感应装定系统采用2ASK,接收采用非相干解调。基带信号编码的设计主要考虑如何方便地从基带信号中提取定时信息。本系统选用感应装定系统中常用的占空比调制的编码,这是脉冲宽度调制的一种变型,用脉冲占空比来表示数字信息的编码方式,脉冲周期和脉冲幅值固定不变。文献介绍了一种占空比编码方式,如图4所示,其中占空比50%的脉冲波形表示“0”,而占空比75%的脉冲波形表示“1”。目前,该编码方式已经成为北约标准的、唯一的和强制性的大口径电子引信感应装定信息的编码方式,在北约大口径电子引信中得到广泛应用。2静态感应装定系统模型图5为引信静态感应装定系统的电路框图。整个电路的工作过程分为信息装定过程和信息反馈过程。图中的Vs为2ASK信号,加到MOS管Q的栅极上。MOS管Q、电感L和L1、二极管D、电容C0和C1、电阻R组成的E类功率放大器,对2ASK信号进行放大并通过初级线圈L1发送装定信息。次级线圈L2接收到装定信息后,一部分经整流电路整流后将能量存储在储能电容C上,存储的电能经DC/DC变换后作为CPU的电源。另一部分接信号调理电路,调理后的信号送入CPU解码得到装定信息并进行存储,完成信息装定。在接下来的信息反馈阶段,信息发送电路持续发送能量载波,为次级电路的工作提供电能。次级接收电路将存储的装定信息串行发送并控制MOS管的导通与断开,改变次级电路的阻抗,引起初级电路阻抗和电压的变化。图5中的LSK反馈信号和信号调理电路用于检测和调理LSK反馈信号,调理后的信号送入CPU进行处理并显示,完成信息反馈。引信静态感应装定系统采用E类功率放大器来将调制后的装定信号放大并通过初级线圈发送出去。E类功率放大器如图5中的虚框所示,Vs是已调装定信号,C0是MOS管Q的结电容和外加的补充电容;输出回路由L1和C1组成;R是放大器的负载电阻;L1是高频扼流圈。E类功率放大器是新型的高效率放大器,工作于开关状态,在一定程度上克服了D类功率放大器的缺点,提高了效率和工作频率。E类功率放大器具有电路结构简单(单开关管)、变换效率高(理论效率接近100%)、工作可靠、工作频率高等优点。3装定成功的检验根据上述基于半双工通信的引信静态感应装定系统信息双向传输技术的理论基础,我们设计了引信静态感应装定器。装定器采用单片机作为控制器,发送装定信号并处理接收到的反馈信号。如果发送的数据和接收到的反馈数据一致就说明装定成功,否则说明装定失败。试验证明,该装定器在初次级感应耦合回路参数匹配的情况下,工作可靠。某次试验中,发送数据是4352(BCD码)。发送数据采用占空比调制编码;反馈数据用不同宽度的脉冲间隔来表示二进制的“1”和“0”,宽度宽的表示二进制“1”,宽度窄表示二进制“0”。如图6所示,前面为装定信号,后面为反馈信号。图7是载波调制后的装定信号。图8是载波调制后的反馈信号。由图6可以看出,接收到的数据也是4352,与装定数据一致。4半双工通信系统模型信息双向传输技术是引信静态感应装定系统中的一项关键技术。本文提出了全双工法、半双工法和时序法三种信息双向传输系统模型,并根据引信静态感应装定的特点