??? 摘? 要: 介紹了基于DDS技術(shù)的自適應(yīng)米波雷達自動頻率控制" title="自動頻率控制">自動頻率控制系統(tǒng),該系統(tǒng)以直接數(shù)字頻率合成" title="頻率合成">頻率合成技術(shù)(DDS)為基礎(chǔ),以單片機為控制核心,采用高速高精度脈內(nèi)測頻技術(shù)精確測量米波脈沖雷達的發(fā)射頻率,并根據(jù)測量結(jié)果由單片機控制本機振蕩器,改變其輸出的本振" title="本振">本振頻率,保證中頻頻率穩(wěn)定,確保雷達接收機的技術(shù),、戰(zhàn)術(shù)性能得到充分的發(fā)揮。?
??? 關(guān)鍵詞: 本機振蕩器? 直接數(shù)字頻率合成? 自動頻率控制? 脈內(nèi)測頻
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??? 雷達系統(tǒng)根據(jù)其工作頻率一般分為米波雷達,、分米波雷達和厘米波雷達,其接收機通常是超外差形式的,。分米波雷達和厘米波雷達由于其工作頻率較高,一般都有自動頻率控制(AFC)系統(tǒng),控制本振頻率自動跟蹤發(fā)射頻率的變化,或者控制發(fā)射頻率自動穩(wěn)定在本振頻率對應(yīng)的頻率點上,保證雷達接收機的中頻頻率穩(wěn)定,。但是傳統(tǒng)的模擬式單環(huán)路或雙環(huán)路AFC系統(tǒng)由于受模擬電路本身的局限,使得AFC的跟蹤速度慢、跟蹤頻率范圍窄,、精度低,甚至有可能出現(xiàn)錯誤跟蹤的情況;此外,控制本振的自頻控雷達由于在本機振蕩器上加裝了頻率調(diào)整裝置,影響了本振的頻率穩(wěn)定度" title="穩(wěn)定度">穩(wěn)定度,這對動目標雷達而言是難以接受的,。米波雷達由于其工作頻率較低,基本上沒有自動頻率控制系統(tǒng),但是米波雷達的發(fā)射機工作頻率和接收機本機振蕩頻率由于環(huán)境溫度、電源電壓和負載變化而發(fā)生一定的變化,其變化范圍從幾十千赫茲到數(shù)百千赫茲,通常在500～600kHz之間,。雖然由此造成的中頻頻率變化量的絕對值不會超出中頻放大器的通頻帶范圍(中頻放大器的通頻帶通?！?MHz),但是數(shù)百千赫茲的變化量使回波信號不能得到最有效的放大,造成雷達接收機技術(shù)、戰(zhàn)術(shù)性能降低,此時即使加裝DSU(Digital Stable Unit)設(shè)備,也由于中頻頻率漂移的影響,使DSU的性能無法得到最有效的發(fā)揮,。?
??? 應(yīng)用鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)實現(xiàn)雷達自動頻率控制系統(tǒng)已經(jīng)是比較成熟的技術(shù)方案,這種方案的應(yīng)用解決了非相參雷達的自動頻率跟蹤與本振頻率穩(wěn)定度之間的矛盾,但是鎖相環(huán)固有的大慣性,、大步進間隔和非線性誤差卻嚴重地限制著鎖相環(huán)自動頻率控制系統(tǒng)的性能,使其無法滿足高速、高頻率分辨率,、大帶寬的要求,。?
??? DDS技術(shù)是近幾年來迅速發(fā)展的頻率合成技術(shù),它采用全數(shù)字化的技術(shù),具有集成度高、體積小,、相對帶寬寬、頻率分辨率高,、跳頻時間短,、相位連續(xù)性好、可以寬帶正交輸出,、可以外加調(diào)制的優(yōu)點,并能直接與單片機接口構(gòu)成智能化的頻率源,。基于DDS技術(shù)的自適應(yīng)米波雷達自動頻率控制系統(tǒng)是新一代的自動頻率控制(AFC)系統(tǒng),它以直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(DDS)為基礎(chǔ),以單片機為控制核心,通過高速高精度脈內(nèi)頻率測量模塊" title="測量模塊">測量模塊對雷達發(fā)射頻率進行精確測量,然后由單片機控制DDS,對發(fā)射頻率進行搜索和跟蹤,。因此它是一種易于實現(xiàn)的數(shù)字式智能化自適應(yīng)頻率控制系統(tǒng),。?
1 系統(tǒng)組成及工作原理?
??? 基于DDS技術(shù)的自適應(yīng)米波雷達自動頻率控制系統(tǒng)主要由高速脈內(nèi)頻率測量模塊、DDS頻率合成模塊,、單片機和包括頻率顯示,、控制鍵盤的人機接口模塊組成,如圖1所示。?
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??? 系統(tǒng)采用高速高精度實時脈內(nèi)頻率測量技術(shù),利用頻率穩(wěn)定度高達10-9的高穩(wěn)恒溫時標對頻率進行倒計數(shù)法測量,由單片機對測量結(jié)果進行分析處理,并控制DDS頻率合成模塊,完成對發(fā)射頻率的搜索和跟蹤,。系統(tǒng)中除了DDS輸出后的濾波,、放大電路采用模擬電路外,其它全部采用高速數(shù)字電路,并結(jié)合了單片機具有的可編程能力,使系統(tǒng)避免了傳統(tǒng)模擬式AFC的缺陷,能夠?qū)崿F(xiàn)更加靈活的控制,。?
??? 雷達開機后,系統(tǒng)首先工作于搜索模式:單片機控制DDS頻率合成模塊輸出本振頻率的最低值,與從發(fā)射機耦合過來并經(jīng)過衰減后的發(fā)射脈沖頻率混頻,取出下變頻后的中頻信號,經(jīng)過頻率測量模塊測量后將結(jié)果送入單片機,單片機若判斷頻率測量結(jié)果不是規(guī)定的中頻頻率值,則控制DDS頻率合成模塊將輸出的本振頻率按規(guī)定的步長(通常是頻率測量系統(tǒng)的頻率分辨率)調(diào)高,重復(fù)此過程,直到頻率測量系統(tǒng)測量得到的頻率值為規(guī)定的中頻頻率值為止。若搜索過程中本振頻率達到上限時仍未搜索到規(guī)定的中頻頻率值,則返回到本振頻率最低值,重新開始新一輪的搜索,。系統(tǒng)一旦搜索到規(guī)定的中頻頻率值就進入跟蹤狀態(tài),。?
??? 在跟蹤狀態(tài),頻率測量模塊對每一個發(fā)射脈沖頻率與本振頻率下變頻得到的中頻脈沖頻率進行實時精確測量,在發(fā)射脈沖結(jié)束時將測量結(jié)果送入單片機。單片機立即根據(jù)測量結(jié)果計算出響應(yīng)的本振頻率調(diào)整量,并控制DDS頻率合成模塊調(diào)整輸出頻率,保證在目標回波信號到達接收機時,本振信號已經(jīng)調(diào)整到與該發(fā)射脈沖頻率對應(yīng)的頻率點上,使目標回波信號下變頻后的頻率值為準確的中頻頻率值,從而保證目標回波信號能夠得到最有效的放大,。?
??? 跟蹤模式實質(zhì)上是一個自適應(yīng)的控制過程:某一發(fā)射脈沖的頻率比前一發(fā)射脈沖的頻率升高(降低)→在本振頻率不變的條件下,中頻頻率升高(降低)→頻率測量模塊的測量結(jié)果升高(降低)→單片機得到測量結(jié)果后控制DDS頻率合成模塊,使之輸出的本振頻率相應(yīng)升高(降低)→中頻頻率降低(升高)到規(guī)定值,。?
2 硬件結(jié)構(gòu)?
2.1 DDS頻率合成模塊?
??? DDS頻率合成模塊以DDS芯片AD9854為核心,包括濾波電路、放大電路和與單片機的接口電路,圖2是其組成框圖,。?
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??? AD公司推出的AD9854是DDS芯片中的典型代表之一,它具有300MHz的內(nèi)部時鐘,4～20倍的內(nèi)部可編程倍頻器使外部輸入的時鐘信號頻率可以從15MHz到75MHz,另外具有100MHz的并行接口總線,內(nèi)置正交雙通道DAC輸出,具有多種編程工作方式,能產(chǎn)生線性調(diào)頻信號和非線性調(diào)頻信號等復(fù)雜信號,。?
??? AD9854采用CMOS結(jié)構(gòu),工作電壓為3.3V,而單片機AT89C51工作在5V電壓下,其總線電平是5V的TTL電平,為保證AD9854的正常工作,必須經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后再與AD9854接口,AD9854的時鐘信號也必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后送到AD9854的時鐘引腳。AD9854有正交雙通道DAC輸出,每一個通道都是反相的互補輸出,經(jīng)MAX436放大后濾波,然后再經(jīng)MAX436放大到雷達要求的本振電平,。兩路輸出中的一路用于和發(fā)射脈沖混頻,將下變頻后的中頻信號送到頻率測量模塊進行頻率測量,系統(tǒng)已經(jīng)知道DDS頻率合成模塊輸出的本振頻率,測量出發(fā)射脈沖的中頻頻率就能計算出發(fā)射頻率;另一路作為接收機的本振信號,。?
??? 根據(jù)奈奎斯特采樣定律,當(dāng)DDS系統(tǒng)的時鐘為300MHz時,其輸出頻率的上限是150MHz,在工程應(yīng)用中通常只使用到時鐘頻率的40%,即120MHz。某型米波雷達的本振頻率上限略高于120MHz,經(jīng)查閱AD9854的數(shù)據(jù)手冊,其輸出頻率能夠達到理論的150MHz;同時經(jīng)實驗證實,AD9854能夠在雷達本振頻率上限值處穩(wěn)定工作,且輸出信號質(zhì)量完全可以滿足雷達系統(tǒng)對本振的要求,。?
2.2 高速高精度脈內(nèi)頻率測量模塊?
??? 高速高精度脈內(nèi)頻率測量模塊采用倒計數(shù)法進行頻率測量,主要由下變頻混頻器,、濾波整形電路、計數(shù)器T0,、計數(shù)器T1和時序控制電路組成,。圖3是其結(jié)構(gòu)的組成框圖,圖4是倒計數(shù)法頻率測量的時序圖。?
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??? 倒計數(shù)法測頻是用被測信號的N個周期形成一個計數(shù)門時間T=N·Tx,在T時間內(nèi)由時標F0計數(shù),這樣一來測頻就相當(dāng)于測量門寬T,T的最大量化誤差是
??? 某型雷達的發(fā)射脈沖的寬度是13μs,考慮到其發(fā)射機是單級振蕩式發(fā)射機,每個脈沖在起振和停振的過程中振蕩不穩(wěn)定,因此取中間的10μs作為測頻區(qū)間,。該型雷達的第一中頻頻率為30MHz,在正常工作時,發(fā)射脈沖與本振信號下變頻的輸出頻率應(yīng)該是準確的30MHz,在10μs的測頻時間內(nèi)應(yīng)有300個脈沖,即可取N=300;高穩(wěn)定的時標的頻率是100MHz,T0=10ns,相應(yīng)的Tx的最大誤差是T0/300=1/30ns,據(jù)此可計算出測頻的分辨率是30kHz,相對于雷達中頻放大器接近1MHz的帶寬而言,此指標完全能夠滿足雷達系統(tǒng)的要求,。用頻譜分析儀實際測得的系統(tǒng)跟蹤誤差如表1所示。?
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??? 模塊的工作過程是:當(dāng)雷達觸發(fā)脈沖到來時,時序控制電路打開計數(shù)器T,發(fā)射脈沖隨后到來,經(jīng)下變頻,、濾波,、整形后轉(zhuǎn)換成TTL方波作為計數(shù)器T的時鐘。當(dāng)計數(shù)器T計到第32個脈沖時,時序控制電路打開計數(shù)器T0,T0開始對高穩(wěn)定時標計數(shù);當(dāng)計數(shù)器T計到第332個脈沖時,時序控制電路關(guān)閉計數(shù)器T和T0,并通知單片機已經(jīng)完成一次頻率測量,單片機取走測量結(jié)果,并對硬件電路復(fù)位,準備下一個周期的測量,。?
2.3 高穩(wěn)定度恒溫時鐘模塊?
??? 本機振蕩器的頻率穩(wěn)定度是影響雷達接收機性能的關(guān)鍵性指標,。由于DDS頻率合成方法的輸出頻率穩(wěn)定度僅僅取決于其時鐘的頻率穩(wěn)定度,因此選用頻率穩(wěn)定度高達10-9的恒溫晶體振蕩器作為整個系統(tǒng)的時鐘。恒溫晶體振蕩器輸出的100MHz高穩(wěn)正弦波經(jīng)放大后整形為標準的TTL方波,一路作為頻率測量模塊的時間標準,另一路經(jīng)F161分頻為25MHz的TTL方波,經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后作為AD9854的外部時鐘信號,利用AD9854內(nèi)部的可編程倍頻器倍頻12倍使AD9854工作在300MHz的內(nèi)部時鐘頻率下,。高穩(wěn)定度恒溫時鐘模塊組成框圖如圖5所示,。?
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3 軟件結(jié)構(gòu)?
??? 單片機是整個系統(tǒng)的控制核心,可以充分利用軟件可編程控制的優(yōu)勢對系統(tǒng)進行靈活有效的控制。圖6是單片機的軟件框圖,。
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??? 通電以后單片機首先進行初始化,然后設(shè)置DDS模塊的工作模式等參數(shù),再進行時序控制電路的復(fù)位并對所有計數(shù)器進行清零操作,。隨后單片機不斷查詢測量完成信號。當(dāng)時序控制電路在雷達觸發(fā)脈沖的作用下完成一次測量時,就通過該信號通知單片機,單片機一旦查詢到測量完成便立即讀入測量結(jié)果,。然后進行分析,是標準中頻頻率時不進行本振頻率的調(diào)整,直接準備下一脈沖周期的測量,若不是則計算所需的頻率調(diào)整量,控制DDS頻率合成模塊進行頻率調(diào)整,然后再準備下一脈沖周期的測量,。?
??? 搜索和跟蹤過程的區(qū)別主要在于計算頻率調(diào)整量的方法不同,其它流程基本一致。?
??? 基于DDS技術(shù)的自適應(yīng)米波雷達本振自動頻率控制系統(tǒng)集DDS技術(shù)的先進性、全數(shù)字脈內(nèi)頻率測量的實時性和單片機軟件可編程的靈活性于一體,實現(xiàn)了對每一個發(fā)射脈沖的發(fā)射頻率的實時測量和跟蹤,是一種全新的雷達自動頻率控制系統(tǒng),。在研制過程中解決了高速全數(shù)字頻率測量模塊的設(shè)計與實現(xiàn),、高穩(wěn)定度高頻譜純度頻率合成等技術(shù)難題;同時由于雷達發(fā)射機沒有單獨組艙,發(fā)射信號的場強很大,對系統(tǒng)的抗干擾能力提出了很高的要求,在技術(shù)上采取了精心設(shè)計印刷電路板、嚴格區(qū)分模擬地和數(shù)字地以及嚴格的屏蔽等措施,整個系統(tǒng)具有跟蹤精度高,、跟蹤范圍大,、速度快、工作穩(wěn)定可靠的優(yōu)點,。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,、體積小、成本低,在國產(chǎn)某型雷達上已經(jīng)成功使用,顯著提高了該型雷達的技術(shù),、戰(zhàn)術(shù)性能,。?
參考文獻?
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