??? 摘? 要: 介紹了基于DDS技術(shù)的自適應(yīng)米波雷達(dá)自動(dòng)頻率控制" title="自動(dòng)頻率控制">自動(dòng)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(jī)為控制核心,采用高速高精度脈內(nèi)測(cè)頻技術(shù)精確測(cè)量米波脈沖雷達(dá)的發(fā)射頻率,并根據(jù)測(cè)量結(jié)果由單片機(jī)控制本機(jī)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(dá)接收機(jī)的技術(shù)、戰(zhàn)術(shù)性能得到充分的發(fā)揮。?
??? 關(guān)鍵詞: 本機(jī)振蕩器? 直接數(shù)字頻率合成? 自動(dòng)頻率控制? 脈內(nèi)測(cè)頻
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??? 雷達(dá)系統(tǒng)根據(jù)其工作頻率一般分為米波雷達(dá)、分米波雷達(dá)和厘米波雷達(dá),其接收機(jī)通常是超外差形式的。分米波雷達(dá)和厘米波雷達(dá)由于其工作頻率較高,一般都有自動(dòng)頻率控制(AFC)系統(tǒng),控制本振頻率自動(dòng)跟蹤發(fā)射頻率的變化,或者控制發(fā)射頻率自動(dòng)穩(wěn)定在本振頻率對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)上,保證雷達(dá)接收機(jī)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(cuò)誤跟蹤的情況;此外,控制本振的自頻控雷達(dá)由于在本機(jī)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(duì)動(dòng)目標(biāo)雷達(dá)而言是難以接受的。米波雷達(dá)由于其工作頻率較低,基本上沒(méi)有自動(dòng)頻率控制系統(tǒng),但是米波雷達(dá)的發(fā)射機(jī)工作頻率和接收機(jī)本機(jī)振蕩頻率由于環(huán)境溫度、電源電壓和負(fù)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(duì)值不會(huì)超出中頻放大器的通頻帶范圍(中頻放大器的通頻帶通常≤1MHz),但是數(shù)百千赫茲的變化量使回波信號(hào)不能得到最有效的放大,造成雷達(dá)接收機(jī)技術(shù)、戰(zhàn)術(shù)性能降低,此時(shí)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(wú)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(shí)現(xiàn)雷達(dá)自動(dòng)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(dá)的自動(dòng)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(jìn)間隔和非線性誤差卻嚴(yán)重地限制著鎖相環(huán)自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)的性能,使其無(wú)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(lái)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(duì)帶寬寬、頻率分辨率高、跳頻時(shí)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(diǎn),并能直接與單片機(jī)接口構(gòu)成智能化的頻率源?；贒DS技術(shù)的自適應(yīng)米波雷達(dá)自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)是新一代的自動(dòng)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(jī)為控制核心,通過(guò)高速高精度脈內(nèi)頻率測(cè)量模塊" title="測(cè)量模塊">測(cè)量模塊對(duì)雷達(dá)發(fā)射頻率進(jìn)行精確測(cè)量,然后由單片機(jī)控制DDS,對(duì)發(fā)射頻率進(jìn)行搜索和跟蹤。因此它是一種易于實(shí)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(dá)自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)主要由高速脈內(nèi)頻率測(cè)量模塊、DDS頻率合成模塊、單片機(jī)和包括頻率顯示、控制鍵盤的人機(jī)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(shí)時(shí)脈內(nèi)頻率測(cè)量技術(shù),利用頻率穩(wěn)定度高達(dá)10-9的高穩(wěn)恒溫時(shí)標(biāo)對(duì)頻率進(jìn)行倒計(jì)數(shù)法測(cè)量,由單片機(jī)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析處理,并控制DDS頻率合成模塊,完成對(duì)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(jī)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(dá)開機(jī)后,系統(tǒng)首先工作于搜索模式:單片機(jī)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(jī)耦合過(guò)來(lái)并經(jīng)過(guò)衰減后的發(fā)射脈沖頻率混頻,取出下變頻后的中頻信號(hào),經(jīng)過(guò)頻率測(cè)量模塊測(cè)量后將結(jié)果送入單片機(jī),單片機(jī)若判斷頻率測(cè)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(zhǎng)(通常是頻率測(cè)量系統(tǒng)的頻率分辨率)調(diào)高,重復(fù)此過(guò)程,直到頻率測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量得到的頻率值為規(guī)定的中頻頻率值為止。若搜索過(guò)程中本振頻率達(dá)到上限時(shí)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(jìn)入跟蹤狀態(tài)。?
??? 在跟蹤狀態(tài),頻率測(cè)量模塊對(duì)每一個(gè)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(jìn)行實(shí)時(shí)精確測(cè)量,在發(fā)射脈沖結(jié)束時(shí)將測(cè)量結(jié)果送入單片機(jī)。單片機(jī)立即根據(jù)測(cè)量結(jié)果計(jì)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(biāo)回波信號(hào)到達(dá)接收機(jī)時(shí),本振信號(hào)已經(jīng)調(diào)整到與該發(fā)射脈沖頻率對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)上,使目標(biāo)回波信號(hào)下變頻后的頻率值為準(zhǔn)確的中頻頻率值,從而保證目標(biāo)回波信號(hào)能夠得到最有效的放大。?
??? 跟蹤模式實(shí)質(zhì)上是一個(gè)自適應(yīng)的控制過(guò)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(cè)量模塊的測(cè)量結(jié)果升高(降低)→單片機(jī)得到測(cè)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(jī)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(shí)鐘,4～20倍的內(nèi)部可編程倍頻器使外部輸入的時(shí)鐘信號(hào)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(hào)和非線性調(diào)頻信號(hào)等復(fù)雜信號(hào)。?
??? AD9854采用CMOS結(jié)構(gòu),工作電壓為3.3V,而單片機(jī)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(shí)鐘信號(hào)也必須經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換后送到AD9854的時(shí)鐘引腳。AD9854有正交雙通道DAC輸出,每一個(gè)通道都是反相的互補(bǔ)輸出,經(jīng)MAX436放大后濾波,然后再經(jīng)MAX436放大到雷達(dá)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(hào)送到頻率測(cè)量模塊進(jìn)行頻率測(cè)量,系統(tǒng)已經(jīng)知道DDS頻率合成模塊輸出的本振頻率,測(cè)量出發(fā)射脈沖的中頻頻率就能計(jì)算出發(fā)射頻率;另一路作為接收機(jī)的本振信號(hào)。?
??? 根據(jù)奈奎斯特采樣定律,當(dāng)DDS系統(tǒng)的時(shí)鐘為300MHz時(shí),其輸出頻率的上限是150MHz,在工程應(yīng)用中通常只使用到時(shí)鐘頻率的40%,即120MHz。某型米波雷達(dá)的本振頻率上限略高于120MHz,經(jīng)查閱AD9854的數(shù)據(jù)手冊(cè),其輸出頻率能夠達(dá)到理論的150MHz;同時(shí)經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí),AD9854能夠在雷達(dá)本振頻率上限值處穩(wěn)定工作,且輸出信號(hào)質(zhì)量完全可以滿足雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)本振的要求。?
2.2 高速高精度脈內(nèi)頻率測(cè)量模塊?
??? 高速高精度脈內(nèi)頻率測(cè)量模塊采用倒計(jì)數(shù)法進(jìn)行頻率測(cè)量,主要由下變頻混頻器、濾波整形電路、計(jì)數(shù)器T0、計(jì)數(shù)器T1和時(shí)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(jì)數(shù)法頻率測(cè)量的時(shí)序圖。?
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??? 倒計(jì)數(shù)法測(cè)頻是用被測(cè)信號(hào)的N個(gè)周期形成一個(gè)計(jì)數(shù)門時(shí)間T=N·Tx,在T時(shí)間內(nèi)由時(shí)標(biāo)F0計(jì)數(shù),這樣一來(lái)測(cè)頻就相當(dāng)于測(cè)量門寬T,T的最大量化誤差是
??? 某型雷達(dá)的發(fā)射脈沖的寬度是13μs,考慮到其發(fā)射機(jī)是單級(jí)振蕩式發(fā)射機(jī),每個(gè)脈沖在起振和停振的過(guò)程中振蕩不穩(wěn)定,因此取中間的10μs作為測(cè)頻區(qū)間。該型雷達(dá)的第一中頻頻率為30MHz,在正常工作時(shí),發(fā)射脈沖與本振信號(hào)下變頻的輸出頻率應(yīng)該是準(zhǔn)確的30MHz,在10μs的測(cè)頻時(shí)間內(nèi)應(yīng)有300個(gè)脈沖,即可取N=300;高穩(wěn)定的時(shí)標(biāo)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(jì)算出測(cè)頻的分辨率是30kHz,相對(duì)于雷達(dá)中頻放大器接近1MHz的帶寬而言,此指標(biāo)完全能夠滿足雷達(dá)系統(tǒng)的要求。用頻譜分析儀實(shí)際測(cè)得的系統(tǒng)跟蹤誤差如表1所示。?
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??? 模塊的工作過(guò)程是:當(dāng)雷達(dá)觸發(fā)脈沖到來(lái)時(shí),時(shí)序控制電路打開計(jì)數(shù)器T,發(fā)射脈沖隨后到來(lái),經(jīng)下變頻、濾波、整形后轉(zhuǎn)換成TTL方波作為計(jì)數(shù)器T的時(shí)鐘。當(dāng)計(jì)數(shù)器T計(jì)到第32個(gè)脈沖時(shí),時(shí)序控制電路打開計(jì)數(shù)器T0,T0開始對(duì)高穩(wěn)定時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù);當(dāng)計(jì)數(shù)器T計(jì)到第332個(gè)脈沖時(shí),時(shí)序控制電路關(guān)閉計(jì)數(shù)器T和T0,并通知單片機(jī)已經(jīng)完成一次頻率測(cè)量,單片機(jī)取走測(cè)量結(jié)果,并對(duì)硬件電路復(fù)位,準(zhǔn)備下一個(gè)周期的測(cè)量。?
2.3 高穩(wěn)定度恒溫時(shí)鐘模塊?
??? 本機(jī)振蕩器的頻率穩(wěn)定度是影響雷達(dá)接收機(jī)性能的關(guān)鍵性指標(biāo)。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(shí)鐘的頻率穩(wěn)定度,因此選用頻率穩(wěn)定度高達(dá)10-9的恒溫晶體振蕩器作為整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)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(biāo)準(zhǔn)的TTL方波,一路作為頻率測(cè)量模塊的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn),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(shí)鐘信號(hào),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(shí)鐘頻率下。高穩(wěn)定度恒溫時(shí)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(jī)是整個(gè)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(shì)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行靈活有效的控制。圖6是單片機(jī)的軟件框圖。
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??? 通電以后單片機(jī)首先進(jìn)行初始化,然后設(shè)置DDS模塊的工作模式等參數(shù),再進(jìn)行時(shí)序控制電路的復(fù)位并對(duì)所有計(jì)數(shù)器進(jìn)行清零操作。隨后單片機(jī)不斷查詢測(cè)量完成信號(hào)。當(dāng)時(shí)序控制電路在雷達(dá)觸發(fā)脈沖的作用下完成一次測(cè)量時(shí),就通過(guò)該信號(hào)通知單片機(jī),單片機(jī)一旦查詢到測(cè)量完成便立即讀入測(cè)量結(jié)果。然后進(jìn)行分析,是標(biāo)準(zhǔn)中頻頻率時(shí)不進(jìn)行本振頻率的調(diào)整,直接準(zhǔn)備下一脈沖周期的測(cè)量,若不是則計(jì)算所需的頻率調(diào)整量,控制DDS頻率合成模塊進(jìn)行頻率調(diào)整,然后再準(zhǔn)備下一脈沖周期的測(cè)量。?
??? 搜索和跟蹤過(guò)程的區(qū)別主要在于計(jì)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(dá)本振自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)集DDS技術(shù)的先進(jìn)性、全數(shù)字脈內(nèi)頻率測(cè)量的實(shí)時(shí)性和單片機(jī)軟件可編程的靈活性于一體,實(shí)現(xiàn)了對(duì)每一個(gè)發(fā)射脈沖的發(fā)射頻率的實(shí)時(shí)測(cè)量和跟蹤,是一種全新的雷達(dá)自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)。在研制過(guò)程中解決了高速全數(shù)字頻率測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、高穩(wěn)定度高頻譜純度頻率合成等技術(shù)難題;同時(shí)由于雷達(dá)發(fā)射機(jī)沒(méi)有單獨(dú)組艙,發(fā)射信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)很大,對(duì)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(jì)印刷電路板、嚴(yán)格區(qū)分模擬地和數(shù)字地以及嚴(yán)格的屏蔽等措施,整個(gè)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(diǎn)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低,在國(guó)產(chǎn)某型雷達(dá)上已經(jīng)成功使用,顯著提高了該型雷達(dá)的技術(shù)、戰(zhàn)術(shù)性能。?
參考文獻(xiàn)?
1 曲衛(wèi)振.時(shí)間頻率的高精度測(cè)量方法.系統(tǒng)工程與電子技術(shù),1998(8)?
2 曹巧媛.單片機(jī)原理及應(yīng)用.北京:電子工業(yè)出版社,1997.7?
3 CMOS 300MSPS Quadrature Complete-DDS AD9854.U.S.A:?Analog Devices,2000.12?
4 趙保經(jīng).中國(guó)集成電路大全TTL集成電路.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1985.2