??? 摘? 要: 介紹了基于DDS技術的自適應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,該系統以直接數字頻率合成" title="頻率合成">頻率合成技術(DDS)為基礎,以單片機為控制核心,采用高速高精度脈內測頻技術精確測量米波脈沖雷達的發射頻率,并根據測量結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,保證中頻頻率穩定,確保雷達接收機的技術、戰術性能得到充分的發揮。?
??? 關鍵詞: 本機振蕩器? 直接數字頻率合成? 自動頻率控制? 脈內測頻
?
??? 雷達系統根據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,控制本振頻率自動跟蹤發射頻率的變化,或者控制發射頻率自動穩定在本振頻率對應的頻率點上,保證雷達接收機的中頻頻率穩定。但是傳統的模擬式單環路或雙環路AFC系統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整裝置,影響了本振的頻率穩定度" title="穩定度">穩定度,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,但是米波雷達的發射機工作頻率和接收機本機振蕩頻率由于環境溫度、電源電壓和負載變化而發生一定的變化,其變化范圍從幾十千赫茲到數百千赫茲,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常≤1MHz),但是數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、戰術性能降低,此時即使加裝DSU(Digital Stable Unit)設備,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揮。?
??? 應用鎖相環頻率合成技術實現雷達自動頻率控制系統已經是比較成熟的技術方案,這種方案的應用解決了非相參雷達的自動頻率跟蹤與本振頻率穩定度之間的矛盾,但是鎖相環固有的大慣性、大步進間隔和非線性誤差卻嚴重地限制著鎖相環自動頻率控制系統的性能,使其無法滿足高速、高頻率分辨率、大帶寬的要求。?
??? DDS技術是近幾年來迅速發展的頻率合成技術,它采用全數字化的技術,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、相位連續性好、可以寬帶正交輸出、可以外加調制的優點,并能直接與單片機接口構成智能化的頻率源。基于DDS技術的自適應米波雷達自動頻率控制系統是新一代的自動頻率控制(AFC)系統,它以直接數字頻率合成技術(DDS)為基礎,以單片機為控制核心,通過高速高精度脈內頻率測量模塊" title="測量模塊">測量模塊對雷達發射頻率進行精確測量,然后由單片機控制DDS,對發射頻率進行搜索和跟蹤。因此它是一種易于實現的數字式智能化自適應頻率控制系統。?
1 系統組成及工作原理?
??? 基于DDS技術的自適應米波雷達自動頻率控制系統主要由高速脈內頻率測量模塊、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。?
?
?
??? 系統采用高速高精度實時脈內頻率測量技術,利用頻率穩定度高達10-9的高穩恒溫時標對頻率進行倒計數法測量,由單片機對測量結果進行分析處理,并控制DDS頻率合成模塊,完成對發射頻率的搜索和跟蹤。系統中除了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字電路,并結合了單片機具有的可編程能力,使系統避免了傳統模擬式AFC的缺陷,能夠實現更加靈活的控制。?
??? 雷達開機后,系統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,與從發射機耦合過來并經過衰減后的發射脈沖頻率混頻,取出下變頻后的中頻信號,經過頻率測量模塊測量后將結果送入單片機,單片機若判斷頻率測量結果不是規定的中頻頻率值,則控制DDS頻率合成模塊將輸出的本振頻率按規定的步長(通常是頻率測量系統的頻率分辨率)調高,重復此過程,直到頻率測量系統測量得到的頻率值為規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。系統一旦搜索到規定的中頻頻率值就進入跟蹤狀態。?
??? 在跟蹤狀態,頻率測量模塊對每一個發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,在發射脈沖結束時將測量結果送入單片機。單片機立即根據測量結果計算出響應的本振頻率調整量,并控制DDS頻率合成模塊調整輸出頻率,保證在目標回波信號到達接收機時,本振信號已經調整到與該發射脈沖頻率對應的頻率點上,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。?
??? 跟蹤模式實質上是一個自適應的控制過程:某一發射脈沖的頻率比前一發射脈沖的頻率升高(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果升高(降低)→單片機得到測量結果后控制DDS頻率合成模塊,使之輸出的本振頻率相應升高(降低)→中頻頻率降低(升高)到規定值。?
2 硬件結構?
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。?
?
?
??? AD公司推出的AD9854是DDS芯片中的典型代表之一,它具有300MHz的內部時鐘,4～20倍的內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,內置正交雙通道DAC輸出,具有多種編程工作方式,能產生線性調頻信號和非線性調頻信號等復雜信號。?
??? AD9854采用CMOS結構,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,必須經電平轉換后再與AD9854接口,AD9854的時鐘信號也必須經過電平轉換后送到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MAX436放大后濾波,然后再經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,系統已經知道DDS頻率合成模塊輸出的本振頻率,測量出發射脈沖的中頻頻率就能計算出發射頻率;另一路作為接收機的本振信號。?
??? 根據奈奎斯特采樣定律,當DDS系統的時鐘為300MHz時,其輸出頻率的上限是150MHz,在工程應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,經查閱AD9854的數據手冊,其輸出頻率能夠達到理論的150MHz;同時經實驗證實,AD9854能夠在雷達本振頻率上限值處穩定工作,且輸出信號質量完全可以滿足雷達系統對本振的要求。?
2.2 高速高精度脈內頻率測量模塊?
??? 高速高精度脈內頻率測量模塊采用倒計數法進行頻率測量,主要由下變頻混頻器、濾波整形電路、計數器T0、計數器T1和時序控制電路組成。圖3是其結構的組成框圖,圖4是倒計數法頻率測量的時序圖。?
?
?
?
??? 倒計數法測頻是用被測信號的N個周期形成一個計數門時間T=N·Tx,在T時間內由時標F0計數,這樣一來測頻就相當于測量門寬T,T的最大量化誤差是
??? 某型雷達的發射脈沖的寬度是13μs,考慮到其發射機是單級振蕩式發射機,每個脈沖在起振和停振的過程中振蕩不穩定,因此取中間的10μs作為測頻區間。該型雷達的第一中頻頻率為30MHz,在正常工作時,發射脈沖與本振信號下變頻的輸出頻率應該是準確的30MHz,在10μs的測頻時間內應有300個脈沖,即可取N=300;高穩定的時標的頻率是100MHz,T0=10ns,相應的Tx的最大誤差是T0/300=1/30ns,據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的要求。用頻譜分析儀實際測得的系統跟蹤誤差如表1所示。?
?
?
??? 模塊的工作過程是:當雷達觸發脈沖到來時,時序控制電路打開計數器T,發射脈沖隨后到來,經下變頻、濾波、整形后轉換成TTL方波作為計數器T的時鐘。當計數器T計到第32個脈沖時,時序控制電路打開計數器T0,T0開始對高穩定時標計數;當計數器T計到第332個脈沖時,時序控制電路關閉計數器T和T0,并通知單片機已經完成一次頻率測量,單片機取走測量結果,并對硬件電路復位,準備下一個周期的測量。?
2.3 高穩定度恒溫時鐘模塊?
??? 本機振蕩器的頻率穩定度是影響雷達接收機性能的關鍵性指標。由于DDS頻率合成方法的輸出頻率穩定度僅僅取決于其時鐘的頻率穩定度,因此選用頻率穩定度高達10-9的恒溫晶體振蕩器作為整個系統的時鐘。恒溫晶體振蕩器輸出的100MHz高穩正弦波經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F161分頻為25MHz的TTL方波,經電平轉換后作為AD9854的外部時鐘信號,利用AD9854內部的可編程倍頻器倍頻12倍使AD9854工作在300MHz的內部時鐘頻率下。高穩定度恒溫時鐘模塊組成框圖如圖5所示。?
?
?
3 軟件結構?
??? 單片機是整個系統的控制核心,可以充分利用軟件可編程控制的優勢對系統進行靈活有效的控制。圖6是單片機的軟件框圖。
?
?
??? 通電以后單片機首先進行初始化,然后設置DDS模塊的工作模式等參數,再進行時序控制電路的復位并對所有計數器進行清零操作。隨后單片機不斷查詢測量完成信號。當時序控制電路在雷達觸發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果。然后進行分析,是標準中頻頻率時不進行本振頻率的調整,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整量,控制DDS頻率合成模塊進行頻率調整,然后再準備下一脈沖周期的測量。?
??? 搜索和跟蹤過程的區別主要在于計算頻率調整量的方法不同,其它流程基本一致。?
??? 基于DDS技術的自適應米波雷達本振自動頻率控制系統集DDS技術的先進性、全數字脈內頻率測量的實時性和單片機軟件可編程的靈活性于一體,實現了對每一個發射脈沖的發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。在研制過程中解決了高速全數字頻率測量模塊的設計與實現、高穩定度高頻譜純度頻率合成等技術難題;同時由于雷達發射機沒有單獨組艙,發射信號的場強很大,對系統的抗干擾能力提出了很高的要求,在技術上采取了精心設計印刷電路板、嚴格區分模擬地和數字地以及嚴格的屏蔽等措施,整個系統具有跟蹤精度高、跟蹤范圍大、速度快、工作穩定可靠的優點。該系統結構簡單、體積小、成本低,在國產某型雷達上已經成功使用,顯著提高了該型雷達的技術、戰術性能。?
參考文獻?
1 曲衛振.時間頻率的高精度測量方法.系統工程與電子技術,1998(8)?
2 曹巧媛.單片機原理及應用.北京:電子工業出版社,1997.7?
3 CMOS 300MSPS Quadrature Complete-DDS AD9854.U.S.A:?Analog Devices,2000.12?
4 趙保經.中國集成電路大全TTL集成電路.北京:國防工業出版社,1985.2