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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)
摘要：介紹了基于DDS技術(shù)的自適應(yīng)米波雷達(dá)自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)?熏該系統(tǒng)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，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
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，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的性能無法得到最有效的發(fā)揮。
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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(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�；冢模模蛹夹g(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，通過高速高精度脈內(nèi)頻率測(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)。
圖2 DDS頻率合成模塊結(jié)構(gòu)圖
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。
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(hào)，經(jīng)過頻率測(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（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。
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。
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)，這樣一來測(cè)頻就相當(dāng)于測(cè)量門寬Ｔ，Ｔ的最大量化誤差是Ｔ０，Ｔｘ的最大量化誤差是T0/N。
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�。危剑常埃�；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。
表1 實(shí)際測(cè)得的系統(tǒng)跟蹤誤差表
模塊的工作過程是：當(dāng)雷達(dá)觸發(fā)脈沖到來時(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，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。
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。
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)?熏就通過該信號(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)（接上頁）
定可靠的優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低，在國產(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。
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