基于DDS技术的自适应米波雷达自动频率控制系统

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基于DDS技术的自适应米波雷达自动频率控制系统

摘要：介绍了基于DDS技术的自适应米波雷达自动频率控制系统?熏该系统以直接数字频率合成技术（DDS）为基础，以单片机为控制核心，采用高速高精度脉内测频技术精确测量米波脉冲雷达的发射频率，并根据测量结果由单片机控制本机振荡器，改变其输出的本振频率，保证中频频率稳定，确保雷达接收机的技术、战术性能得到充分的发挥。    关键词：本机振荡器 直接数字频率合成 自动频率控制 脉内测频
雷达系统根据其工作频率一般分为米波雷达、分米波雷达和厘米波雷达，其接收机通常是超外差形式的。分米波雷达和厘米波雷达由于其工作频率较高，一般都有自动频率控制（ＡＦＣ）系统，控制本振频率自动跟踪发射频率的变化，或者控制发射频率自动稳定在本振频率对应的频率点上，保证雷达接收机的中频频率稳定。但是传统的模拟式单环路或双环路ＡＦＣ系统由于受模拟电路本身的局限，使得ＡＦＣ的跟踪速度慢、跟踪频率范围窄、精度低，甚至有可能出现错误跟踪的情况；此外，控制本振的自频控雷达由于在本机振荡器上加装了频率调整装置，影响了本振的频率稳定度，这对动目标雷达而言是难以接受的。米波雷达由于其工作频率较低，基本上没有自动频率控制系统，但是米波雷达的发射机工作频率和接收机本机振荡频率由于环境温度、电源电压和负载变化而发生一定的变化，其变化范围从几十千赫兹到数百千赫兹，通常在５００～６００ｋＨｚ之间。虽然由此造成的中频频率变化量的绝对值不会超出中频放大器的通频带范围（中频放大器的通频带通常≤１ＭＨｚ），但是数百千赫兹的变化量使回波信号不能得到最有效的放大，造成雷达接收机技术、战术性能降低，此时即使加装ＤＳＵ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｔａｂｌｅ Ｕｎｉｔ）设备，也由于中频频率漂移的影响，使ＤＳＵ的性能无法得到最有效的发挥。

    应用锁相环频率合成技术实现雷达自动频率控制系统已经是比较成熟的技术方案，这种方案的应用解决了非相参雷达的自动频率跟踪与本振频率稳定度之间的矛盾，但是锁相环固有的大惯性、大步进间隔和非线性误差却严重地限制着锁相环自动频率控制系统的性能，使其无法满足高速、高频率分辨率、大带宽的要求。
ＤＤＳ技术是近几年来迅速发展的频率合成技术，它采用全数字化的技术，具有集成度高、体积小、相对带宽宽、频率分辨率高、跳频时间短、相位连续性好、可以宽带正交输出、可以外加调制的优点，并能直接与单片机接口构成智能化的频率源。基于ＤＤＳ技术的自适应米波雷达自动频率控制系统是新一代的自动频率控制（ＡＦＣ）系统，它以直接数字频率合成技术（ＤＤＳ）为基础，以单片机为控制核心，通过高速高精度脉内频率测量模块对雷达发射频率进行精确测量，然后由单片机控制ＤＤＳ，对发射频率进行搜索和跟踪。因此它是一种易于实现的数字式智能化自适应频率控制系统。


图2 DDS频率合成模块结构图

１ 系统组成及工作原理
基于ＤＤＳ技术的自适应米波雷达自动频率控制系统主要由高速脉内频率测量模块、ＤＤＳ频率合成模块、单片机和包括频率显示、控制键盘的人机接口模块组成，如图１所示。
系统采用高速高精度实时脉内频率测量技术，利用频率稳定度高达１０－９的高稳恒温时标对频率进行倒计数法测量，由单片机对测量结果进行分析处理，并控制ＤＤＳ频率合成模块，完成对发射频率的搜索和跟踪。系统中除了ＤＤＳ输出后的滤波、放大电路采用模拟电路外，其它全部采用高速数字电路，并结合了单片机具有的可编程能力，使系统避免了传统模拟式ＡＦＣ的缺陷，能够实现更加灵活的控制。
雷达开机后，系统首先工作于搜索模式：单片机控制ＤＤＳ频率合成模块输出本振频率的最低值，与从发射机耦合过来并经过衰减后的发射脉冲频率混频， 取出下变频后的中频信号，经过频率测量模块测量后将结果送入单片机，单片机若判断频率测量结果不是规定的中频频率值，则控制ＤＤＳ频率合成模块将输出的本振频率按规定的步长（通常是频率测量系统的频率分辨率）调高，重复此过程，直到频率测量系统测量得到的频率值为规定的中频频率值为止。若搜索过程中本振频率达到上限时仍未搜索到规定的中频频率值，则返回到本振频率最低值，重新开始新一轮的搜索。系统一旦搜索到规定的中频频率值就进入跟踪状态。
在跟踪状态，频率测量模块对每一个发射脉冲频率与本振频率下变频得到的中频脉冲频率进行实时精确测量，在发射脉冲结束时将测量结果送入单片机。单片机立即根据测量结果计算出响应的本振频率调整量，并控制ＤＤＳ频率合成模块调整输出频率，保证在目标回波信号到达接收机时，本振信号已经调整到与该发射脉冲频率对应的频率点上，使目标回波信号下变频后的频率值为准确的中频频率值，从而保证目标回波信号能够得到最有效的放大。
跟踪模式实质上是一个自适应的控制过程：某一发射脉冲的频率比前一发射脉冲的频率升高（降低）→在本振频率不变的条件下，中频频率升高（降低）→频率测量模块的测量结果升高（降低）→单片机得到测量结果后控制ＤＤＳ频率合成模块，使之输出的本振频率相应升高（降低）→中频频率降低（升高）到规定值。
２ 硬件结构
２．１ ＤＤＳ频率合成模块
ＤＤＳ频率合成模块以ＤＤＳ芯片ＡＤ９８５４为核心，包括滤波电路、放大电路和与单片机的接口电路，图２是其组成框图。
ＡＤ公司推出的ＡＤ９８５４是ＤＤＳ芯片中的典型代表之一，它具有３００ＭＨｚ的内部时钟，４～２０倍的内部可编程倍频器使外部输入的时钟信号频率可以从１５ＭＨｚ到７５ＭＨｚ，另外具有１００ＭＨｚ的并行接口总线，内置正交双通道ＤＡＣ输出，具有多种编程工作方式，能产生线性调频信号和非线性调频信号等复杂信号。
ＡＤ９８５４采用ＣＭＯＳ结构，工作电压为３．３Ｖ，而单片机ＡＴ８９Ｃ５１工作在５Ｖ电压下，其总线电平是５Ｖ的ＴＴＬ电平，为保证ＡＤ９８５４的正常工作，必须经电平转换后再与ＡＤ９８５４接口，ＡＤ９８５４的时钟信号也必须经过电平转换后送到ＡＤ９８５４的时钟引脚。ＡＤ９８５４有正交双通道ＤＡＣ输出，每一个通道都是反相的互补输出，经ＭＡＸ４３６放大后滤波，然后再经ＭＡＸ４３６放大到雷达要求的本振电平。 两路输出中的一路用于和发射脉冲混频，将下变频后的中频信号送到频率测量模块进行频率测量，系统已经知道ＤＤＳ频率合成模块输出的本振频率，测量出发射脉冲的中频频率就能计算出发射频率；另一路作为接收机的本振信号。
根据奈奎斯特采样定律，当ＤＤＳ系统的时钟为３００ＭＨｚ时，其输出频率的上限是１５０ＭＨｚ，在工程应用中通常只使用到时钟频率的４０％，即１２０ＭＨｚ。某型米波雷达的本振频率上限略高于１２０ＭＨｚ，经查阅ＡＤ９８５４的数据手册，其输出频率能够达到理论的１５０ＭＨｚ；同时经实验证实，ＡＤ９８５４能够在雷达本振频率上限值处稳定工作，且输出信号质量完全可以满足雷达系统对本振的要求。
２．２ 高速高精度脉内频率测量模块
高速高精度脉内频率测量模块采用倒计数法进行频率测量，主要由下变频混频器、滤波整形电路、计数器Ｔ０、计数器Ｔ１和时序控制电路组成。图３是其结构的组成框图，图４是倒计数法频率测量的时序图。
倒计数法测频是用被测信号的Ｎ个周期形成一个计数门时间Ｔ＝Ｎ·Ｔｘ，在Ｔ时间内由时标Ｆ０计数，这样一来测频就相当于测量门宽Ｔ，Ｔ的最大量化误差是Ｔ０，Ｔｘ的最大量化误差是T0/N。
某型雷达的发射脉冲的宽度是１３μｓ，考虑到其发射机是单级振荡式发射机，每个脉冲在起振和停振的过程中振荡不稳定，因此取中间的１０μｓ作为测频区间。该型雷达的第一中频频率为３０ＭＨｚ，在正常工作时，发射脉冲与本振信号下变频的输出频率应该是准确的３０ＭＨｚ，在１０μｓ的测频时间内应有３００个脉冲，即可取Ｎ＝３００；高稳定的时标的频率是１００ＭＨｚ，Ｔ０＝１０ｎｓ，相应的Ｔｘ的最大误差是Ｔ０／３００＝１／３０ｎｓ，据此可计算出测频的分辨率是３０ｋＨｚ，相对于雷达中频放大器接近１ＭＨｚ的带宽而言，此指标完全能够满足雷达系统的要求。用频谱分析仪实际测得的系统跟踪误差如表１所示。

表1 实际测得的系统跟踪误差表

发射频率/MHz	147.000	147.500	148.000	148.500	149.000	149.500
本振输出频率/MHz	116.999	117.495	118.008	118.492	118.990	119.493
跟踪误差/kHz	-1	-5	+8	-8	-10	-7
发射频率/MHz	150.000	150.500	151.000	151.500	152.000	152.500
本振输出频率/MHz	119.995	120.490	120.990	121.510	122.005	122.500
跟踪误差/kHz	-5	-10	-10	+10	+5	0

模块的工作过程是：当雷达触发脉冲到来时，时序控制电路打开计数器Ｔ，发射脉冲随后到来，经下变频、滤波、整形后转换成ＴＴＬ方波作为计数器Ｔ的时钟。当计数器Ｔ计到第３２个脉冲时，时序控制电路打开计数器Ｔ０，Ｔ０开始对高稳定时标计数；当计数器Ｔ计到第３３２个脉冲时，时序控制电路关闭计数器Ｔ和Ｔ０，并通知单片机已经完成一次频率测量，单片机取走测量结果，并对硬件电路复位，准备下一个周期的测量。
２．３ 高稳定度恒温时钟模块
本机振荡器的频率稳定度是影响雷达接收机性能的关键性指标。由于ＤＤＳ频率合成方法的输出频率稳定度仅仅取决于其时钟的频率稳定度，因此选用频率稳定度高达１０－９的恒温晶体振荡器作为整个系统的时钟。恒温晶体振荡器输出的１００ＭＨｚ高稳正弦波经放大后整形为标准的ＴＴＬ方波，一路作为频率测量模块的时间标准，另一路经Ｆ１６１分频为２５ＭＨｚ的ＴＴＬ方波，经电平转换后作为ＡＤ９８５４的外部时钟信号，利用ＡＤ９８５４内部的可编程倍频器倍频１２倍使ＡＤ９８５４工作在３００ＭＨｚ的内部时钟频率下。高稳定度恒温时钟模块组成框图如图５所示。
３ 软件结构
单片机是整个系统的控制核心，可以充分利用软件可编程控制的优势对系统进行灵活有效的控制。图６是单片机的软件框图。
通电以后单片机首先进行初始化，然后设置ＤＤＳ模块的工作模式等参数，再进行时序控制电路的复位并对所有计数器进行清零操作。随后单片机不断查询测量完成信号。当时序控制电路在雷达触发脉冲的作用下完成一次测量时?熏就通过该信号通知单片机，单片机一旦查询到测量完成便立即读入测量结果。然后进行分析，是标准中频频率时不进行本振频率的调整，直接准备下一脉冲周期的测量，若不是则计算所需的频率调整量，控制ＤＤＳ频率合成模块进行频率调整，然后再准备下一脉冲周期的测量。
搜索和跟踪过程的区别主要在于计算频率调整量的方法不同，其它流程基本一致。
基于ＤＤＳ技术的自适应米波雷达本振自动频率控制系统集ＤＤＳ技术的先进性、全数字脉内频率测量的实时性和单片机软件可编程的灵活性于一体，实现了对每一个发射脉冲的发射频率的实时测量和跟踪，是一种全新的雷达自动频率控制系统。在研制过程中解决了高速全数字频率测量模块的设计与实现、高稳定度高频谱纯度频率合成等技术难题；同时由于雷达发射机没有单独组舱，发射信号的场强很大，对系统的抗干扰能力提出了很高的要求，在技术上采取了精心设计印刷电路板、严格区分模拟地和数字地以及严格的屏蔽等措施，整个系统具有跟踪精度高、跟踪范围大、速度快、工作稳（接上页）
定可靠的优点。该系统结构简单、体积小、成本低，在国产某型雷达上已经成功使用，显著提高了该型雷达的技术、战术性能。

李小路

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