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基于DDS技術(shù)的自適應(yīng)米波雷達(dá)自動頻率控制系統(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)測頻技術(shù)精確測量米波脈沖雷達(dá)的發(fā)射頻率，并根據(jù)測量結(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 自動頻率控制 脈內(nèi)測頻
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(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，這對動目標(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�！埽保停龋�，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(dá)接收機(jī)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。
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應(yīng)用鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)實現(xiàn)雷達(dá)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(dá)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(jìn)間隔和非線性誤差卻嚴(yán)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(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(jī)為控制核心，通過高速高精度脈內(nèi)頻率測量模塊對雷達(dá)發(fā)射頻率進(jìn)行精確測量，然后由單片機(jī)控制ＤＤＳ，對發(fā)射頻率進(jìn)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)。
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(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)采用高速高精度實時脈內(nèi)頻率測量技術(shù)，利用頻率穩(wěn)定度高達(dá)１０－９的高穩(wěn)恒溫時標(biāo)對頻率進(jìn)行倒計數(shù)法測量，由單片機(jī)對測量結(jié)果進(jìn)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(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，經(jīng)過頻率測量模塊測量后將結(jié)果送入單片機(jī)，單片機(jī)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(dá)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(jìn)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(jìn)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(jī)。單片機(jī)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(biāo)回波信號到達(dá)接收機(jī)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(biāo)回波信號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(jī)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(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(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(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送到頻率測量模塊進(jìn)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(jī)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(dá)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(dá)到理論的１５０ＭＨｚ；同時經(jīng)實驗證實，ＡＤ９８５４能夠在雷達(dá)本振頻率上限值處穩(wěn)定工作，且輸出信號質(zhì)量完全可以滿足雷達(dá)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(jìn)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。
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(biāo)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)是單級振蕩式發(fā)射機(jī)，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(dá)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(zhǔn)確的３０ＭＨｚ，在１０μｓ的測頻時間內(nèi)應(yīng)有３００個脈沖，即可�。危剑常埃埃桓叻�(wěn)定的時標(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)此可計算出測頻的分辨率是３０ｋＨｚ，相對于雷達(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。用頻譜分析儀實際測得的系統(tǒng)跟蹤誤差如表１所示。
表1 實際測得的系統(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，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(biāo)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(jī)已經(jīng)完成一次頻率測量，單片機(jī)取走測量結(jié)果，并對硬件電路復(fù)位，準(zhǔn)備下一個周期的測量。
２．３ 高穩(wěn)定度恒溫時鐘模塊
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(biāo)準(zhǔn)的ＴＴＬ方波，一路作為頻率測量模塊的時間標(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。
３ 軟件結(jié)構(gòu)
單片機(jī)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(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)行時序控制電路的復(fù)位并對所有計數(shù)器進(jìn)行清零操作。隨后單片機(jī)不斷查詢測量完成信號。當(dāng)時序控制電路在雷達(dá)觸發(fā)脈沖的作用下完成一次測量時?熏就通過該信號通知單片機(jī)，單片機(jī)一旦查詢到測量完成便立即讀入測量結(jié)果。然后進(jìn)行分析，是標(biāo)準(zhǔn)中頻頻率時不進(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(jìn)行頻率調(diào)整，然后再準(zhǔn)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(dá)本振自動頻率控制系統(tǒng)集ＤＤＳ技術(shù)的先進(jìn)性、全數(shù)字脈內(nèi)頻率測量的實時性和單片機(jī)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(dá)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(dá)發(fā)射機(jī)沒有單獨組艙，發(fā)射信號的場強(qiáng)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(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。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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