炮位侦校雷达x波段频率综合器的技术研究75p.pdf

l I I III II I I II II I I I I IIIIl Y 2 0 6 8 6 6 61 - - - _ —’摘要在现代微波、毫米波通信系统中，高性能的频率综合器对系统性能起着关键的作用，特别是在军事国防上，频率综合器作为雷达的重要组成部分，显得更加关键本文以“炮位侦校雷达“ 为应用背景，对X 波段频率综合器的低相噪、捷变频、宽频带、多模式开展了技术研究，给出了一种新的设计方案并对其进行了工程实现本文主要介绍了现代频率合成技术的发展进程，通过对频率合成技术的基本原理、应用及关键指标进行理论分析，着重对直接模拟频率合成技术、数字直接频率合成( D D S ) 技术和锁相环频率合成( P L L ) 技术如何实现低相噪捷变频进行详细的比较研究，讨论其各自的优缺点及应用范围然后在考虑了实现的复杂度和应用的通用性、灵活性等因素之后，根据实际应用的指标，综合各种频率合成技术，融合“直接模拟式+ D D S “ 的混合频率合成研究方案，从而实现X 波段频率综合器的低相噪、捷变频、多模式的设计目标文中详细介绍了一种炮位侦校雷达X 波段频率合成器的工作原理，给出了其工程实现方案成功研制出的设备模块互换性好、功能独立、控制灵活、在X 波段实现了非线性调频( N L F M ) 、单频、双频等信号，达到了预期目标。

在实际应用中，工作稳定可靠，实现了良好的经济效益实测结果表明，文中提出的方案是切实可行的，对频率合成系统工程设计具有一定的理论意义和实际参考价值输出信号x 波段1 ．2 G H z 带宽步进X X M H z ，捷变时间小于1 岬，相噪优于．1 0 0d B e ／H z @ l k H z ，杂散抑制：_ ／【2 矾H 9 ( r Ⅺ( 0 ≤，≤T )( 3 ．1 1 )在脉冲压缩时，此非线性调频信号与线性调频信号相比，能够获得更低的峰值旁瓣电平和积分旁瓣电平，有很高的主副瓣比，类似于线性调频信号加窗函数炮位侦校雷达X 波段频率综合器的技术研究后的脉压结果，但线性调频信号加权会引起信噪比的较大失配损失，而此信号在信噪比方面优于它本文对基于A D 9 9 5 4 芯片产生N L F M 信号的方法进行了研究该N L F M 信号发生器的硬件资源少、控制电路简单，不受速度限制，相对仿真信号的失真小A D 9 9 5 4 芯片内部的R A M 为N L F M 信号的直读产生提供便利，可容易地实现N L F M 、L F M 、二相码、四相码、脉冲调制和连续波等多功能波形但用数字阶梯逼近法实现高旁瓣抑制的N L F M 信号时需作一系列计算和数学仿真，同时受A D 9 9 5 4 芯片内部R O M 容量的限制，只能形成小时宽小脉宽的L F M 。

第四章X 波段频率综合器的研制第四章X 波段频率综合器的研制4 ．1 频率综合器的方案设计某型号炮位侦校雷达是为了满足外贸市场的需要，由某集团公司和某研究所共同出资开发的外贸产品，装备于某型号外贸武器系统中作为该武器系统的重要组成部分，精准实现了对敌方火炮炮位的侦察和对我方火炮打击目标时的校正射击本课题的最终实现方案采用了直接模拟式与直接数字式( D D S ) 相结合的方式，该方案不论是在技术上还是在一些具体模块电路的实现上，都具有一定的创新与独到之处最后的测试结果也证明了该方案在实践中是切实可行的4 ．1 ．1 频综指标及功能要求本课题实际要求的技术指标如下：( 1 ) 输出频率：X 波段( 2 ) 输出带宽：≥l O ％( 3 ) 频率步进：X XM H z ( 共4 0 点)( 4 ) 相位噪声：§9 7 d B c ／】舷@ l k H z( 5 ) 杂散抑制：_ 4 0 m W( 8 ) 信号形式：跟踪模式时，简单连续波信号；搜索模式时，脉内非线性调频信号；( 9 ) 故障检测：故障定位到模块级，故检指示并上报给总站；( 1 0 ) 工作方式：设置内外两种控制模式，受控于试验控制板或实控机。

可进行单点、任意两点跳频及全程扫频 1 1 ) 工作温度范围：．4 0 ℃～+ 6 0 ℃4 ．1 ．2 频综方案的选取根据前面的论述，频率合成可分为直接式与间接式两种方式间接式频率合成利用了相位反馈控制原理来稳频，输出信号频率范围较宽，在对相噪、杂散、体积等有较高要求时，P L L 频率合成有其特殊的优势但是由于相位反馈引入的惰2 8炮位侦校雷达X 波段频率综合器的技术研究性环节，使得其跳频时间较慢，通常在几十微秒甚至毫秒量级，尤其在输出的频率分辨率越高时，其频率切换速度就越慢，这是P L L 的工作机理所致，无法通过性能优化来解决通常的直接式指的是直接模拟式频率合成，其频率切换速度在微秒甚至纳秒级，而且低相噪也是它的优点通过选取合理的频标、混频比，采用指标合理的滤波、放大、倍频电路，也可以得到理想的杂散水平D D S 由于具有极高的频率分辨率，极快的频率切换速度，频率切换时相位连续，易于功能扩展和全数字化便于集成等优点，因此在短短的这几年得到了飞速的发展和广泛的应用但受奈奎斯特定理的限制，其输出信号频率范围相对较窄D D S 通常都是单片集成，因此其可靠性较高本课题输出信号要求具有多种工作模式，同时又要求较高的相位噪声，以及快速跳频的方式，因此，采取了直接模拟式与直接数字式相结合的合成方案。

在形成合成方案时，首先确定在P 波段频标，由于频率低，无论是滤波还是数字控制，实现起来都较为容易，同时也可以大大节约成本所以，为了使频率合成过程简单，我们采用在较低的频段进行复杂信号的产生，然后再通过混频至微波，在实现电气性能的前提下，有效地降低了研制成本4 ．1 ．3 工作原理及组成框图根据本课题的实际技术指标及最终系统的实现难易程度，并综合上述频率合成技术的优缺点，最终确定系统方案如图4 ．1 所示本方案采用标准化、模块化的思路，根据功能划分为P 波段频标产生模块、第一本振信号产生模块、X 波段发射激励信号产生模块、频综控制、D D S 信号产生等五个模块根据要求，该频综应具备全相参、低相噪、捷变频、低杂散，多模式的工作特点，本方案采用直接模拟式+ D D S 的频率合成方案来实现上述功能要求根据要求选取X X M H z 低相噪晶振作为整个频综系统的频率基准，放大功分后，其中两路经由模块一、模块二产生P 波段频标信号( 十个点频) 另一路径梳状谱发生器产生S 频段( 四个点频) ，在模块三中合成S 波段频标信号，经过三倍频后产生第一本振信号，再通过模块四与L 波段频率信号、D D S 产生的( N L F M ) 中频信号进行混频、滤波、放大产生X 波段频率间隔为X X M H z 的发射激励信号。

模块五主要完成频综的控制检测功能，接收雷达中心机、信处的各种控制命令及时序信号( 包括频率控制字、工作模式控制字、工作状态控制字、波驻前脉冲、波驻脉冲、调制脉冲等) ，根据命令内容，产生出频综内部所需的各种控制信号，控制频综工作于要求的模式下，并输出要求的频率点；同时完成频综的故障检测与第四章X 波段频率综合器的研制上报 r ⋯⋯酣⋯⋯⋯⋯；相检戤信号4 ．1 ．4 频综方案可行性论证4 ．1 ．4 ．1 系统相位噪声指标图4 ．1 频率综合器组成原理框图根据前面介绍的频率合成过程，本课题主要采取了倍频、混频等电路完成频率合成倍频电路导致相位噪声恶化的理论公式为2 0 1 0 9 N ( d B ) ，其中N 为倍频次数混频电路对相位噪声的影响来源于混频的两路输入信号相位噪声关系，当两路输入信号相位噪声水平在同一量级时，混频电路对输入信号相位噪声的恶化达到最大，附加3 d B 损失按照频率合成过程依次推算，得出设计结果 1 ) 基准信号我们选用的晶体振荡器的相位噪声为：_ 决定到线性扫频到达终点频率时是否停留引脚P S 控制着线性扫频的方向，是上升到终止频率F T W l ，还是下降到起始频率F T W 0 。

b ) 内部控制寄存器A D 9 9 5 4 内部具有两类寄存器：数据寄存器和控制寄存器控制寄存器有C F R l ( C o n t r o lF u n c t i o nR e g i s t e rN o ．1 ) 和C F R 2 数据寄存器主要有幅度寄存器( A S F ) ，幅度上升斜率寄存器( 剐迥) ，频率转换字0 ( F T W 0 ) ，频率转换字1( F T W l ) ，相位偏移控制字( P O W 0 ) ，R A M 段控制寄存器0 ( R S C W 0 ) ，R A M段控制寄存器l ( R S C w l ) ，R A M 段控制寄存器2 ( R S C W 2 ) ，R A M 段控制寄存器3 ( R S C W 3 ) 等各寄存器的具体控制位的含义，可以查表寄存器的作用和分布还取决于线性扫描使能位( C F R ) 的状态不同的操作模式对应不同的寄存器分布当线性扫描位为逻辑0 时，寄存器0 x 0 7 ，0 x 0 8 ，O x 0 9 ，0 x 0 A 作为R A M 页的控制寄存器；当线性扫描位逻辑1 时，寄存器0 x 0 7 作为线性扫描时的频率正向增量控制寄存器( P L S C W ) ，寄存器0 x 0 8 作为频率反向增量控制寄存器( N L S C W ) ，在这种模式下0 x 0 9 和0 x 0 A 是没有用的。

控制寄存器l( C F R l ) 主要用于实现A D 9 9 5 4 各种功能、模式的控制控制寄存器2 ( C F I 也)主要是实现芯片上模拟部分的控制 c ) R A MR A M 段控制寄存器( R S C W 0 ，R S C W l ，R S C W 2 ，R S C W 3 ) ，当线性扫频模式禁止时，寄存器0 x 0 7 ，0 x 0 8 ，0 x 0 9 ，0 x 0 A 作为R A M 段控制寄存器使用每有一个段寄存器有4 0 位，其中包括R A M 地址变化率控制位，终止地址位，起始地址位，R A M 模式控制位和停留方式使能位A D 9 9 5 4 内部的1 0 2 4 ×3 2 静态R A M 具有双向单一入口，对它进行的读／写操作不能同时进行，写操作优先如果F O 串口进行读操作时，要进行写操作，读操作会被暂停R A M 的使能位是C F R ，此位为低时，对R A M 的操作只能通过串行端口；此位为高且C F R 为逻辑0 时，R A M 的输出为相位累加器的输入，此时给芯片提供的是频率转换字；此位为高且C F R 为逻辑1时，R A M 的输出可作为相位偏移加法器的输入，给芯片提供相位偏移控制字。

写R A M 的操作首先通过控制P S l 、P S 0 来选择R A M 段，然后再对相应的R A M 段控制寄存器写R A M 操作的地址变化率、起始地址、终止地址、模式控制和停留方式位R A M 段控制寄存器的5 、6 、7 位可用来指示R A M 操作的5种模式，即直接转换模式、上斜坡模式、双向斜变模式、连续双向斜变模式和连续循环模式其中连续循环模式是使能R A M ，R A M 模式控制字为1 0 0 ，这种模式可提供自动、连续、单向的扫频，地址发生器从起始地址开始，当其增加到第四章X 波段频率综合器的研制3 9终止地址后会自动回到起始地址重新开始下次循环R A M 地址变化率控制位R S C W ，在R A M 模式下，这1 6 位决定R A M 控制其在每个地址上停留的S Y N CC L K 个数它可以取I , , - 6 5 5 3 5 中的任意一个值终止地址位R S C W 、R S C W ，这个不连续的1 0 位定义了所对应R A M 段的终止地址其中R S C W 为最高位，R S C W 为最低位起始地址位R S C W 、R S C W ，这个不连续的1 0 位定义了所对应R A M 段的起始地。