李小琳，龐旭東，舒 汀，徐 巍，張文俊

（1.上海機(jī)電工程研究所，上海 201109；2.上海大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，上海 200444；3.上海交通大學(xué)信息技術(shù)與電氣工程研究院，上海 200240）

0 引言

作為電磁對(duì)抗、雷達(dá)信號(hào)模擬和抗干擾等領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，寬帶瞬時(shí)測(cè)頻能夠完成對(duì)所接收到的雷達(dá)信號(hào)載波頻率進(jìn)行快速測(cè)量。瞬時(shí)測(cè)頻技術(shù)起源于20 世紀(jì)50年代，隨著寬帶雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展和對(duì)電磁信號(hào)實(shí)時(shí)偵收的需求，對(duì)雷達(dá)輻射和電磁環(huán)境信號(hào)瞬時(shí)測(cè)頻的要求越來(lái)越高［1］。傳統(tǒng)的測(cè)頻方法主要分為鑒頻法、多信道法、干涉儀比相法等［2］。近些年，國(guó)內(nèi)外研究人員在測(cè)頻技術(shù)方面進(jìn)行了深入的研究。文獻(xiàn)［3］提出了一種基于時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的瞬時(shí)測(cè)頻技術(shù)，提高了頻率測(cè)量的穩(wěn)定性，但缺點(diǎn)是測(cè)量信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍較小。文獻(xiàn)［4］提出了基于CORDIC 算法的瞬時(shí)測(cè)量方法，該方法具有對(duì)單頻點(diǎn)測(cè)量精度高、瞬時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)多頻和復(fù)雜調(diào)制信號(hào)不適用。文獻(xiàn)［5］對(duì)計(jì)數(shù)式瞬時(shí)測(cè)頻技術(shù)進(jìn)行了研究，但該方法測(cè)頻精度低。國(guó)內(nèi)外學(xué)者把微波光子技術(shù)引入到寬帶接收機(jī)的瞬時(shí)測(cè)頻理論研究之中，大大提高了測(cè)頻的帶寬范圍，但在工程實(shí)踐上鮮有報(bào)道［6-9］。

在半實(shí)物仿真試驗(yàn)環(huán)境下，通常運(yùn)用雷達(dá)目標(biāo)回波模擬器來(lái)產(chǎn)生回波或干擾信號(hào)。對(duì)于主動(dòng)雷達(dá)制導(dǎo)體制，模擬器需要快速、精確地偵收雷達(dá)發(fā)射信號(hào)，疊加目標(biāo)特性、多普勒、延時(shí)等信息后實(shí)時(shí)生成目標(biāo)回波信號(hào)。由于目標(biāo)回波模擬器要應(yīng)對(duì)多個(gè)型號(hào)的仿真需求，且各型號(hào)工作頻率跨度大、信號(hào)形式多樣，特別是捷變頻、變重頻雷達(dá)信號(hào)對(duì)接收機(jī)前端瞬時(shí)測(cè)頻提出了更高的要求。本文采用瞬時(shí)測(cè)頻引導(dǎo)結(jié)合實(shí)時(shí)寬帶數(shù)字信道化精測(cè)頻技術(shù)，設(shè)計(jì)研制了超寬帶、高精度的瞬時(shí)測(cè)頻模塊和軟件，提高了測(cè)頻精度和測(cè)頻速度，并把研究成果應(yīng)用于寬帶目標(biāo)回波模擬器的研制之中。

1 寬帶瞬時(shí)測(cè)頻變頻引導(dǎo)技術(shù)

1.1 瞬時(shí)測(cè)頻引導(dǎo)方法

在實(shí)際半實(shí)物仿真應(yīng)用中，由于目標(biāo)回波模擬器系統(tǒng)的前端帶寬較寬，覆蓋X、Ku、Ka 頻段，要在4 GHz 以上的射頻帶寬內(nèi)完成頻率跟蹤，需要采用實(shí)時(shí)的頻率跟蹤手段。本文采用微波瞬時(shí)測(cè)頻技術(shù)，完成對(duì)工作頻段內(nèi)的微波信號(hào)粗測(cè)頻，進(jìn)而引導(dǎo)頻綜產(chǎn)生相應(yīng)的本振。相應(yīng)的微波系統(tǒng)原理框圖如圖1 所示。

圖1 模擬器微波系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Principle block diagram of the microwave system of the simulator

在接收雷達(dá)發(fā)射信號(hào)時(shí)，將接收前端收到的信號(hào)分為X、Ku 和Ka 3 個(gè)波段的射頻信號(hào)，經(jīng)統(tǒng)一下變頻到6～18 GHz。輸出信號(hào)功分兩路，一路輸出至瞬時(shí)測(cè)頻模塊，瞬測(cè)的輸出經(jīng)信號(hào)分選之后，輸出頻綜控制信號(hào)C1，進(jìn)而頻率引導(dǎo)，并同時(shí)產(chǎn)生本振信號(hào)L1；另一路信號(hào)經(jīng)本振L2，得到0.2～2.2 GHz 的中頻信號(hào)。中頻信號(hào)再經(jīng)過(guò)2 路功分，分別輸入至目標(biāo)模擬信號(hào)源、欺騙/壓制干擾源進(jìn)行數(shù)字調(diào)制處理。此外，瞬測(cè)接收機(jī)輸出射頻脈沖的檢波信號(hào)輸出到模擬源，用于產(chǎn)生同步信號(hào)。通過(guò)上述工作流程描述，模擬器系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)將大于4 GHz 的捷變頻帶寬引導(dǎo)到2 GHz的中頻帶寬內(nèi)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。

1.2 瞬時(shí)測(cè)頻工作原理

瞬時(shí)測(cè)頻接收機(jī)以寬開的模式，接收并測(cè)量每個(gè)雷達(dá)信號(hào)的載頻、脈寬幅度、到達(dá)時(shí)間等信息。

實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)測(cè)頻有多種技術(shù)途徑，但只要能瞬時(shí)（單脈沖）給出輸入射頻（RF）信號(hào)的頻率代碼，均可稱為瞬時(shí)測(cè)頻。文中的多通道延遲線鑒頻體制的瞬時(shí)測(cè)頻技術(shù)建立在相位干涉原理之上，所采用的自相關(guān)技術(shù)是波的干涉原理的一種具體應(yīng)用［2，10］。

實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)測(cè)頻的核心部件是微波鑒相器，它由功分器1、延遲線、功分器2、3 個(gè)3 dB 90°電橋、4 個(gè)平方律檢波器以及2 個(gè)差分輸入、差分輸出的視頻放大器組成。其中，功分器2 及3 個(gè)3 dB 90°電橋組成的部件稱為相關(guān)器。微波鑒相器電原理如圖2 所示。

圖2 微波鑒頻器原理框圖Fig.2 Principle block diagram of the microwave frequency discriminator

功分器將輸入RF 信號(hào)分成兩路：一路不經(jīng)延遲線直接送入相關(guān)器；另一路則通過(guò)一段延遲時(shí)間為τ的射頻同軸電纜后再送入相關(guān)器。兩路信號(hào)由于延時(shí)線的存在而形成了θ=2πfτ的相位差。這個(gè)相位差由鑒相器檢出，在差分視放的輸出端分別給出以下信號(hào)：

式中：Us、Uc分別是相位θ的正余弦函數(shù)；θ取決于頻率和延遲時(shí)間τ。由于τ是確定的，因此，只要對(duì)Us、Uc進(jìn)行幅度量化，即可對(duì)θ實(shí)現(xiàn)編碼，從而也就可得到頻率f的數(shù)字代碼。

由于Us、Uc是θ的正余弦函數(shù)，因此，它是以2π為周期的，則有

即

由此可見，延遲線長(zhǎng)度確定以后，測(cè)頻范圍即不模糊帶寬也確定了。

采用單個(gè)鑒相器的瞬時(shí)測(cè)頻分辨率有限，量化最多可達(dá)6 bit，平均測(cè)頻分辨率為Δf/26。且因Us、Uc為θ的正、余弦函數(shù)，故當(dāng)輸入信號(hào)引起θ以2π為周期的變化時(shí)，鑒相輸出就產(chǎn)生周期變化，即出現(xiàn)了測(cè)頻模糊。為保證一定的測(cè)頻精度，對(duì)延遲線和相關(guān)器的相位精度及系統(tǒng)的信噪比的要求也很高。

為克服這些缺點(diǎn)，可采用多通道方案，由最長(zhǎng)的延遲線通道來(lái)決定頻率分辨率和精度，用最短延遲線通道來(lái)決定瞬時(shí)頻率覆蓋范圍，根據(jù)通道之間的延遲線長(zhǎng)度的比例關(guān)系來(lái)解決測(cè)頻模糊問題。

6～18 GHz 頻段我們采用5 通道混合延遲線長(zhǎng)度比的測(cè)頻方案，5 個(gè)通道的延遲線長(zhǎng)度分別為τ、2τ、8τ、32τ、128τ。最粗測(cè)頻通道（對(duì)應(yīng)延遲線長(zhǎng)度τ）量化1 bit 二進(jìn)制碼，其次3 個(gè)通道（對(duì)應(yīng)延遲線長(zhǎng)度分別為2τ、8τ、32τ）各量化2 bit 二進(jìn)制碼，精測(cè)頻通道（對(duì)應(yīng)延遲線長(zhǎng)度128τ）量化6 bit，給出13 bit二進(jìn)制頻率代碼。頻率計(jì)算公式為：RF=起點(diǎn)+頻率碼×1.5 MHz。

瞬時(shí)測(cè)頻接收機(jī)主要包括限幅放大器、功分器組件、延遲線、相關(guān)器、檢波器、視放及量化編碼電路。5 通道混合延遲線長(zhǎng)度比的測(cè)頻方案系統(tǒng)框圖如圖3 所示。

圖3 延遲線長(zhǎng)度比瞬時(shí)測(cè)頻系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of the instantaneous frequencymeasurement system for the delay line length ratio

視放及移相量化電路完成將雷達(dá)載波信號(hào)經(jīng)微波鑒頻器輸出的4 路信號(hào)：1+sinθ、1?sinθ、1+cosθ、1?cosθ，由視頻差分運(yùn)算放大器進(jìn)行差分放大，使之變成完全正交的sinθ、?sinθ、cosθ、?cosθ4 路信號(hào)。通過(guò)調(diào)整增益電位器，使4 路輸出信號(hào)幅度歸一化。

量化編碼電路將差分視放電路輸出的4 路正交信號(hào)通過(guò)電阻環(huán)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行量化，根據(jù)編碼要求輸出一組移相信號(hào)，再通過(guò)高速比較器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。由于編碼要求最終輸出13 bit 二進(jìn)制碼有5 路微波通道，因此，視放及移相量化電路也由5 個(gè)通道組成，電阻環(huán)專門定制，數(shù)值精度較高，因此，移相誤差＜2°。我們采用大規(guī)?？删幊唐骷?lái)實(shí)現(xiàn)頻率編碼，完成通道間糾碼及生成二進(jìn)制單調(diào)增長(zhǎng)的頻率代碼的功能。

為保證測(cè)頻精度，通過(guò)溫度傳感器對(duì)周圍環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)控，頻率編碼電路根據(jù)當(dāng)前溫度選擇不同的頻率校正數(shù)據(jù)對(duì)頻率碼進(jìn)行校正。

2 實(shí)時(shí)寬帶數(shù)字信道化精測(cè)頻技術(shù)

目標(biāo)回波模擬器系統(tǒng)采用瞬時(shí)測(cè)頻技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)將大于4 GHz 的捷變頻信號(hào)引導(dǎo)到2 GHz 相對(duì)窄的中頻帶寬內(nèi)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。在2 GHz中頻帶寬內(nèi)，模擬器系統(tǒng)采用高精度的數(shù)字信道化測(cè)頻技術(shù)，提取出雷達(dá)信號(hào)的精確頻率值，進(jìn)而引導(dǎo)后續(xù)的頻率校準(zhǔn)和補(bǔ)償工作。

2.1 數(shù)字信道化精測(cè)頻系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

目標(biāo)回波模擬器系統(tǒng)在上電后自動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)復(fù)位操作，DRFM（Digital Radio Frequency Memo?ry）在復(fù)位完成后可接收中頻2 GHz 帶寬內(nèi)的AD量化數(shù)據(jù)。數(shù)字測(cè)頻模塊首先進(jìn)行預(yù)處理，然后將數(shù)字信號(hào)送入信道化處理模塊，信道化處理模塊輸出正交的復(fù)信號(hào)，經(jīng)模和相位處理模塊后，輸出信號(hào)幅度和相位信息送入檢測(cè)模塊、脈內(nèi)參數(shù)計(jì)算模塊。檢測(cè)模塊判斷出信號(hào)的有無(wú)，脈內(nèi)參數(shù)計(jì)算模塊測(cè)量脈沖的參數(shù)，最后形成的結(jié)果送到編碼模塊，形成PDW（Pulse Description Word）脈沖描述字輸出給系統(tǒng)進(jìn)行分選［11-12］。數(shù)字信道化精測(cè)頻軟件處理構(gòu)架如圖4 所示。

圖4 精測(cè)頻軟件處理構(gòu)架圖Fig.4 Processing framework diagram of the precision frequency-measurement software

2.2 數(shù)字信道化精測(cè)頻系統(tǒng)軟件模塊設(shè)計(jì)

2.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊

數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊主要根據(jù)系統(tǒng)的需要選取合適的窗函數(shù)，對(duì)截取的數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)處理，減小由于數(shù)據(jù)截取產(chǎn)生的信號(hào)旁瓣泄漏。為了滿足系統(tǒng)動(dòng)態(tài)要求，本設(shè)計(jì)采用128 階窗函數(shù)，該窗函數(shù)可以達(dá)到優(yōu)于55 dB 的處理動(dòng)態(tài)。數(shù)據(jù)預(yù)處理窗函數(shù)如圖5 所示。

2.2.2 頻域數(shù)字信道化模塊

頻域數(shù)字信道化模塊是系統(tǒng)的主要處理模塊，它采用頻域抽取的方式，將頻域劃分成32 個(gè)均勻分布的信道，相鄰信道按照50%進(jìn)行交疊，如圖6 所示。將滿足頻域最小間隔的信號(hào)，在不同的信道中輸出，從而使得系統(tǒng)具有區(qū)分同時(shí)到達(dá)信號(hào)的能力。

圖5 數(shù)據(jù)預(yù)處理窗函數(shù)Fig.5 Window function for data preprocessing

圖6 頻域信道劃分仿真特性圖Fig.6 Simulation characteristic chart of channel partitioning in the frequency domain

信道化處理模塊是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心處理模塊，信道化處理模塊的處理能力、處理的動(dòng)態(tài)范圍、處理輸出信號(hào)的正交度等對(duì)測(cè)量精度有非常大的影響。我們針對(duì)該模塊專門進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，既保證了流水線處理的高處理帶寬，又保證了測(cè)量精度的要求。

2.2.3 幅相計(jì)算和信號(hào)檢測(cè)模塊

該模塊使用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的處理方法，將信道化輸出的復(fù)信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成信號(hào)的幅度和相位實(shí)數(shù)據(jù)，模塊輸出結(jié)果如圖7 所示。幅度數(shù)據(jù)用來(lái)檢測(cè)信號(hào)的存在，確認(rèn)信號(hào)的峰值等。相位數(shù)據(jù)用來(lái)計(jì)算信號(hào)的頻率和判斷信號(hào)類型等。

圖7 幅相計(jì)算模塊輸出結(jié)果Fig.7 Output of the amplitude and phase calculation module

采用了基于總和法與表決法的時(shí)域檢測(cè)方法，門限采用噪聲統(tǒng)計(jì)的自適應(yīng)門限與2 次門限相結(jié)合的方式，對(duì)窄脈寬和寬脈寬的信號(hào)分別用不同的匹配準(zhǔn)則，對(duì)較長(zhǎng)的輸入脈沖，具有更高的靈敏度。

2.2.4 脈內(nèi)參數(shù)精確測(cè)量模塊

脈內(nèi)參數(shù)主要包括脈寬、重頻、載頻、到達(dá)時(shí)間和其他一些信息。脈內(nèi)參數(shù)計(jì)算模塊就是根據(jù)模和相位計(jì)算模塊的結(jié)果計(jì)算、統(tǒng)計(jì)脈內(nèi)的參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)信息的綜合。

脈沖幅度通過(guò)對(duì)過(guò)門限值的脈沖幅度值作累加平均得到，脈沖幅度一半所對(duì)應(yīng)的前沿時(shí)刻即為脈沖到達(dá)時(shí)間，前后沿時(shí)間間隔為脈沖寬度。對(duì)一個(gè)脈沖內(nèi)的瞬時(shí)頻率進(jìn)行平均，便可以測(cè)得準(zhǔn)確的載頻信息。對(duì)于脈沖壓縮信號(hào)，得到的載頻是指該信號(hào)的中心頻率。脈內(nèi)參數(shù)處理流程如圖8 所示。

編碼模塊是處理模塊的最后一級(jí)，負(fù)責(zé)將所有的信息進(jìn)行綜合和融合，因此，編碼模塊直接影響系統(tǒng)的輸出結(jié)果。在完成脈內(nèi)參數(shù)的精確測(cè)量后，編碼模塊將脈內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行整合形成PDW 脈沖描述字，編碼模塊還需要根據(jù)設(shè)定的規(guī)則對(duì)當(dāng)前的數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別，減小由于各種原因產(chǎn)生的虛警。

3 瞬時(shí)測(cè)頻硬件實(shí)現(xiàn)

瞬時(shí)測(cè)頻模塊將接收頻段內(nèi)的射頻信號(hào)放大、濾波、均衡、功分、延時(shí)、混頻后、形成視頻信號(hào)和檢波信號(hào)，分別對(duì)視頻信號(hào)AD 采樣后進(jìn)行鑒相、溫度校正、校碼及拼接后產(chǎn)生數(shù)字頻率碼和相關(guān)狀態(tài)碼。

3.1 瞬測(cè)模塊控制接口時(shí)序

3.1.1 外讀模式時(shí)序

圖9 所示為外讀模式時(shí)序圖。圖9中，t1＜30 ns；t2≤200 ns；t3≤100 ns；tw＞100 ns。若無(wú)ACK 信號(hào)，則D_RDY 在0.1 ms 后自動(dòng)復(fù)位。

3.1.2 內(nèi)讀模式時(shí)序

圖10 所示為內(nèi)讀模式時(shí)序圖。圖10中，t2≤200 ns，t3≤100 ns，tw＞100 ns，若無(wú)ACK 信號(hào)，則DRDY 在0.1 ms 后 自動(dòng)復(fù)位。

3.1.3 調(diào)頻模式時(shí)序

圖11 所示為調(diào)頻模式時(shí)序圖。圖11中，tp＞4 μs；tC≤500 ns；tH＞250 ns。

圖8 脈內(nèi)參數(shù)處理流程圖Fig.8 Flow chart of intra-pulse parameter processing

圖9 外讀模式時(shí)序圖Fig.9 Sequence diagram of the external reading mode

3.1.4 連續(xù)波模式時(shí)序

圖12 所示為連續(xù)波模式時(shí)序圖。圖12中，tc1=1 ms，若無(wú)ACK信號(hào)，則D-RDY在0.1 ms后自動(dòng)復(fù)位。

圖10 內(nèi)讀模式時(shí)序圖Fig.10 Sequence diagram of the internal reading mode

3.2 瞬時(shí)測(cè)頻模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖11 調(diào)頻模式時(shí)序圖Fig.11 Sequence diagram of the frequency modulation mode

瞬時(shí)測(cè)頻模塊分為3 個(gè)子模塊，分別是變頻部分、開關(guān)濾波器組和測(cè)頻接收機(jī)，子模塊間采用半剛成型電纜連接。盒體采用標(biāo)準(zhǔn)CPCI 結(jié)構(gòu)形式，占用一個(gè)槽位，尺寸為233.35 mm×160 mm×48 mm。瞬時(shí)測(cè)頻模塊結(jié)構(gòu)圖如13 圖所示。測(cè)頻接收機(jī)實(shí)物如圖14 所示。

圖13 瞬時(shí)測(cè)頻模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.13 Structure diagram of the instantaneous frequencymeasurement module

圖14 測(cè)頻接收機(jī)實(shí)物圖Fig.14 Physical picture of the frequency-measurement receiver

4 瞬時(shí)測(cè)頻模塊的性能實(shí)測(cè)

4.1 瞬時(shí)測(cè)頻接收機(jī)性能測(cè)試

通過(guò)實(shí)測(cè)，得到瞬時(shí)測(cè)頻接收機(jī)的實(shí)測(cè)結(jié)果，包括常溫、低溫和高溫，以及不同輸入功率條件下的測(cè)頻精度，結(jié)果見表1。

表1 測(cè)頻精度匯總（R.M.S）Tab.1 Summary of the frequency-measurement accuracy

4.2 數(shù)字信道化精測(cè)頻性能測(cè)試

利用寬帶數(shù)字儲(chǔ)頻模塊、任意波形發(fā)生器、示波器和頻譜儀等，對(duì)數(shù)字信道化接收機(jī)模塊進(jìn)行性能測(cè)試。

主機(jī)通過(guò)JTAG 加載處理程序到處理板FPGA中，通過(guò)Signaltap 將處理結(jié)果讀出顯示，根據(jù)輸入結(jié)果和輸入信號(hào)對(duì)處理軟件的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。設(shè)計(jì)指標(biāo)和實(shí)際完成指標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2。

表2 設(shè)計(jì)要求與實(shí)際完成指標(biāo)Tab.2 Design requirements and actual achievement indicators

5 結(jié)束語(yǔ)

在電子偵測(cè)和寬帶雷達(dá)目標(biāo)信號(hào)模擬等實(shí)際應(yīng)用中，瞬時(shí)測(cè)頻技術(shù)特別是寬頻帶瞬時(shí)精確測(cè)頻技術(shù)是所需研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文利用瞬時(shí)測(cè)頻引導(dǎo)和實(shí)時(shí)寬帶數(shù)字信道化精測(cè)頻等技術(shù)，在保證測(cè)頻帶寬覆蓋整個(gè)X、Ku、Ka 的前提下，確保了測(cè)頻的精度和實(shí)時(shí)性，能夠滿足寬帶相控陣?yán)走_(dá)目標(biāo)回波模擬器的半實(shí)物仿真要求?；诂F(xiàn)有研究成果，將微波光子技術(shù)應(yīng)用于超寬帶瞬時(shí)測(cè)頻模塊的工程研制將是后續(xù)的研究重點(diǎn)。