樊長虹，遲海軍，宋瑞

（南京模擬技術(shù)研究所，江蘇南京，210016）

0 引言

短波跳頻電臺是戰(zhàn)場上實施通信指揮的重要設(shè)備。在實戰(zhàn)化軍事訓(xùn)練中，對藍(lán)方短波跳頻電臺設(shè)備進行模擬，能為參訓(xùn)部隊實施電子偵察、干擾和實彈射擊訓(xùn)練等提供的模擬目標(biāo)。早期通常采用改造廢舊通信電臺來模擬藍(lán)方短波跳頻電臺，存在模擬信號不逼真、廢舊部件故障率高等問題。

本文設(shè)計了一種低成本短波跳頻靶標(biāo)，能按藍(lán)方典型短波跳頻電臺的工作頻率、輻射功率、跳頻序列等射頻信號參數(shù)進行遠(yuǎn)程編程設(shè)置，以模擬藍(lán)方短波跳頻指揮通信載波信號特征，并能自動檢測實彈命中信號。

1 組成和原理

如圖1，短波跳頻靶標(biāo)（簡稱：靶標(biāo)）由4G 通信部件、綜合控制器、跳頻控制器、跳頻頻率合成器、功率放大器、短波天線等組成。

圖1 短波跳頻靶標(biāo)體系結(jié)構(gòu)圖

1.1 4G 通信

當(dāng)前靶場主要使用定制頻段4G 通信。4G 通信模塊負(fù)責(zé)接收靶場總控系統(tǒng)的指令，并將靶標(biāo)的狀態(tài)上傳給靶場總控系統(tǒng)。

1.2 綜合控制器

根據(jù)靶場總控系統(tǒng)下達(dá)的工作指令，綜合控制器通過串口對跳頻控制器進行控制；同時，綜合控制器采集報靶檢測信號，判別是否被命中，并將命中事件上傳給靶場綜合控制系統(tǒng)。

1.3 跳頻控制器

跳頻控制器接收綜合控制器控制信號，解調(diào)出來自靶標(biāo)總控制系統(tǒng)的跳頻控制圖案，并將該跳頻圖案預(yù)置給跳頻頻率合成器，并控制功率放大器開關(guān)和輸出功率等，同時檢測功放的駐波是否正常。

跳頻控制器工作模式分為自動和手動兩種。當(dāng)處于自動狀態(tài)時，靶標(biāo)的一切參數(shù)由總靶標(biāo)控制系統(tǒng)設(shè)置；手動狀態(tài)時，靶標(biāo)輸出默認(rèn)頻點，工作人員可以通過模式開關(guān)設(shè)置靶標(biāo)的輸出功率，分為0W/10W/20W/MAX 四檔。

1.4 跳頻頻率合成器

跳頻頻率合成器接收跳頻控制器的相位控制和頻率控制數(shù)據(jù)信息，對數(shù)據(jù)信息解析后以指定的方式產(chǎn)生相應(yīng)的頻率。

1.5 功率放大器

圖2 跳頻頻率合成器框圖

考慮到工作效率、抗炮彈爆炸沖擊振動要求，選用固態(tài)功率放大器，通過功率控制部分驅(qū)動功率輸出。同前所述，手動模式分為4 級，分別對應(yīng)功率輸出為0W/10W/20W/MAX；自動模式按dB 為分辨率控制輸出功率。

圖3 功放單元示意圖

1.6 天饋線單元

靶標(biāo)天饋線采用低損耗高可靠饋線和短波高增益天線。為防止訓(xùn)練時靶標(biāo)主機被實彈射擊損毀，通過長饋線可將靶標(biāo)主機部署在相對安全的掩體內(nèi)，而天線部分與模擬指揮所目標(biāo)進行組合，供實彈射擊使用。

1.7 報靶檢測

靶標(biāo)支持振動式和阻抗式兩種命中檢測方式。

振動式命中檢測能與模擬指揮所實體目標(biāo)組合使用。如圖4，振動傳感器信號先經(jīng)過信號采集（阻抗變換和信號放大）、信號濾波（高通濾波和低通濾波）等處理，再經(jīng)比較輸出（門限比較觸發(fā)和接口電平轉(zhuǎn)換）產(chǎn)生有效命中事件，送給綜合控制器。

圖4 振動式報靶處理電路

阻抗式命中檢測與木板制成的模擬目標(biāo)組合使用。訓(xùn)練使用前先在木板上繞制閉環(huán)導(dǎo)線，在綜合控制器檢測閉環(huán)導(dǎo)線阻抗接近為0；訓(xùn)練時，當(dāng)炮彈摧毀木板后，閉環(huán)導(dǎo)線亦被打斷而變?yōu)殚_路，在綜合控制器檢測相應(yīng)阻抗變跳變?yōu)楦咦锠顟B(tài)，認(rèn)為模擬目標(biāo)被命中摧毀。

2 跳頻控制器設(shè)計

跳頻控制器根據(jù)協(xié)議解析出需要輸出的頻率、頻率跳變周期以及輸出功率的等信息，通過串口將相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后送給頻率合成器，實現(xiàn)定頻、跳頻、循環(huán)掃頻等工作方式，模擬主要短波跳頻電臺的載波特性。

定頻控制：頻率合成器輸出單一頻點。

跳頻控制：通信處理單元發(fā)送跳頻圖案、輸出功率、跳頻時間間隔給等跳頻控制器，跳頻控制器控制DDS 數(shù)字直接頻率合成器，按照跳頻圖案輸出跳頻信號和相應(yīng)的信號功率。

掃頻控制：綜合控制器將某一頻段的最低頻點和最高頻點、輸出功率、跳頻時間間隔、頻率跳頻步長等信息發(fā)送給跳頻控制器，由跳頻控制器控制頻率合成器，按照跳頻時間對該頻段進行掃描。

圖5 跳頻控制器功能框圖

跳頻控制器控制頻率合成器的同時，根據(jù)輸出功率要求，采用高精度電壓控制芯片TLV5623 控制功率放大器單元輸出功率。

3 頻率合成器設(shè)計

3.1 合成器方案選擇

通常實現(xiàn)跳頻頻率合成器的方案有傳統(tǒng)的鎖相環(huán)混頻方案和直接數(shù)字（DDS）合成方案。

標(biāo)準(zhǔn)短波頻率范圍為3MHz～30MHz，但為了充分發(fā)揮短波通信特點，實際短波電臺經(jīng)常選用頻率范圍1.5MHz～30MHz，也即頻率覆蓋系數(shù)為20。如果采用單鎖相環(huán)直接頻率合成，必須采用多頻段的壓控振蕩器和多鎖相環(huán)路，系統(tǒng)將會變得很復(fù)雜。為簡化系統(tǒng)的復(fù)雜程度，提高可靠性，選擇DDS 直接數(shù)字合成方案。

由于本系統(tǒng)要求DDS 具有掃頻功能，而且要求DDS 芯片低功耗，選用ANALOG DEVICE 公司AD9954[1]。

3.2 頻率合成

跳頻控制器將解析出的跳頻圖案等信息經(jīng)串口送給頻率合成系統(tǒng)的FPGA 處理，F(xiàn)PGA 產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號給DDS芯片AD9954，控制AD9954 輸出跳頻信號。通過FPGA 控制AD9954 三種工作模式見圖6。

圖6 FPGA 控制流程圖

當(dāng)輸出單個頻點信號時，只需要配置相位控制字寄存器和頻率控制字寄存器以及初始化寄存器。輸出跳頻信號只要循環(huán)設(shè)置單個頻點的寄存器。輸出頻段循環(huán)掃描信號時，由于AD9954 內(nèi)部自帶線性掃頻功能，因此只需要在設(shè)置單頻點寄存器的基礎(chǔ)上對頻率步進、駐留時間進行設(shè)置即可。輸出跳頻信號時，在輸出單個頻點的基礎(chǔ)上進行頻率點跳變即可。

4 固態(tài)功率放大器

圖7 中上面部分為功放單元的推動及末級功放管，從跳頻頻率合成器的跳頻信號經(jīng)過兩級推動后給末級功放管完成功率的最后放大，并經(jīng)過隔離器輸出；下面部分為饋電、檢測、報警及控制等。

圖7 功放單元示意圖

為保護功率放大器，提高全系統(tǒng)可靠性，在功放單元增加了功率檢測和功率控制，功率檢測部分主要檢測功放的正反向功率，并將檢測結(jié)果送至面板顯示單元，便于在面板上直觀的顯示功放單元的工作狀態(tài)。在顯示面板上設(shè)置故障告警燈提供告警。

推動1 是小信號放大器，由頻率合成系統(tǒng)輸出信號0dBm，接到RF 輸入端口，其增益為15dB。

推動2 考慮到功率可調(diào)，因此采用增益可控放大器，本放大器的控制電壓由0～5V 連續(xù)可調(diào)，控制電壓與增益具有良好的線性度。

在控制電壓為0V 時，此放大器具有9dB 增益。當(dāng)控制電壓5V 時，此放大器具有20dB 增益。

末級功放采用高功率、高增益GaAs FET 放大器，放大器增益13dB，輸出功率50dBm。考慮到信號在介質(zhì)中損耗和饋線損耗及放大器隨溫度的升高增益下降，留有余量4dB，經(jīng)天線輸出最大為46dBm。

5 綜合性能評估

5.1 主機輸出功率

跳頻頻率合成器輸出信號為0dBm，功率放大器的推動1增益為15dB，推動2 增益最大為20dB，末級功放的增益為13dB，因此功率放大器輸出的最大功率為Pmax=0+15+20+13=48dBm，能模擬典型短波跳頻電臺功率特征。

5.2 最高跳頻速率

因為AD9954 頻率鎖定時間＜1ms，F(xiàn)PGA 對AD9954 寄存器的控制時間＜1ms，最高跳頻速率500hop/s 以上（即每跳最小間隔為2ms），已覆蓋典型短波跳頻電臺的跳頻速率。

5.3 頻率調(diào)整步長

6 結(jié)語

本文提出了一種低成本短波跳頻發(fā)信靶標(biāo)方案，能模擬復(fù)雜訓(xùn)練靶場上藍(lán)方典型短波跳頻電臺的通信特征，并支持實彈射擊命中檢測，為復(fù)雜電磁環(huán)境下開展實戰(zhàn)化訓(xùn)練提供支撐手段。