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          P波段小步進(jìn)頻率合成器的研制

          作者: 時(shí)間:2012-08-09 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          摘要:文中介紹了一種用于雷達(dá)信號(hào)模擬器的P,該源主要功能是模擬產(chǎn)生寬頻帶、多體制、高密度和動(dòng)態(tài)可控的雷達(dá)信號(hào)環(huán)境。
          關(guān)鍵詞:源;調(diào)相:開環(huán)

          為了適應(yīng)現(xiàn)代電子戰(zhàn)的要求,就需要產(chǎn)生一個(gè)與現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境相類似的寬頻帶、多體制、高密度和動(dòng)態(tài)可控的雷達(dá)信號(hào)環(huán)境,從而模擬現(xiàn)代戰(zhàn)中的復(fù)雜電磁環(huán)境。該雷達(dá)信號(hào)環(huán)境模擬器頻率可以提供一個(gè)復(fù)雜、真實(shí)的雷達(dá)信號(hào)。并與其他電子系統(tǒng)配合可以形成綜合電磁威脅環(huán)境。

          1 P頻率的設(shè)計(jì)
          1.1 主要功能及技術(shù)指標(biāo)
          (1)主要功能
          ◇具有正常工作模式和直接VCO模式。
          模擬器設(shè)有功能切換,能夠使模擬器從正常的閉環(huán)狀態(tài)切換到直接VCO狀態(tài)下,使模擬器處于開環(huán)工作條件下的工作模式,在此工作模式下,模擬器能夠使頻率捷變時(shí)間大大縮短,小于2μs,并保持頻率分辨率為0.5MHz。
          ◇具有頻率捷變功能,頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間非常短,在10μs左右。
          通過外加頻率控制字,能夠使信號(hào)在兩頻率點(diǎn)來回跳變,頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間在閉環(huán)狀態(tài)下為10μs左右,在開環(huán)狀態(tài)下,時(shí)間小于2μs。
          ◇能實(shí)現(xiàn)正弦波和三角波調(diào)頻,調(diào)頻范圍從100Hz到1MHz。
          在閉環(huán)工作狀態(tài)下,正弦波時(shí),調(diào)制信號(hào)的頻率范圍為0.1~1MHz,調(diào)頻帶寬大于100MHz;三角波調(diào)頻時(shí),調(diào)制信號(hào)的頻率范圍為200~500Hz,調(diào)頻帶寬大干100MHz。
          ◇能實(shí)現(xiàn)BPSK、QPSK數(shù)字相位調(diào)制。
          在閉環(huán)工作狀態(tài)下模擬器具有BPSK、QPSK數(shù)字相位調(diào)制功能,調(diào)制信號(hào)的碼速范圍為100Hz~10MHz,調(diào)相精度達(dá)到±1°。
          ◇頻率分辨率為0.5MHz。
          ◇設(shè)有工作狀態(tài)和故障顯示。
          在外接的信號(hào)控制接口提供有一輸出信號(hào)指示,在正常工作狀態(tài)下為低電平,當(dāng)處于開環(huán)狀態(tài)或失鎖狀態(tài)時(shí),信號(hào)變?yōu)楦唠娖剑糜谔峁┕ぷ鳡顟B(tài)和故障指示。
          (2)主要技術(shù)指標(biāo)
          本系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如下:
          ◇頻率范圍:0.5~1GHz
          ◇頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間:
          正常工作模式下:≤10μs
          直接VCO模式下:≤2μs
          通過對(duì)VCO預(yù)置電壓使鎖相電壓更快的進(jìn)入鎖相環(huán)的快捕帶,從而縮短跳頻時(shí)間。
          ◇置頻步長(zhǎng)(或頻率分辨率):
          正常工作模式下:≤0.5MHz
          直接VCO模式下:≤1%的中心頻率
          ◇頻率穩(wěn)定度:
          正常工作模式下,優(yōu)于1×10-7/日直接VCO模式下,優(yōu)于1×10-5/日
          ◇相為噪聲:≤-80dBc/Hz@10kHz
          ◇諧波電平抑制:優(yōu)于-30dBc
          ◇輸出功率≥10dBm
          ◇調(diào)頻功能,具備三角波、正弦波調(diào)頻,
          正弦波調(diào)頻:調(diào)制頻率范同:0.1~1MHz
          調(diào)頻帶寬>100MHz
          三角波調(diào)頻:調(diào)制頻率范圍:200~500Hz調(diào)頻帶寬>100MHz
          1.2 工程方案設(shè)計(jì)
          由于雷達(dá)信號(hào)環(huán)境模擬器頻率綜合器的技術(shù)指標(biāo)要求很高,為達(dá)到低相噪、低雜散、高的頻率分辨率、短的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間的目標(biāo),在方案設(shè)計(jì)中采用由PE3336組成粗的主鎖相環(huán)結(jié)合小步進(jìn)的DDS的全數(shù)字化頻率合成方案,實(shí)現(xiàn)了頻率的捷變。中、大規(guī)模集成電路的應(yīng)用使設(shè)備量大大減少,同時(shí)可靠性卻大大提高,體積也非常靈巧。為實(shí)現(xiàn)調(diào)頻功能,PE3336的主鎖相環(huán)的環(huán)路帶寬設(shè)計(jì)成可控的兩種環(huán)路帶寬;為提高頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間,還采取了對(duì)VCO先進(jìn)行預(yù)制的措施,使VCO振蕩在所需信號(hào)的頻率附近,對(duì)VCO的預(yù)制采用數(shù)字的方式,并在VCO的控制電壓輸入前設(shè)置了開關(guān)以使環(huán)路能工作在開環(huán)狀態(tài),使整個(gè)頻率綜合器工作在直接VCO模式下;整個(gè)系統(tǒng)采用一個(gè)外部100MHz的參考時(shí)鐘,系統(tǒng)中所需的其它時(shí)鐘都由它來產(chǎn)生,外部的參考時(shí)鐘采用具有恒溫裝置的高精度晶體振蕩器,保證了整個(gè)系統(tǒng)的置頻精度和頻率穩(wěn)定度。
          在本頻率綜合器中我們采用最新技術(shù)的頻率合成方法。其中DDS的時(shí)鐘頻率由以前的50MHz提高到現(xiàn)在的1GHz,跳頻時(shí)間小到幾毫秒量級(jí),頻率分辨率小于0.1Hz。
          在倍頻電路、分頻電路、混頻電路、放大電路及濾波電路中采用先進(jìn)成熟的設(shè)計(jì)方法及思路,并輔助于最新的電路設(shè)計(jì)軟件一使產(chǎn)品達(dá)到低雜散、低相噪、低功耗、高穩(wěn)定。
          系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/160131.htm

          b.JPG



          2 功能模塊設(shè)計(jì)
          2.1 DDS模塊設(shè)計(jì)
          在系統(tǒng)中,為實(shí)現(xiàn)0.5MHz的頻率分辨率,采用了DDS技術(shù),PE3336的主環(huán)的工作頻率步進(jìn)為10MHz,DDS部分的頻率步進(jìn)為0.5MHz,二者結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了寬的頻段覆蓋和高的頻率分辨率。在系統(tǒng)中采用DDS產(chǎn)生180~190MHz的信號(hào),頻率步進(jìn)為0.5MHz。DDS的基本原理是通過信號(hào)的相位函數(shù)來產(chǎn)生信號(hào),本身一個(gè)正弦信號(hào)可以表示成
          S(t)=cos(2πft+θ0) (1)
          其相位函數(shù):
          θ(t)=2πft+θ0
          顯然θ(t)是關(guān)于時(shí)間t的線性函數(shù),并可得到頻率表達(dá)式:
          a.JPG
          △θ為相位增量,TC為固定時(shí)間間隔,則以固定時(shí)間間隔TC相位增量△θ產(chǎn)生的正弦信號(hào)為
          c1.jpg
          改變相位增量,通過相位的累加,就可以產(chǎn)生出所需頻率的信號(hào),具體的方案是將相位量化并存儲(chǔ)起來。如采用N位字長(zhǎng)的寄存器來存儲(chǔ),即是[0,2π]的相位TC間進(jìn)行N位字長(zhǎng)的線性量化,也即在數(shù)字i和正弦相位θ(i)之間建立如下的一一映射關(guān)系:
          c.JPG
          如在系統(tǒng)中采用1000MHz的時(shí)鐘,需產(chǎn)生的最小正弦信號(hào)的頻率為0.5MHz,因此,需11位字長(zhǎng)的量化就夠了。完成了相位量化,再建立起數(shù)字相位到數(shù)字正弦幅度的映射,然后將數(shù)字幅度變成模擬波彤,就能直接輸出正弦信號(hào)了。
          2.2 鎖相模塊設(shè)計(jì)
          這部分是整個(gè)頻率綜合器的核心,它以10MHz為頻率步進(jìn)產(chǎn)生我們所需的射頻信號(hào),并在環(huán)路內(nèi)實(shí)現(xiàn)了調(diào)頻,頻率捷變直接VCO等功能。
          QPE3336集成了VCO分頻,參考分頻和鑒相等功能,它的VCO輸入信號(hào)頻率的典型值可達(dá)3GHz,它具有高的鑒相增益,Kφ=0.403V/Rad,低的相噪基底,可達(dá)-150dBc/Hz@20kHz,寬的動(dòng)態(tài)范圍等特點(diǎn)。它的控制接口采用16位并行總線,均為TTL/CMOS電平,并設(shè)有失鎖指示,44腳PLCC封裝,體積小,是理想的數(shù)字鎖相環(huán)芯片。
          PE3336的控制接口包括了4位參考分頻值輸入R0~R3,12位VCO分頻值輸入,其中M0~M3,為分頻值個(gè)位輸入,A0~A6,為分頻值十位輸入,PREEN是控制VCO的分頻值是否超過128。
          PE3336用于PLL頻率綜合器的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

          d.JPG


          用PE3336芯片組成的頻率合成器還應(yīng)包括低通濾波器、壓控振蕩器等。如圖(2)所示,簡(jiǎn)單介紹如下:
          (1)低通濾波器
          低通濾波器采用有源濾波器,為防止鑒相泄漏,加上了預(yù)濾波器,如圖3所示。

          e.JPG


          根據(jù)PLL理論可知,R1、R2、C、Cc與環(huán)路帶寬ωn,環(huán)路阻尼因子號(hào),VCO的壓控靈敏度KVCO,鑒相增益Kφ,及分頻比N的關(guān)系有:
          f.JPG
          環(huán)路帶寬ωn的選取要綜合考慮環(huán)路的相位噪聲,頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間和運(yùn)算放大器的工作帶寬。在此,我們ωn=300kHz,阻尼因子號(hào)取在1~2之間,取定這些參數(shù)則有源濾波器的元件參數(shù)就可以確定了。
          (2)調(diào)頻工作原理
          在PE3336主鎖相環(huán)內(nèi)進(jìn)行調(diào)頻的工作原理如圖4所示。頻率調(diào)制是由調(diào)制信號(hào)電壓UΩ加在壓控振蕩器的控制端,利用載波跟蹤環(huán)而實(shí)現(xiàn)的。

          g.JPG


          由鎖相環(huán)理論可以知道,為實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻必須使環(huán)路等效低通濾波器帶寬小于最低調(diào)制頻率Ωmin,在本系統(tǒng)中調(diào)制信號(hào)最低頻率為200Hz,因此需將原300KHz的環(huán)路帶寬降到100Hz以下。故采用了一個(gè)選擇開關(guān),當(dāng)不調(diào)頻時(shí)環(huán)路帶寬為300kHz,當(dāng)選擇調(diào)頻時(shí)環(huán)路帶寬變?yōu)?00Hz。

          3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
          通過對(duì)頻率源的測(cè)試得出如下結(jié)論:
          頻率范圍:0.5~1GHz
          頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間:
          正常工作模式下:6~10μs
          直接VCO模式下:≤2μs
          置頻步長(zhǎng)(或頻率分辨率):
          正常工作模式下:在頻率范圍內(nèi)大步進(jìn)為10MHz~500MHz,
          小步進(jìn)為0.5MHz。
          直接VCO模式下:≤1%的波段中心頻率
          頻率穩(wěn)定度:
          正常工作模式下,優(yōu)于1×10-7/日
          直接VCO模式下,優(yōu)于1×10-5/日
          相位噪聲: -85dBc/Hz@10KHz~-80dBc/Hz@10kHz
          諧波電平抑制:優(yōu)于-25dBc~30dBc輸出功率:10~11dBm
          調(diào)頻功能:具備三角波、正弦波調(diào)頻,
          正弦波調(diào)頻:調(diào)制頻率范圍:0.1~1MHz調(diào)頻帶寬>100MHz
          三角波調(diào)頻:調(diào)制頻率范圍:200~500Hz調(diào)頻帶寬>100MHz
          通過具體測(cè)量得出試驗(yàn)數(shù)據(jù)能滿足設(shè)計(jì)要求有些指標(biāo)優(yōu)于設(shè)計(jì)參數(shù)。

          4 結(jié)束語
          現(xiàn)代雷達(dá)頻率綜合器是一門復(fù)雜的電子電路技術(shù)。技術(shù)難度大,因此對(duì)設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)基礎(chǔ)有較高的要求。國(guó)內(nèi)雷達(dá)整機(jī)單位均在雷達(dá)頻率綜合器。但大多數(shù)是采用直接式頻率和成方案。而間接式頻率綜合器也有其自身的優(yōu)勢(shì),從體積、成本等方面還有潛力可挖。因受到器件及設(shè)計(jì)思路的和結(jié)構(gòu)方面的原因,國(guó)內(nèi)的頻率綜合器與國(guó)外的相比還有一定差距。為此我們還要進(jìn)行,更細(xì)致、深入的研究,力爭(zhēng)趕超國(guó)際先進(jìn)水平。

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