一種具有溫度補(bǔ)償?shù)乃矔r(shí)測頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：本文通過研究和分析溫度對(duì)瞬時(shí)測頻接收機(jī)測頻誤差的影響，改變了傳統(tǒng)電纜恒溫處理設(shè)計(jì)方案，在測頻接收機(jī)中加入一溫度補(bǔ)償模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度引起的測頻誤差的校正。并在硬件上實(shí)現(xiàn)了該測頻系統(tǒng)。其中測頻范圍為2 GHz，通過測試，精度達(dá)到≤1 MHz(r.m.s)，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，雷達(dá)的地位日趨重要。頻率作為雷達(dá)信號(hào)的重要參數(shù)，是雷達(dá)信號(hào)分選和威脅識(shí)別的重要依據(jù)。瞬時(shí)測頻(IFM)法是變化法測頻的一種，它根據(jù)不同頻率信號(hào)經(jīng)過同一電纜相位變化不同的原理，將頻率測量轉(zhuǎn)換為測量相位信息，再將相應(yīng)相位信息轉(zhuǎn)換為頻率，從而間接實(shí)現(xiàn)測頻。

由于溫度變化對(duì)延遲線電纜長度的影響使相位測量產(chǎn)生較大誤差，導(dǎo)致測頻精度降低，嚴(yán)重時(shí)甚至系統(tǒng)無法工作。本文設(shè)計(jì)了一種基于溫度補(bǔ)償方法的瞬時(shí)測頻接收機(jī)，有效的解決了溫度變化對(duì)IFM接收機(jī)的影響。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)具有良好的測頻性能。

1 溫度補(bǔ)償原理

1.1 溫度變化對(duì)IFM接收機(jī)影響分析

文中使用圖1所示微波鑒相器完成頻向轉(zhuǎn)換，它首先由一功分器將射頻信號(hào)分為相等的兩路，再經(jīng)過兩條長度不等的傳輸線(延遲線)形成相應(yīng)的相位差，而此相位差正比于信號(hào)頻率和兩傳輸線的電長度差。

其中，當(dāng)延遲線長度為△l，輸入信號(hào)頻率為f時(shí)，其電長度差為

。由此造成兩路信號(hào)的相位差為

。通過對(duì)微波鑒相器輸出信號(hào)進(jìn)行量化處理并采樣，計(jì)算后我們將得到其相位差φ，從而可以通過上述公式計(jì)算出相應(yīng)的頻率值。

通過上述原理及過程分析，可以得知，測頻誤差主要來源于相位測量精度和延遲線長度的精度。延遲線精度可通過調(diào)節(jié)使其忽略。通過分析和測量，溫度變化引起延遲線電纜物理長度的變化，雖然其變化量級(jí)較小(毫米級(jí))，但它引起的相應(yīng)相位變化(電長度)較大。所以由環(huán)境溫度變化就成為了制約瞬時(shí)測頻接收機(jī)測頻精度的主要原因。

1.2 傳統(tǒng)電纜恒溫處理方法

在以往的瞬時(shí)測頻接收機(jī)處理方法中，主要是對(duì)延遲線進(jìn)行恒溫處理。將電纜部分放置在一有保溫功能的恒溫盒內(nèi)。對(duì)恒溫盒內(nèi)的溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過對(duì)加熱裝置的控制，使恒溫盒內(nèi)的溫度保持在測頻接收機(jī)的工作溫度上限。此方法已在多型測頻接收機(jī)上得到實(shí)際應(yīng)用，并取得較為優(yōu)秀的效果。

然而該方法也存在明顯的缺陷：首先，構(gòu)造復(fù)雜，需要一套完整的溫度保持系統(tǒng)，增大了系統(tǒng)體積，增加了制作成本;其次，溫度的恒定需要預(yù)熱時(shí)間，且恒溫效果取決于保溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平和制造工藝，使不確定性因素增加;最后，保溫系統(tǒng)的加入，大大增加了測頻接收機(jī)的功耗，不利于小型化、低功耗的設(shè)計(jì)趨勢(shì)。

1.3 溫度補(bǔ)償修正法

由于傳統(tǒng)恒溫處理方法存在的種種缺陷，因此本文提出了通過測量溫度，并對(duì)相應(yīng)溫度的影響做出補(bǔ)償?shù)姆椒?。由于電纜長度在某一固定溫度狀態(tài)下是相對(duì)穩(wěn)定的。所以可以通過測量電纜溫度，并根據(jù)當(dāng)時(shí)溫度，對(duì)測頻結(jié)果作相應(yīng)補(bǔ)償，從而克服溫度對(duì)測頻的影響。

文中采用建立標(biāo)準(zhǔn)溫度，在相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)溫度下采樣得到補(bǔ)償數(shù)據(jù)，建立該溫度下的補(bǔ)償表。應(yīng)用中通過監(jiān)測實(shí)時(shí)溫度，調(diào)取相應(yīng)溫度補(bǔ)償表對(duì)測試數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。補(bǔ)償表的建立方法是將測頻接收機(jī)置于恒溫箱中由高溫到低溫逐次降溫，溫度間隔約為，在每一設(shè)定溫度達(dá)到平衡后用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源產(chǎn)生信號(hào)得到對(duì)應(yīng)的溫度補(bǔ)償數(shù)據(jù)查找表。這樣設(shè)置的優(yōu)勢(shì)有3點(diǎn)：

其一，通過恒溫測試可以使測頻接收機(jī)各個(gè)部分溫度充分均衡，使產(chǎn)生的查找表有足夠的精度和穩(wěn)定性;

其二，快速掃描解決了掃描時(shí)間過長，期間溫度小幅變化對(duì)測頻結(jié)果的影響。在測試時(shí)，使用線性掃頻(Ramp)模式，可在短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)頻段的掃描。但由于其掃頻精度較差，在實(shí)際應(yīng)用中還應(yīng)對(duì)其進(jìn)行一次步進(jìn)掃頻(Step)，并通過步進(jìn)掃頻結(jié)果對(duì)線性掃頻結(jié)果進(jìn)行修正。

其三，較小的溫度間隔使得系統(tǒng)穩(wěn)定度大大提升，當(dāng)間隔穩(wěn)定為時(shí)，其對(duì)應(yīng)的延時(shí)線精度將可以滿足要求精度。

應(yīng)用中隨著溫度的變化，根據(jù)溫度碼選擇不同的表格，再根據(jù)量化編碼的輸出進(jìn)行查表，得到補(bǔ)償后的頻率數(shù)據(jù)。

2 帶溫度補(bǔ)償?shù)腎FM接收機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)

文中為兼顧測頻精度與測頻范圍，我們選用多通道方案進(jìn)行測頻。輸入信號(hào)經(jīng)過鑒相器后由量化器進(jìn)行量化采樣，并將數(shù)據(jù)輸入至CPLD中進(jìn)行處理形成未校正的頻率碼，最后通過查表完成頻率校正后輸出，整個(gè)系統(tǒng)由FPGA芯片控制。在此FPGA芯片采樣Xilinx公司的Spartan2該器件價(jià)格便宜且能滿足IFM接收機(jī)巨大的運(yùn)算量。

2.1 軟件處理設(shè)計(jì)

首先，對(duì)頻率信息建立ROM查找表，使用微波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，對(duì)其信號(hào)進(jìn)行處理得到標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的ROM查找表;其次，在實(shí)際工作中先將量化器輸出的區(qū)間碼轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的二進(jìn)制碼，得到12bit二進(jìn)制碼，將其作為地址在ROM查找表中進(jìn)行查找，得到相應(yīng)頻率。

2.2 溫度補(bǔ)償修正

溫度補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵就是對(duì)環(huán)境溫度的測量和量化編碼。本文中應(yīng)用的是ADI公司的AD7814測溫芯片(如圖2所示)。它是ADI公司推出的一款10bit數(shù)字測溫芯片，具有應(yīng)用簡便，數(shù)據(jù)通信簡單，測溫范圍廣(-55～+125℃)，測溫精度較高(±2℃)等優(yōu)點(diǎn)。該芯片是通過串行通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，本設(shè)計(jì)中與CPLD直接相連進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。設(shè)計(jì)電路如圖3所示。

將測溫芯片AD7814輸出的溫度碼作為高位地址，再使用量化器輸出的未校正的頻率碼作為低位地址進(jìn)行聯(lián)合查表，得到最終輸出頻率，如圖4所示。

2.3 實(shí)際電路實(shí)現(xiàn)

IFM接收機(jī)實(shí)物圖如圖5所示。由于溫度主要影響的是鑒相器模塊中延遲線，所以將溫度監(jiān)測模塊固定于與四根延遲線相臨近的位置。

3 測試結(jié)果

測試是在室溫情況下進(jìn)行，通過微波信號(hào)源產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，幅度為-20 dBm，步進(jìn)頻率為0.5 MHz。經(jīng)過測試，測頻誤差為0.520 MHz(]RMS)，誤差平均值為-0.094 MHz。圖6為測頻誤差，圖7為測頻輸出。從測試結(jié)果我們可以看出，本文設(shè)計(jì)的測頻接收機(jī)具有很高的測頻精度(≤1 MHz(r.m.s))。通過調(diào)整輸入信號(hào)大小，測試得到接收機(jī)靈敏度達(dá)到-75 dBm。

可以看出，該設(shè)計(jì)方案很好的解決了溫度變化對(duì)鑒相器延遲線的影響。通過溫度補(bǔ)償電路的加入，提高了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性及其適用范圍，改進(jìn)了傳統(tǒng)電纜恒溫處理方法中系統(tǒng)體積大，功耗大的缺點(diǎn)。通過測試，該IFM測頻接收機(jī)在精度和靈敏度等參數(shù)上均達(dá)到了相當(dāng)高的水平。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)電纜恒溫處理方法的分析，根據(jù)溫度對(duì)電纜物理特性的影響特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于溫度補(bǔ)償法的IFM接收機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過建立溫度、頻率的查找表的方式對(duì)結(jié)果進(jìn)行溫度補(bǔ)償不但簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，還具有優(yōu)秀的測頻效果。