航空系統(tǒng)跳頻信號(hào)源的方案

航空通信設(shè)備包括短波通信、超短波通信設(shè)備，短波、超短波通信設(shè)備又分為常規(guī)通信方式和跳頻通信方式，跳頻通信因具有抗干擾性強(qiáng)、抗偵測(cè)能力好、頻譜利用率高和易于實(shí)現(xiàn)碼分多址等優(yōu)點(diǎn)被稱為無(wú)線電通信的“殺手锏”。跳頻通信設(shè)備的不斷裝備極大提高了我軍電子作戰(zhàn)的能力。然而跳頻通信設(shè)備卻面臨著維護(hù)、保障的難題。不同類型的通信設(shè)備對(duì)跳頻的性能要求不同，為達(dá)到對(duì)眾多跳頻通信設(shè)備性能的測(cè)試，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法往往要設(shè)計(jì)多個(gè)跳頻信號(hào)源，這樣在使用時(shí)一方面給外場(chǎng)機(jī)務(wù)工作者增加了工作負(fù)擔(dān)，另一方面也造成了資源的巨大浪費(fèi)，再加上原來(lái)技術(shù)條件的限制，原跳頻檢測(cè)器所用信號(hào)源已不能滿足新裝備測(cè)試需要，為提高新裝備維護(hù)、保障能力，急需研制一種寬頻帶、調(diào)速高、抗干擾能力強(qiáng)、可擴(kuò)展性好的跳頻通信檢測(cè)系統(tǒng)。

航空通信設(shè)備一旦脫離飛機(jī)，就失去正常工作所必需的信號(hào)環(huán)境，這就需要為航空通信設(shè)備設(shè)計(jì)檢測(cè)控制器，一方面為通信設(shè)備施加必須的射頻信號(hào)、跳頻信號(hào)、音頻、數(shù)字信號(hào)等激勵(lì)信號(hào)；另一方面接收通信設(shè)備的發(fā)出響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)。在檢測(cè)控制器設(shè)計(jì)中，最重要也是最難實(shí)現(xiàn)的就是跳頻信號(hào)的實(shí)現(xiàn)，通過分析測(cè)試需求，提出了基于“DDS+PLL”來(lái)實(shí)現(xiàn)跳頻信號(hào)源的設(shè)計(jì)方法，試驗(yàn)結(jié)果表明該信號(hào)源具有頻率穩(wěn)定度高、頻率分辨率高、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短、改變頻率方便等優(yōu)點(diǎn)。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

航空通信設(shè)備是一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域，通信設(shè)備存在著種類繁多、型號(hào)復(fù)雜的現(xiàn)狀，為達(dá)到跳頻測(cè)試系統(tǒng)的可靠性、抗干擾性、可移植性，尤其是可擴(kuò)展性設(shè)計(jì)要求，在設(shè)計(jì)信號(hào)源時(shí)還要綜合考慮不同跳速航空通信設(shè)備的測(cè)試問題，對(duì)于目前跳頻信號(hào)源對(duì)兩種常用的基于DDS和基于PLL的方案進(jìn)行對(duì)比，基于DDS 的跳頻信號(hào)源具有頻率分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，但是最高工作頻率一般小于100 MHz，不能滿足超短波通信的需要；而基于PLL的跳頻信號(hào)源具有工作頻率高的優(yōu)點(diǎn)，但是頻率分辨率卻比較低，這兩種方案都不能滿足跳頻信號(hào)源的測(cè)試需求，為達(dá)到測(cè)試要求，通過比較各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)。最終選擇這兩種方案的這種，采用基于“DDS+PLL”的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)跳頻信號(hào)源設(shè)計(jì)，跳頻信號(hào)源電路原理如圖1所示。

跳頻信號(hào)源主要由DDS合成器、2個(gè)PLL以及控制電路和濾波電路組成。其中DDS合成器與一個(gè)PLL形成第1本振信號(hào)，另一個(gè)PLL得到第2個(gè)本振信號(hào)。控制電路主要完成合成頻率所需要的控制碼和控制邏輯，濾波電路則濾除一本振和二本振的干擾，提高信號(hào)的頻譜純度。

1．1 工作原理

由主控制器輸入片選信號(hào)CS(低電平有效)、模式控制信號(hào)MDl～MD4，這些信號(hào)通過74HC573得到相應(yīng)的控制信號(hào)，包括波段控制碼、第一本振數(shù)據(jù)載入、第二本振數(shù)據(jù)載入以及DDS控制碼。

第一本振振蕩器用來(lái)提供信道所需要的混頻信號(hào)。該部分由DDS和鎖相環(huán)構(gòu)成，鎖相環(huán)采用MCl45158，其內(nèi)部由選擇參考分頻比、可編程頻率分頻電路、相位檢測(cè)器和數(shù)字式分頻器組成，相位檢測(cè)器輸出的信號(hào)分別為φr，和φv，它們反映已分頻的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和已分頻的VCO頻率之間的相位關(guān)系，當(dāng)2個(gè)信號(hào)頻率相等時(shí)，即本地處于鎖定狀態(tài)，φr和φv都有很窄的負(fù)脈沖出現(xiàn)；如果VCO的輸出頻率fv大于參考頻率fr，或者相位超前，φv出現(xiàn)負(fù)脈沖；如果 VCO頻率小于參考頻率，或者相位滯后，φr輸出負(fù)脈沖。當(dāng)兩者的頻率和相位相同時(shí)，φr、φv輸出同為高電平，這時(shí)環(huán)路達(dá)到穩(wěn)定，也稱環(huán)路的鎖定狀態(tài)，φr、φv與fr、fv之間的關(guān)系如圖2所示。

1．2 跳頻控制碼

跳頻碼信號(hào)是控制通信設(shè)備工作頻率的信號(hào)，某通信設(shè)備在100～400MHz頻率范圍內(nèi)工作，而在跳頻方式下工作時(shí)，某一時(shí)刻只能工作在某一工作頻道上，頻率碼就是控制通信設(shè)備工作頻道的信號(hào)。不同的頻道需要通信設(shè)備內(nèi)部的頻率合成器提供不同的頻率，要想完成對(duì)通信設(shè)備跳頻性能的檢測(cè)，就需要產(chǎn)生相應(yīng)的頻率控制碼。在本設(shè)計(jì)中，頻率合成采用了“DDS+PLL”為核心來(lái)實(shí)現(xiàn)跳頻信號(hào)源的設(shè)計(jì)，鎖相環(huán)采用MCl45158，DDS采用AD9850，根據(jù)鎖相環(huán)輸出頻率的關(guān)系，可以得出一本振輸出頻率f1

式中，R1、N1、A1為分頻系數(shù)，通過三線串行碼來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率碼的改變；fDDS_O為DDS的輸出頻率，fDDS_i為DDS晶振振蕩頻率。該頻率控制通信設(shè)備的工作頻率實(shí)際上就是控制通信設(shè)備內(nèi)部的頻率合成器輸出相應(yīng)的頻率。

二本振信號(hào)的產(chǎn)生和一本振有所不同，它的產(chǎn)生主要由MCl45158鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)，其參考頻率和DDS的參考頻率相同，這樣保證了整個(gè)頻率合成器頻率穩(wěn)定度，由于鎖相環(huán)采用與鎖相環(huán)路I的鎖相環(huán)相同，因此當(dāng)環(huán)路達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，第二本振輸出頻率為：

式中，N2、R2、A2為鎖相環(huán)路Ⅱ的分頻系數(shù)，fDDS_i是DDS的晶體振蕩器的頻率。

一本振和二本振輸出的高頻信號(hào)經(jīng)過混頻后得到某一時(shí)刻跳頻信號(hào)的輸出，該信號(hào)經(jīng)過射頻信號(hào)調(diào)理電路處理后輸出到待測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)待測(cè)設(shè)備所需要的激勵(lì)信號(hào)。

2 軟件設(shè)計(jì)

如果說基于“DDS+PLL”硬件實(shí)現(xiàn)方式是跳頻信號(hào)源的“骨架”，那跳頻信號(hào)源的“血肉”就是軟件；只有在軟件的配合下才有可能把跳頻信號(hào)源的作 用發(fā)揮到最大。軟件系統(tǒng)采用模塊化編程，包括主程序、系統(tǒng)控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及通信模塊。以系統(tǒng)控制模塊中頻率合成流程圖為例簡(jiǎn)要說明軟件流程，如 圖3所示。

頻率合成模塊監(jiān)測(cè)頻率控制中心的頻率碼是否發(fā)生變化，如果發(fā)生變化則把數(shù)據(jù)送到DDS和PLL單元，否則則返回控制中心繼續(xù)掃面；然后等待PLL達(dá)到鎖定，如果沒有達(dá)到鎖定，則失鎖計(jì)數(shù)增加l，對(duì)此信號(hào)進(jìn)行判斷，如果該信號(hào)小于6，則控制中心再一次發(fā)送頻率碼到DDS和PLL單元，如果失鎖計(jì)數(shù)信號(hào)大于等于5，則發(fā)出失鎖告警信號(hào)顯示合成器故障。一本振和二本振的信號(hào)經(jīng)過混頻器后形成跳頻通信所需要的某一時(shí)刻的頻率。在不同時(shí)刻就會(huì)產(chǎn)生不同的頻率，頻率合成器產(chǎn)生的頻率最后送到調(diào)理電路進(jìn)行處理。

3 測(cè)試結(jié)果分析

把跳頻信號(hào)源輸出端接到頻譜分析儀上，通過設(shè)置跳頻的跳速，利用安泰信公司的頻譜分析儀來(lái)測(cè)試輸出信號(hào)的頻譜純度、頻譜精度，可以得到如圖4所示的波形。

從圖4可以看出，某一時(shí)刻，該跳頻信號(hào)信號(hào)源頻輸出了個(gè)跳頻頻率，如果通過軟件設(shè)置跳頻信號(hào)的跳速和PN碼序列，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)通信設(shè)備的檢測(cè)。改變跳 頻信號(hào)源工作方式，還可以作為多種通信設(shè)備的信號(hào)源，在施加跳頻激勵(lì)信號(hào)的情況下，通過通信設(shè)備靈敏度、音頻響應(yīng)等主要技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試，對(duì)照通信設(shè)備技術(shù) 指標(biāo)可看出測(cè)試結(jié)果滿足設(shè)備技術(shù)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

跳頻通信在現(xiàn)代航空通信設(shè)備的應(yīng)用越來(lái)越多，基于“DDS+PLL”實(shí)現(xiàn)的某通信設(shè)備檢測(cè)儀的信號(hào)源克服了跳頻通信設(shè)備測(cè)量的難題，該信號(hào)源充分利 用了頻率合成中DDS產(chǎn)生頻率分辨率高和鎖相環(huán)輸出頻率高的優(yōu)點(diǎn)，克服DDS輸出頻率低和鎖相環(huán)頻率分辨率低的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)通信設(shè)備的檢測(cè)與控制，該信 號(hào)發(fā)生器可以推廣到多種通信設(shè)備檢測(cè)儀的信號(hào)源的設(shè)計(jì)，具有極大的軍事經(jīng)濟(jì)效益。