兼容微波大带宽和中频小步进的捷变频合成方法及其装置
阅读：328发布：2020-06-07
专利汇可以提供兼容微波大带宽和中频小步进的捷变频合成方法及其装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种兼容 微波 大带宽和中频小步进的捷变频合成方法及其装置，其特征在于：将直接模拟式 频率 合成、直接数字频率合成与DSP技术相结合方法进行频率合成，从而充分利用了这几种技术的优点，避开了其技术上的 缺陷 ，实现了 频率综合器 各项技术指标的优化，在频率带宽的设计上具有横好的可扩展性，又同时兼容了大带宽微波捷变频和中频小步进捷变频 信号 功能。，下面是兼容微波大带宽和中频小步进的捷变频合成方法及其装置专利的具体信息内容。
1.一种兼容微波大带宽和中频小步进的捷变频合成方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：采用直接频模拟式率合成方法合成M个中频频标信号和N个射频频标信号；所述的中频频标信号的频率间隔为ΔF、带宽为(M-1)ΔF；所述射频频标信号的频率间隔为ΔQ、带宽为(N-1)ΔQ的射频频标信号，其中ΔQ是(M-1)ΔF的整数倍；
步骤2：将中频频标信号和射频频标信号进行混频得到步进为ΔF的微波信号；
步骤3：将步骤2产生的步进为ΔF的微波信号进行2倍频产生步进为2ΔF。
2.一种实现权利要求1所述兼容微波大带宽和中频小步进的捷变频合成方法的装置，其特征在于包括隔离放大器、梳状谱发生器、三选一电子开关滤波组件、五选一电子开关滤波组件、放大器、隔离器、双平衡混频器、倍频器、DSP控制接口电路、直接数字频率合成器；
参考信号FR通过隔离放大器后作为梳状谱发生器倍频器的输入参考信号，与隔离放大器联接的梳状谱发生器利用阶跃恢复二极管的非线性特性在频率为100MHz的参考信号的激励下产生很窄的脉冲，再通过与其联接的三选一电子开关滤波组件产生3个C波段频率信号，再经过放大隔离器后作为参与后续混频的本振信号；参考信号FR1是由晶体振荡器通过功分后2分频后产生的其频率为50MHz，输入至隔离放大器后作为另一路梳状谱发生器倍频器的输入参考信号，直接倍频到P波段，再通过五选一电子开关滤波组件产生5个P波段频率信号，再经过放大后作为参与后续混频的中频信号；两波段的中频信号和本振信号经过双平衡混频器混频后，经过三选一电子开关滤波组件后滤出下边带C波段频率信号，然后经过放大后进行2次倍频，通过滤波放大后产生10个频点的X波段频率信号；DSP控制接口电路接收外部定时与模式控制信号后，控制2个三选一电子开关滤波组件、五选一电子开关滤波组件和直接数字频率合成器。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的C波段频率信号的频率间隔为
150MHz、带宽为300MHz。
4.根据权利要求2所述的，其特征在于：所述的P波段频率信号的频率间隔为50MHz、带宽为200MHz。
5.根据权利要求2所述的，其特征在于：所述的下边带C波段频率信号：共10个频率点，步进为50MHz、带宽为450MHz。
6.根据权利要求2所述的，其特征在于：所述的X波段频率信号的带宽为900MHz，频率步进为100MHz。
兼容微波大带宽和中频小步进的捷变频合成方法及其装置
技术领域
背景技术
[0003] 直接模拟频率合成技术(Direct Frequency Synthesis)是利用一个或多个不同的晶体振荡器作为基准信号源，经过倍频、分频、混频等途径直接产生许多离散频率的输出信号。其优点是频率稳定度高、捷变时间短，但杂散较难控制，结构复杂。
[0004] 间接频率合成技术(Indirect Frequency Synthesis)以锁相频率合成为代表，建立在相位负反馈的理论基础之上，利用一个或几个参考频率源，通过谐波发生器混频和分频等技术产生大量的谐波或组合频率，然后用锁相环路把压控振荡器(VCO)的频率锁定在某一谐波或组合频率上，由VCO间接产生所需的输出频率。其优点是频率稳定度高、杂散抑制好，调试方便，但频率转换速度比直接合成方式慢。这种方法主要的不足就是频率转换时间长、频率分辨率较大和相位噪声等指标较差。
[0005] 直接数字频率合成技术(Direct Digital Frequency Synthesis，简称DDS或DDFS)是一种基于数字采样和存储技术的频率合成理论。这种方法产生的正弦波具有相位连续性和相位可控制性，由于没有反馈环路、采用数字合成技术所以可获得很快的跳频时间(小于0.1us)和很高的频率分辨率，但杂散比较差，不利的是ROM的寻址时间限制了DDS的调谐带宽，输出频率低、功率耗散大。
[0006] 性能优良的频率合成器应同时具备输出相位噪声低、频率捷变速度快、输出频带宽和频率点数多等特点需要大带宽微波捷变频信号；同时，在自行雷达系统中，由于车体的运动对动目标检测产生影响，需要对车体运动产生的多普勒频率进行补偿。采用这种技术方法可以同时实现：①产生满足雷达电子对抗性能要求的大带宽微波捷变频信号；②产生中频小步进捷变频信号，提供了一种对车体运动产生的多普勒频率实时补偿的解决方案。
[0007] 目前在雷达系统中，为了提高抗干扰能力，要求雷达频率合成器都具有大带宽的频率接变频信号。同时，为了提高雷达信号接收信号的信噪比，又要求雷达频率合成器具备良好的相位噪声。这一点在搜索雷达中尤为重要。
[0008] 在中频小步进捷变频信号合成中采用直接数字式频率合成技术，由于需要产生的频率步进量为赫兹级，我们知道采用DDS技术产生频率时，需要更改其相位寄存器和频率寄存器，每一组频率都要对应一组频率码，在输出频率点数较多时将会需要非常大的数据量，如采用一般的译码存储调用的方式，将很难实现。
发明内容
[0010] 本发明的技术解决方案是将直接模拟式频率合成、直接数字频率合成与DSP技术相结合方法进行频率合成，从而充分利用了这几种技术的优点，避开了其技术上的缺陷，实现了频率综合器各项技术指标的优化，在频率带宽的设计上具有横好的的可扩展性，又同时兼容了大带宽微波捷变频和中频小步进捷变频信号功能。
[0011] 具体技术方案如下：
[0012] 一种兼容微波大带宽和中频小步进的捷变频合成方法，其特征在于步骤如下：
[0013] 步骤1：采用直接频模拟式率合成方法合成M个中频频标信号和N个射频频标信号；所述的中频频标信号的频率间隔为ΔF、带宽为(M-1)ΔF；所述射频频标信号的频率间隔为ΔQ、带宽为(N-1)ΔQ的射频频标信号，其中ΔQ是(M-1)ΔF的整数倍；
[0014] 步骤2：将中频频标信号和射频频标信号进行混频得到步进为ΔF的微波信号；
[0015] 步骤3：将步骤2产生的步进为ΔF的微波信号进行2倍频产生步进为2ΔF。
[0016] 一种实现权利要求1所述兼容微波大带宽和中频小步进的捷变频合成方法的装置，其特征在于包括隔离放大器、梳状谱发生器、三选一电子开关滤波组件、五选一电子开关滤波组件、放大器、隔离器、双平衡混频器、倍频器、DSP控制接口电路、直接数字频率合成器；参考信号FR通过隔离放大器后作为梳状谱发生器倍频器的输入参考信号，与隔离放大器联接的梳状谱发生器利用阶跃恢复二极管的非线性特性在频率为100MHz的参考信号的激励下产生很窄的脉冲，再通过与其联接的三选一电子开关滤波组件产生3个C波段频率信号，再经过放大隔离器后作为参与后续混频的本振信号；参考信号FR1是由晶体振荡器通过功分后2分频后产生的其频率为50MHz，输入至隔离放大器后作为另一路梳状谱发生器倍频器的输入参考信号，直接倍频到P波段，再通过五选一电子开关滤波组件产生5个P波段频率信号，再经过放大后作为参与后续混频的中频信号；两波段的中频信号和本振信号经过双平衡混频器混频后，经过三选一电子开关滤波组件后滤出下边带C波段频率信号，然后经过放大后进行2次倍频，通过滤波放大后产生10个频点的X波段频率信号；DSP控制接口电路接收外部定时与模式控制信号后，控制2个三选一电子开关滤波组件、五选一电子开关滤波组件和直接数字频率合成器。
[0017] 所述的C波段频率信号的频率间隔为150MHz、带宽为300MHz。
[0018] 所述的P波段频率信号的频率间隔为50MHz、带宽为200MHz。
[0019] 所述的下边带C波段频率信号：共10个频率点，步进为50MHz、带宽为450MHz。
[0020] 所述的X波段频率信号的带宽为900MHz，频率步进为100MHz。
[0021] 本发明提出的兼容微波大带宽和中频小步进的捷变频合成方法，针对产生满足雷达电子对抗性能要求的大带宽微波捷变频信号；②产生中频小步进捷变频信号，提供了一种对车体运动产生的多普勒频率实时补偿的解决方案。本发明将直接模拟式频率合成、直接数字频率合成与DSP技术相结合方法进行频率合成，从而充分利用了这几种技术的优点，避开了其技术上的缺陷，实现了频率综合器各项技术指标的优化，在频率带宽的设计上具有横好的的可扩展性，又同时兼容了大带宽微波捷变频和中频小步进捷变频信号功能。
[0022] 在DDS控制电路中采用数字信号处理器(DSP)来进行控制，当数字信号处理器(DSP)经串口接收到当前雷达发送的频率控制码后，数字信号处理器(DSP)根据频率控制码计算得出所对应输出频率的频率控制字，再将其转换成DDS芯片所对应的数据格式，再通过外部接口电路送入DDS芯片中的频率寄存器中，从而产生所需的小步进中频信号。
[0023] 本发明与现有技术相比较，所具有的特点是：
[0024] 1.比较以往频率合成方法，本发明通过DSP+DDS技术方法，合成了高频率分辨率的小步进捷变频中频信号，其频率精度达到了赫兹级，其相位噪声达到-120dBc/Hz/1kHz。同时跳频时间达到了100ns以内。
[0025] 2.在微波大带宽捷变频信号合成方面，本发明采用直接式频率合成技术方法，其输出信号具有跳频速度快、带内杂散低、相噪低等优点，其输出频率步进和带宽设置方便灵活。实际测量结果如下：跳频时间为130ns；偏离中心频率500MHz以内杂散优于-75dBc，偏离中心频率±500MHz以外杂散优于-75dBc；相位噪声达到-110dBc/Hz/1kHz。
[0026] 3.本发明具有同时实现了大带宽微波捷变频和中频小步进捷变频信号，两者互不干扰，又基于同一参考频率基准，保证了两种信号的相干性。既实现了微波信号的相躁、杂散、跳频时间等良好的技术指标，又实现了中频信号的高频率分辨率以及快速频率捷变。很好地利用了直接模拟式和直接数字式的技术优势，又克服了两种技术存在的不足，使各项技术指标都得到了进一步的优化。
[0027] 4.由于本技术采用DSP对频率综合器系统进行控制，大大增强了频率综合器控制的灵活性和功能的可扩展性，在频率综合器的控制程序中可嵌入需要的调试模式子程序，从而大大提高了测试效率，减少了调试仪表。附图说明
[0029] 图2：本发明的控制电路硬件实现框图
[0030] 图3：本发明电路中I/O口同步时序图
[0031] 其中：TASU是地址建立到WR有效的时间间隔；TDSU是数据建立到WR无效的时间间隔；TAHD是WR无效后地址保持的时间；TDHD是WR无效后数据保持的时间；TWRLOW是WR低电平最短保持的时间；TWRHIGH是WR高电平最短保持的时间，其值为TASU+TAHD；TWR是WR信号最短周期，其值为TWRLOW+TWRHIGH。
具体实施方式
[0032] 现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
[0033] ①采用直接频模拟式率合成方法合成M个频率间隔为ΔF、带宽为(M-1)ΔF的中频频标信号，所产生的中频频标信号为F1、F1+ΔF、F1+2ΔF、…、F1+(M-1)ΔF；
[0034] ②采用直接模拟式频率合成方法产生N个频率间隔为ΔQ、带宽为(N-1)ΔQ的射频频标信号，其中ΔQ是应是(M-1)ΔF的整数倍，可根据具体系统要求具体设置；
[0035] ③将①中产生的中频信号和②中产生的射频频标信号进行混频得到步进为ΔF的微波信号；
[0036] ④将①中产生的步进为ΔF的微波信号进行2倍频产生步进为2ΔF、带宽和频点可根据雷达系统要求设计的微波射频信号。为了保证其频谱纯度，在产生中频信号时，需要通过开关滤波组件对中频频标信号的杂散电平加以滤除，这样才能保证后续上变频的过程中保证产生频率信号的频谱纯度。
[0037] 具体装置如下：
[0038] 图1给出了本发明的一个设计实例。如图所示，参考信号FR是由晶体振荡器通过功分产生的，通过隔离放大后作为梳状谱发生器倍频器的输入参考信号，梳状谱发生器利用阶跃恢复二极管的非线性特性在频率为100MHz的参考信号的激励下产生很窄的脉冲，因而谐波丰富且效率高。再通过三选一电子开关滤波组件产生3个频率间隔为150MHz、带宽为300MHz的C波段频率信号，再经过放大隔离器后作为参与后续混频的本振信号。同样，参考信号FR1是由晶体振荡器通过功分后2分频后产生的其频率为50MHz，通过隔离放大后作为梳状谱发生器倍频器的输入参考信号，直接倍频到P波段，再通过五选一电子开关滤波组件产生5个频率间隔为50MHz、带宽为200MHz的P波段频率信号，再经过放大后作为参与后续混频的中频信号。两波段的信号经过双平衡混频器混频后，经过三选一电子开关滤波组件后滤出下边带C波段频率信号，共10个频率点，步进为50MHz、带宽为450MHz，然后经过放大后进行2次倍频，通过滤波放大后产生10个频点的X波段频率信号，其带宽为900MHz，频率步进为100MHz。通过测试：其杂散电平优于-80dBc，相位噪声在偏离载波1kHz处达到了-110dBc/Hz，跳频时间小于100ns。
[0039] 在本实例中，采用DDS(直接数字频率合成)方法很好地解决了捷变频中的小步进问题，因为AD9858的频率步进可小于赫兹级。其输出信号的相位噪声可达-130dBc/Hz/1kHz。其调频时间可达百纳秒以内。
[0040] 在微波大带宽捷变频信号合成方面，倍频电路采用梳妆谱发生器，其输出信号相位噪声基本遵循了20lgN(N为倍频次数)恶化规律，所以就可以保证微波信号良好的相位噪声。
[0041] 本发明的硬件系统采用DSP来实现对整个频率合成器内所有电子开关、直接数字频率合成器的控制。DSP是数字信号处理器的简称，具有强大的逻辑运算能力和丰富的片内外设接口，它具有体积小、运行速度高、可在线编程等优点，非常适合作为频率综合器的系统控制使用。
[0042] DSP控制电路主要由通讯接口电路，译码电路，时序产生电路，DDS模拟电路等部分组成。通讯接口电路主要由串行接口芯片TL16C552FN，差分接收器DS26LS32MJ。数字钟振频率为11.0592MHz，可编程逻辑器件选用GAL16V8D。采用差分接收器可以减少数据传输时的干扰，降低数据传输的误码率，同时可以大大提高数据传输的距离。同样选择频率为11.0592MHz的数字钟振是为了保证异步串口传输速率为时钟频率的整数倍，从而达到降低数据传输的误码率目的。差分接收器DS26LS32MJ接收到信号处理发送来的数据，进入TL16C552FN后转换成八位并行数据存储到其内部的寄存器中，同时TL16C552FN会产生一位高电平信号。
[0043] 连接在TL16C552FN和TMS320F206之间的可编程逻辑器件GAL16V8D主要实现片选译码和逻辑转换功能，这样控制就会具有很大的灵活性，电路简单可靠。通过在通过GAL16V8D后TL16C552FN产生会产生高电平信号转换为低电平信号，这个低电平信号连接到数字信号处理器TMS320F206的中断1，当处理器接收到这个中断信号后读取TL16C552FN中的并行数据寄存器，再读取TL16C552FN中的并行数据寄存器后，其产生的高电平信号恢复为低电平，根据读取过来的数据进行判断，根据接收到的频率码，DSP进行运算后得出DDS输出补偿频率所对应的频率控制字，当收到数据F1时则本电路收集系统工作状态信息经过编码后转换为约定的数据格式，然后通过TL16C552FN上报本系统的故障信息。通过连接在数据总线上的2片锁存器HCT574，分别连接到DDS芯片AD9858的数据位[D7..D0]和地址位[A5..A0]上，由于AD9858的工作电平为3.3V，所以HCT574加3.3V的工作电压，从而使输出的数据电平为3.3V。同时把锁存器的片选信号通过集成电路74LVC245连接到DDS写信号端上，这样就可以实现数字信号处理器对DDS芯片的实时控制。
[0044] 同步触发脉冲：同步触发脉冲由雷达时控机产生，电平为3.3V，接入到DDS芯片AD9858的更新起始信号FUD端子，当更新起始信号FUD的上升沿到来时，AD9858输出信号切换为其频率控制寄存器内的数据所对应的信号频率，从而保证输出信号和雷达系统的同步。
[0045] 要让AD9858产生设计的波形，就要按照其要求的时序对控制端口进行数据控制。AD9858的时序要求如图3所示。
[0046] 从图3中可以看出，要使控制数据进入到AD9858里面，起到控制作用，就要让地址数据和控制数据在写信号为高的时候保持一段时间，就是如中所示的TAHD和TDHD。
[0047] 在中频小步进捷变频信号合成中采用直接数字式频率合成技术，由于需要产生的频率步进量为赫兹级，我们知道采用DDS技术产生频率时，需要更改其相位寄存器和频率寄存器，每一组频率都要对应一组频率码，在输出频率点数较多时将会需要非常大的数据量，如采用一般的译码存储调用的方式，将很难实现。为此，我们在DDS控制电路中采用数字信号处理器(DSP)来进行控制，当数字信号处理器(DSP)经串口接收到当前雷达发送的频率控制码后，数字信号处理器(DSP)根据频率控制码计算得出所对应输出频率的频率控制字，再将其转换成DDS芯片所对应的数据格式，再通过外部接口电路送入DDS芯片中的频率寄存器中，从而产生所需的小步进中频信号。
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