基于DRFM的通用無線電高度模擬裝置的設(shè)計(jì)

李尚生，張 軍，陳佳林

（海軍航空工程學(xué)院電子信息工程系，山東煙臺(tái)264001）

無線電高度模擬裝置是無線電高度表測(cè)試設(shè)備的重要組成部分，用于高度表測(cè)試時(shí)模擬不同高度時(shí)的高度信號(hào)，滿足不同的飛行高度對(duì)無線電高度表測(cè)試[1-2]需求?；竟ぷ髟硎牵和ㄟ^延時(shí)裝置對(duì)無線電高度表發(fā)射信號(hào)進(jìn)行延時(shí)，然后將延時(shí)后的信號(hào)再送到高度表接收端，來模擬地（海）面的高度表反射信號(hào)，延遲時(shí)間的大小代表了模擬高度的大小。傳統(tǒng)的高度模擬裝置[3-4]大多采用以下幾種實(shí)現(xiàn)方式：①等效電纜箱實(shí)現(xiàn)方式。高度模擬裝置用射頻電纜實(shí)現(xiàn)，利用高度表發(fā)射信號(hào)在電纜中的傳輸代替在空間中的傳輸，為模擬不同的高度，采用多條射頻電纜組合。該方案的優(yōu)點(diǎn)是可以適用于任意體制和任意波段的無線電高度表，但體積大，特別是在高度模擬時(shí)，射頻電纜長(zhǎng)，電纜箱的體積和重量大，且由于電纜的長(zhǎng)度固定，無法模擬高度的連續(xù)變化。②延遲線[5]實(shí)現(xiàn)方式。利用換能器將無線電高度表的輸出無線電波轉(zhuǎn)換為其他形式的能量（如聲波），再利用聲表面波延遲線進(jìn)行延時(shí)，經(jīng)延時(shí)后聲波再由換能器轉(zhuǎn)換為無線電波。利用聲波延時(shí)代替無線電波在電纜中的延時(shí)，可以大大降低體積和重量，但仍然無法模擬高度的連續(xù)變化。③光纖循環(huán)延時(shí)實(shí)現(xiàn)方式。利用換能器將高度表的無線電波轉(zhuǎn)換為光波，再利用光纖進(jìn)行循環(huán)延時(shí)，延時(shí)后的光波再由換能器轉(zhuǎn)換為無線電波。這不但降低了體積和重量，而且可以通過控制循環(huán)延時(shí)的次數(shù)，改變模擬高度的數(shù)值，但只能實(shí)現(xiàn)高度的固定變化，無法模擬高度的連續(xù)變化，且與等效電纜箱和聲表面波延遲線實(shí)現(xiàn)方式一樣。由于是直接將高度表輸出信號(hào)進(jìn)行延時(shí)，無法在高度信號(hào)上疊加其他信息，也就無法模擬對(duì)高度表的各類干擾信號(hào)。

由于傳統(tǒng)的無線電高度模擬裝置無法實(shí)現(xiàn)模擬高度的連續(xù)變化和各類干擾信息的疊加，不能滿足高度表技術(shù)發(fā)展對(duì)高度模擬裝置的技術(shù)需求，迫切需要研制一種適應(yīng)新型高度表測(cè)試需求的高性能通用高度模擬裝置。

1 高度表信號(hào)特征分析

機(jī)載和彈載無線電高度表一般工作在線性調(diào)頻方式，線性調(diào)頻信號(hào)的復(fù)數(shù)表達(dá)式可表示為：

式（1）、（2）中：u(t)為信號(hào)復(fù)包絡(luò)；T為脈寬；K為頻率變化斜率，且，B為頻率變化范圍。信號(hào)的瞬時(shí)頻率為：

線性調(diào)頻信號(hào)的波形圖如圖1所示。

u(t)經(jīng)傅里葉變換，可得其頻譜：

式（4）中：c(v)、s(v)為菲涅耳積分，

當(dāng)BT≥1時(shí)，

其頻譜如圖2所示。

圖2 線性調(diào)頻信號(hào)的頻譜

2 數(shù)字射頻存儲(chǔ)技術(shù)

為保持高度表信號(hào)的相位信息，無線電高度模擬裝置采用數(shù)字射頻存儲(chǔ)（DRFM）技術(shù)[6-7]。DRFM方法最初應(yīng)用于電子戰(zhàn)領(lǐng)域，用于產(chǎn)生對(duì)脈沖雷達(dá)的假目標(biāo)等欺騙干擾，近年來在軍事領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[8-9]，其基本思想是：首先，將輸入射頻信號(hào)下變頻到基帶信號(hào)；然后，通過A/D 轉(zhuǎn)換器將基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器內(nèi)，由延時(shí)控制器控制讀出存儲(chǔ)器內(nèi)的數(shù)據(jù)；再由D/A 恢復(fù)為基帶信號(hào)，經(jīng)上變頻器將基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)輸出[10-11]，原理框圖如圖3所示。

圖3 DRFM方案原理框圖

根據(jù)奈奎斯特采樣定理，若A/D轉(zhuǎn)換器的采樣速率fS不低于基帶信號(hào)x(t)頻率fH的2 倍，則采樣信號(hào)x(n)=x(nTS)（其中TS=1/fS為采樣間隔）將包含原信號(hào)x(t)的所有信息。再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器恢復(fù)后的信號(hào)和原輸入信號(hào)x(t)的相位信息和頻率信息相同，經(jīng)上變頻器恢復(fù)為射頻信號(hào)。由于輸出端的上變頻器和輸入端的下變頻器采用同一個(gè)本振，輸出射頻信號(hào)與輸入射頻信號(hào)具有相同的頻率和相位信息，只是在時(shí)間上有一個(gè)延遲。延遲時(shí)間通過控制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)讀出的時(shí)間改變，可以實(shí)現(xiàn)延遲時(shí)間的連續(xù)可調(diào)變化。

3 基于DRFM的無線電高度模擬裝置設(shè)計(jì)

3.1 總體組成框圖

模擬裝置采用DRFM 電路，并配以外部主控部件、供電設(shè)備和程控設(shè)備等，總體框圖如圖4所示。

DRFM 電路是模擬裝置的核心，由程控本振、上變頻器、下變頻器、低通濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、存儲(chǔ)控制器和干擾調(diào)制器等組成。

通過控制本振信號(hào)的頻率可以改變高度模擬裝置的工作頻率?？刂茢?shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)數(shù)據(jù)寫入和讀出的時(shí)間間隔可以控制模擬高度的大小，模擬裝置的工作頻率和模擬高度由主控制器根據(jù)模擬裝置的工作狀態(tài)設(shè)定。

圖4 模擬裝置總體框圖

3.2 采樣數(shù)據(jù)循環(huán)存儲(chǔ)技術(shù)

DRFM 技術(shù)最早應(yīng)用于脈沖雷達(dá)信號(hào)的模擬，在脈沖持續(xù)期間，將雷達(dá)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行采樣存儲(chǔ)，經(jīng)延時(shí)后再還原成高頻信號(hào)。而無線電高度表工作在調(diào)頻連續(xù)波狀態(tài)，將DRFM 技術(shù)應(yīng)用于高度信號(hào)模擬，必須首先解決用有限容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)連續(xù)波采樣信號(hào)的問題[12]。

一個(gè)有效的解決方法就是采用循環(huán)存儲(chǔ)技術(shù)[13]，將連續(xù)采樣數(shù)據(jù)循環(huán)存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，如圖5所示。

圖5 循環(huán)存儲(chǔ)原理示意圖

圖5 a）表明電路由ADC、DAC、雙端口RAM、寫地址產(chǎn)生電路、讀地址產(chǎn)生電路、寫清零定時(shí)器和可控延時(shí)電路等組成。電路處于連續(xù)工作狀態(tài)時(shí)，輸入信號(hào)經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，在寫地址產(chǎn)生電路的控制下，從左端口順序循環(huán)存入同步雙端口RAM。由于數(shù)據(jù)的存入是順序循環(huán)進(jìn)行的，電路可以連續(xù)采樣并存儲(chǔ)采樣數(shù)據(jù)。被存儲(chǔ)數(shù)據(jù)在讀地址產(chǎn)生電路的控制下，從同步雙端口RAM 的右端口依次讀出數(shù)據(jù)，送給DAC恢復(fù)為模擬信號(hào)。寫清零定時(shí)器按周期T給寫地址產(chǎn)生電路送出清零脈沖，使雙端口RAM左端口的數(shù)據(jù)從0地址開始寫入。同時(shí)該清零脈沖通過可控延時(shí)電路進(jìn)行延時(shí)后，向讀地址產(chǎn)生電路提供清零脈沖，使雙端口RAM的右端口從0地址開始順序讀出數(shù)據(jù)。可控延時(shí)電路控制2個(gè)清零脈沖之間的時(shí)間間隔，該時(shí)間間隔可以通過延時(shí)設(shè)置進(jìn)行修改。顯然，2 個(gè)清零脈沖之間的時(shí)間差就是輸出信號(hào)相對(duì)輸入信號(hào)的時(shí)間差，決定了高度信號(hào)的模擬高度的大小，見圖5 b）。這樣不但解決了用有限容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)連續(xù)采樣數(shù)據(jù)的問題，而且通過改變可控延時(shí)電路的延時(shí)設(shè)置，改變輸入輸出數(shù)據(jù)時(shí)間間隔，控制模擬高度的連續(xù)變化。

為了保證整個(gè)電路工作時(shí)不發(fā)生時(shí)間混淆，雙端口RAM 的容量應(yīng)大于循環(huán)存儲(chǔ)周期T時(shí)間內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)量T/Δt（Δt為采樣周期），且最大延遲時(shí)間應(yīng)小于循環(huán)存儲(chǔ)周期，即τmax≤T。

3.3 可控延時(shí)電路設(shè)計(jì)

輸入輸出數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔取決于2個(gè)清零脈沖之間的時(shí)間延遲，因而高度模擬裝置模擬高度的大小和精度由2 個(gè)清零脈沖之間延遲時(shí)間的大小和精度決定。為了滿足模擬高度的大范圍和高精度的要求，采用將延遲量分為高位和低位分別實(shí)現(xiàn)的方案。

同步雙口存儲(chǔ)器由超高速集成電路硬件描述語(yǔ)言（VHDL）描述，寫清零定時(shí)器產(chǎn)生的清零脈沖將通過可控延遲電路進(jìn)行延時(shí)。為了滿足延遲時(shí)間大范圍、高精度的要求，通過直接采樣法實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)大范圍可控延遲（對(duì)應(yīng)延遲量高位）；用Analog Device公司生產(chǎn)的數(shù)字可編程延時(shí)器AD9501實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)的精確延遲（對(duì)應(yīng)延遲量低位）。因?yàn)檠舆t后的輸出脈沖寬度一般和輸入的不一致，所以最后通過AD9501對(duì)輸出信號(hào)脈寬進(jìn)行精確調(diào)整，用VHDL對(duì)復(fù)雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）編程?？煽匮舆t電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 可控延時(shí)電路

4 結(jié)束語(yǔ)

利用DRFM 能夠完整保留輸入信號(hào)頻率和相位等細(xì)微特征的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，將DRFM技術(shù)應(yīng)用于無線電高度表高度信號(hào)的模擬，解決了傳統(tǒng)的高度模擬裝置中模擬高度不能連續(xù)可調(diào)等制約高度表測(cè)試的一系列技術(shù)難題。另外，DRFM技術(shù)將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量進(jìn)行存儲(chǔ)和延時(shí)，可以利用數(shù)字信號(hào)處理理論與方法，將各類干擾信號(hào)產(chǎn)生、假目標(biāo)生成等技術(shù)應(yīng)用于高度信號(hào)模擬，實(shí)現(xiàn)高度模擬裝置的數(shù)字化、高精度和疊加各類干擾信息，提高高度模擬裝置的通用性和可擴(kuò)展性，滿足彈載和機(jī)載無線電高度表測(cè)試要求，特別適用于在通用自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備中應(yīng)用。

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