偽碼引信小型實(shí)時(shí)可配置高速偽碼調(diào)制頻率源

徐利平,王大鵬,許嘉晨,文 帥

(西安機(jī)電信息技術(shù)研究所,陜西 西安 710065)

0 引言

現(xiàn)代和未來戰(zhàn)爭是復(fù)雜電磁環(huán)境下的大縱深立體戰(zhàn),對引信的小型化和抗干擾性能提出了更高要求。脈沖體制測距具有測距精度高,抗干擾性能好等特點(diǎn);偽隨機(jī)碼具有極強(qiáng)的自相關(guān)性,碼的參數(shù)可以按指令而改變,可有效地解決抗干擾問題,提高引信與戰(zhàn)斗部的配合,增強(qiáng)引信的抗干擾能力[1-3]。偽碼測高引信一般采用單天線收發(fā)一體、脈沖工作體制,即發(fā)射偽碼信號時(shí)關(guān)閉接收通道,接收回波信號時(shí)關(guān)閉發(fā)射通道,來減小發(fā)射通道到接收通道的能量,減小對接收的干擾[4]。偽碼調(diào)制頻率源位于發(fā)射通道,用于產(chǎn)生偽碼中頻調(diào)制信號,然后上變頻到射頻,通過發(fā)射支路功率放大后由天線發(fā)射出去,所以偽碼調(diào)制頻率源是發(fā)射通道的核心部件。

傳統(tǒng)的偽碼調(diào)制頻率源一般采用聲表面波抽頭延遲線或DDS等方式實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[5]中采用聲表面波器件作為引信的偽碼調(diào)制源。文獻(xiàn)[6]介紹了一種偽碼調(diào)制器,該調(diào)制器由聲表面波抽頭延遲線實(shí)現(xiàn),把輸出換能器的叉指電極與匯流條采用不同的連接方式,就可得到不同的編碼,在輸入換能器上加上一個(gè)沖擊信號,就可在輸出端得到對應(yīng)的沖擊響應(yīng)。對抽頭延遲線按照一定的要求進(jìn)行編碼,可產(chǎn)生對應(yīng)的調(diào)制信號。但是此方法雖然可產(chǎn)生偽隨機(jī)編碼信號,但是聲表面波器件插損大,輸出信號中心頻率低,后續(xù)需要多級放大濾波鏈路補(bǔ)償和變頻處理,不利于偽碼引信小型化設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[7—9]中介紹的基于DDS原理的BPSK調(diào)制器,具有現(xiàn)場可編程、靈活的優(yōu)點(diǎn),但是根據(jù)奈奎斯特定理,由于時(shí)鐘頻率的限制,輸出頻率不大于70 MHz,考慮到選頻濾波器的非理想性,需要經(jīng)過多次上變頻才能到微波或毫米波波段,不利于引信小型化設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[10]介紹了一種采用鎖相環(huán)和雙平衡混頻器,鎖相環(huán)提供本振信號,雙平衡混頻器實(shí)現(xiàn)BPSK調(diào)制功能,該調(diào)制器采用單端調(diào)制,即調(diào)制信號為高電平時(shí),射頻信號輸出與本振信號同相位,調(diào)制信號為低電平時(shí),射頻信號輸出為本振信號相位翻轉(zhuǎn)180°。在脈沖工作環(huán)境下,單端調(diào)制不利于發(fā)射脈沖形成,通常情況下需要外加射頻開關(guān)成形,在高碼速率情況下,對射頻開關(guān)的打開和關(guān)斷時(shí)間要求高。針對以上問題,本文提出偽碼引信小型實(shí)時(shí)可配置高速偽碼調(diào)制頻率源。

1 傳統(tǒng)偽碼調(diào)制方法

傳統(tǒng)偽碼引信偽碼調(diào)制頻率源如圖1所示。偽碼引信采用脈沖測距原理,寬波束單天線收發(fā)分時(shí)復(fù)用。發(fā)射通道中,在中頻進(jìn)行0/π調(diào)制,然后上變頻到射頻,經(jīng)功放由天線發(fā)射出去,然后轉(zhuǎn)入接收狀態(tài),回波信號經(jīng)天線、T/R開關(guān),低噪放后下變頻到中頻,然后在中頻進(jìn)行相關(guān)處理,最后由信號處理器計(jì)算出回波的延時(shí)并得出高度信息。

圖1 聲表面波偽碼調(diào)制源

傳統(tǒng)偽碼引信偽碼調(diào)制源采用聲表面波器件實(shí)現(xiàn)。聲表面波調(diào)制器由輸入換能器、輸出換能器組成。換能器的作用是完成聲能量和電能量之間的相互轉(zhuǎn)換。當(dāng)交流電信號到達(dá)輸入換能器時(shí),換能器的壓電材料由于壓電效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)械振動,進(jìn)而激勵(lì)出聲表面波,聲表面波在壓電材料表面?zhèn)鞑?當(dāng)?shù)竭_(dá)輸出換能器時(shí),聲波將轉(zhuǎn)換為電信號輸出。輸入換能器和輸出換能器的電極采用叉指空間周期分布方式,叉指換能器的聲同步頻率取決于電極排列的空間周期,工作帶寬取決于電極的數(shù)目。因此,聲表面波器件的沖擊響應(yīng)與其幾何結(jié)構(gòu)之間有著簡單的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)叉指換能器輸入一個(gè)沖擊電壓時(shí),換能器所激發(fā)的聲信號是一個(gè)正弦波串,它的持續(xù)時(shí)間等于聲波在換能器上的渡越時(shí)間;它所包含的周期數(shù)等于換能器所具有的叉指對數(shù)目,并且一一對應(yīng);它的指條重疊包絡(luò)與其沖擊響應(yīng)的包絡(luò)一一對應(yīng)的。所以,為了獲得不同的編碼,需要設(shè)計(jì)出對應(yīng)不同的叉指圖形換能器,通過叉指對與匯流條的不同連接方式即可獲得不同的編碼。

圖1中所示的聲表面波偽碼調(diào)制源的工作原理為:編碼/控制器產(chǎn)生發(fā)射控制信號,激發(fā)沖擊信號源產(chǎn)生沖擊信號輸入到聲表面波編碼器,聲表面波偽碼調(diào)制器器的輸入換能器激發(fā)出一串對應(yīng)的聲信號,可在輸出端得到一個(gè)沖擊響應(yīng)為固定載波、固定編碼的偽碼已調(diào)信號。

通過以上分析可知,聲表面波偽碼調(diào)制源具有處理速度快、設(shè)計(jì)原理簡單、一致性好、易于大量生產(chǎn)的特點(diǎn),但是由于材料的固有屬性,通常聲表面波偽碼調(diào)制器的插損很大,輸入沖擊信號的能量有限,所以輸出的信號需要經(jīng)過多級放大、濾波處理,集成度不高,導(dǎo)致實(shí)際工程可用的調(diào)制源體積并不小,不利于彈載設(shè)備使用。另外在現(xiàn)代戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境下,對引信的抗干擾性和可靠性提出了新的要求,所以對偽碼引信而言,要求載波和編碼實(shí)時(shí)可調(diào)整,這是聲表面波偽碼調(diào)制源難以完成的。

2 小型實(shí)時(shí)可配置高速偽碼調(diào)制頻率源

為了解決偽碼引信小型化設(shè)計(jì)、碼型實(shí)時(shí)可變需求與傳統(tǒng)偽碼調(diào)制頻率源集成度不高、碼型固定不變之間的矛盾,提出小型實(shí)時(shí)可配置高速偽碼調(diào)制頻率源,原理圖如圖2所示。頻率源包括高速乘法器和寬帶鎖相環(huán)。

圖2 小型實(shí)時(shí)可配置高速偽碼調(diào)制頻率源

與圖1傳統(tǒng)固定載波和固定編碼的偽碼調(diào)制方法比較,小型實(shí)時(shí)可配置高速偽碼調(diào)制頻率源采用寬帶可配置鎖相環(huán)產(chǎn)生載波信號,偽碼引信可根據(jù)使用需求實(shí)時(shí)配置載波的頻率,寬帶鎖相環(huán)的配置端口為三線SPI端口,鎖定時(shí)間小于30 μs,滿足引信實(shí)時(shí)可配置需求。編碼/控制器根據(jù)不同的探測高度、不同的干擾環(huán)境實(shí)時(shí)產(chǎn)生不同的偽隨機(jī)碼,偽碼調(diào)制功能由高速乘法器完成。

載波頻率源采用寬帶鎖相環(huán)架構(gòu),原理架構(gòu)如圖3所示。鎖相環(huán)由M分頻器、N分頻器、VCO、環(huán)路濾波器、鑒相器、輸出P分頻器等部分組成。參考頻率經(jīng)M分頻后與VCO輸出信號經(jīng)N分頻后的信號進(jìn)行鑒相,輸出誤差信號并經(jīng)過環(huán)路濾波器后形成近似直流電壓的信號,進(jìn)而控制VCO的輸出頻率。鎖相環(huán)是一個(gè)逐漸遞進(jìn)的負(fù)反饋過程,當(dāng)N和M分頻器的輸出相位誤差小到可以忽略的時(shí)候,最終低通濾波器輸出一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓,VCO輸出一個(gè)穩(wěn)定的頻率,即環(huán)路鎖定。VCO輸出的信號經(jīng)可配置P分頻器分頻后輸出載波信號。

圖3 載波源原理圖

載波信號鎖定時(shí)間如圖4所示,鎖定時(shí)間小于30 μs,在此期間彈丸下落的距離一般不超過3 cm,小于引信的距離分辨率要求,滿足偽碼引信高速實(shí)時(shí)配置需求。

圖4 鎖定仿真曲線

載波信號相位噪聲仿真曲線如圖5所示,能夠?qū)崿F(xiàn)-95 dBc/Hz@1 kHz的相位噪聲,低雜散等功能。載波信號輸入到調(diào)制器進(jìn)行偽碼相位調(diào)制。偽碼由編碼/控制器實(shí)時(shí)產(chǎn)生,偽碼可根據(jù)不同使用環(huán)境實(shí)時(shí)改變。

圖5 相位噪聲仿真曲線

調(diào)制器由乘法器實(shí)現(xiàn),輸入的偽隨機(jī)編碼調(diào)制信號為差分信號,即M+和M-,M+為差分信號輸入正端,M-為差分信號輸入負(fù)端。通過兩個(gè)三極管對組成的差分比例放大電路實(shí)現(xiàn)輸出信號的正負(fù)變化,差分比例放大器輸出信號U0如下:

U0=k((M+)-(M-)),

(1)

式(1)中,k為常數(shù),表示差分放大器增益。當(dāng)M+為1,M-為0時(shí),U0=k;反之,U0為-k;當(dāng)M+和M-均為1或0時(shí),U0=0?；诖嗽?即可實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號的正負(fù)變化,同時(shí)輸入調(diào)制信號為同相時(shí),調(diào)制信號為0,起到載波抑制作用。

調(diào)制器采用乘法器實(shí)現(xiàn)電路功能,偽碼調(diào)制原理如式(2)、式(3)所示:

URF=U0·ULO=k((M+)-(M-))·ULO,

(2)

URF為乘法器輸出的調(diào)制信號,ULO為載波信號,假如載波信號ULO=Acosωt,則

URF=U0·ULO=k((M+)-(M-))·Acosωt。

(3)

當(dāng)M+為1,M-為0時(shí):URF=Akcosωt;

當(dāng)M+為0,M-為1時(shí):URF=-Akcoswt=Akcos(ωt+π);

當(dāng)M+為1,M-為1時(shí):URF=0;

當(dāng)M+為0,M-為0時(shí):URF=0;

從而,實(shí)現(xiàn)了載波信號0°～180°的偽碼調(diào)相功能。

為了實(shí)現(xiàn)頻率源小型化,鎖相環(huán)、乘法器等芯片均采用裸片,采用SIP工藝將鎖相環(huán)、環(huán)路濾波器和乘法器等集成到一個(gè)芯片內(nèi),外封裝采用耐高溫絕緣塑封材料實(shí)現(xiàn)封裝,芯片尺寸為4 mm×4 mm×1 mm,原理架構(gòu)圖和封裝圖如圖6所示,滿足偽碼引信小型化設(shè)計(jì)需求。與現(xiàn)有分立器件相比,節(jié)省了外圍分立電路,特別適合引信的需求。

3 測試驗(yàn)證

3.1 小型實(shí)時(shí)可配置高速偽碼調(diào)制頻率源模塊測試驗(yàn)證

測試平臺包括穩(wěn)壓電源、微波信號源、編碼器、高頻示波器、頻譜分析儀、數(shù)字相關(guān)器、數(shù)據(jù)采集器和同軸電纜等。

載波測試方法如圖7所示。用微波信號源產(chǎn)生參考信號輸入到頻率源模塊,編碼器輸出的M+為高電平,M-為低電平,則頻率源模塊產(chǎn)生本振信號,用頻譜儀測試載波信號的各項(xiàng)參數(shù)。

圖7 載波測試方法

經(jīng)測試,頻率源輸出信號如圖8所示,載波信號雜散可以抑制到60 dBc以下。

相位噪聲測試如圖9所示,實(shí)測典型值為-130 dBc/Hz@10 kHz。

圖9 載波相位噪聲測試

經(jīng)測試,本振各項(xiàng)參數(shù)滿足工程使用需求。

偽碼調(diào)制測試方法如圖10所示。

用編碼器產(chǎn)生高速偽碼差分信號輸入到頻率源模塊,頻率源模塊產(chǎn)生周期偽碼已調(diào)信號,將已調(diào)信號輸入到數(shù)字相關(guān)器,用高頻示波器測試是否可以周期輸出尖銳的相關(guān)峰驗(yàn)證頻率源模塊性能。

13位巴克碼已調(diào)波形時(shí)域圖如圖11所示。

圖11 13位巴克碼已調(diào)波形時(shí)域圖

偽碼已調(diào)波經(jīng)數(shù)字相關(guān)器相關(guān)處理后產(chǎn)生尖銳的相關(guān)峰,如圖12所示。

圖12 偽碼相關(guān)峰

經(jīng)測試證明小型實(shí)時(shí)可配置高速偽碼調(diào)制頻率源滿足偽碼引信使用需求。

3.2 無人機(jī)掛飛試驗(yàn)驗(yàn)證

小型實(shí)時(shí)可配置高速偽碼調(diào)制頻率源與射頻前端模塊及編碼/控制模塊、信號處理模塊組裝成偽碼引信產(chǎn)品后,進(jìn)行無人機(jī)掛飛試驗(yàn)驗(yàn)證。

試驗(yàn)平臺包括無人機(jī)、高精度差分GPS系統(tǒng)(高度精度≤0.1 m)、遙測發(fā)射系統(tǒng)和鋰電池等。

試驗(yàn)方法為通過網(wǎng)線標(biāo)定差分GPS系統(tǒng),設(shè)定引信在預(yù)訂高度開機(jī)工作,通過地面遙測站可實(shí)時(shí)監(jiān)測到產(chǎn)品的遙測參數(shù),包括差分GPS高度值、產(chǎn)品測高高度值和裝定高度輸出。

傳統(tǒng)的偽碼引信采用固定碼字進(jìn)行調(diào)制,所以存在固定探測盲區(qū),測距性能半實(shí)物仿真結(jié)果如圖13所示。

圖13 傳統(tǒng)偽碼引信測距性能半實(shí)物仿真結(jié)果

半實(shí)物仿真結(jié)果表明,傳統(tǒng)的固定碼測距偽碼引信最近距離大概在45 m左右。

使用小型實(shí)時(shí)可配置高速偽碼調(diào)制頻率源的偽碼引信由于可以根據(jù)不同的距離實(shí)時(shí)改變偽碼序列的碼長,所以可以使用長碼進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測,使用短碼進(jìn)行近距離探測,可以探測到更近的距離,無人機(jī)掛飛結(jié)果如圖14所示。

由圖14可知,引信從預(yù)定高度處開機(jī)工作進(jìn)行連續(xù)測距,最近距離可以探測到15 m左右,測高曲線如圖中所示,與差分GPS輸出高度值相比較,測距精度小于等于1 m。與傳統(tǒng)的固定碼測距偽碼引信相比較,最近距離減小了30 m左右。證明小型實(shí)時(shí)可配置高速偽碼調(diào)制頻率源在不影響遠(yuǎn)距離探測的情況下可有效拓展近距離探測范圍,該頻率源可以應(yīng)用于各種偽碼引信。

4 結(jié)論

本文提出偽碼引信小型實(shí)時(shí)可配置高速偽碼調(diào)制頻率源。該頻率源采用可配置寬帶鎖相環(huán)和高速乘法器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)載頻和碼型可變偽碼調(diào)制功能,配置時(shí)間小于30 μs;采用裸芯和SIP工藝將芯片集成到4 mm×4 mm×1 mm的QFN封裝內(nèi),實(shí)現(xiàn)了小型化設(shè)計(jì)。該頻率源與數(shù)字相關(guān)器配合使用,在引信由遠(yuǎn)及近探測時(shí),依據(jù)探測距離、干擾情況可實(shí)時(shí)改變載波頻率和偽碼長度,可有效提高引信的抗干擾能力,拓展引信近距離探測范圍。對頻率源模塊進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測試驗(yàn)證和無人機(jī)掛飛試驗(yàn)。測試和試驗(yàn)結(jié)果表明,該頻率源能夠有效解決當(dāng)前傳統(tǒng)偽碼調(diào)制頻率源難以實(shí)現(xiàn)小型化、載頻和碼型固定的問題,可有效提高引信的抗干擾和近距離探測能力,引信最近距離可以減小30 m左右,探測精度優(yōu)于1 m。