一种基于数字频率合成的多普勒频移模拟器

一种基于数字频率合成的多普勒频移模拟器

1种数字频率合成的多普勒频移模拟多普勒效应是指当发射源和接收器之间存在相对方向运动时，接收到的信号频率会发生变化，称为多普勒频率转换值。多普勒导航雷达正是利用这一特性进行自身速度的测试的导航雷达。目前国内外常见的多普勒导航雷达一般工作在Ku波段,通过测试四个不同方向的波束分时工作得到不同的多普勒频移值,进而解算出自身三轴向速度。在雷达性能测试时,需要根据给定速度值,产生相应的多普勒频移,并将其调制到雷达发射信号上反馈给雷达,雷达接收到信号后进行解调,最后测量出多普勒频移值,并根据频移值计算出速度。本文介绍一种基于直接数字频率合成(DDS)的多普勒频移模拟器,可以实现对多普勒测速雷达性能进行测试,实现飞行模拟。DDS作为新一代频率合成技术,具备输出频率分辨率高、频率切换速度快,相位变化连续以及数字化可控等优点。2模拟器的功能要求2.1波束指向的影响根据多普勒效应,不同波束指向,多普勒频移值不同,其与雷达俯仰角、滚动角及波束指向角相关,且雷达前向波束对应频差为正值,后向波束对应频差为负。模拟器应根据不同波束指向,输出不同频率值,且其频移精度直接影响雷达测速精度。根据雷达的工作状态,要求模拟器根据频率为f1的输入信号,产生频率为f1±fD的输出信号,其中0≤fD≤+20kHz,fD频率精度≤1Hz。2.2产生具有可控输出信号的功率控制根据雷达工作动态范围,模拟器具备1dB衰减步进、90dB衰减动态功率控制功能。3模拟器的组成和工作原则3.1飞行状态检测及误差控制模拟器由软件控制及硬件平台构成,其中软件基于VB语言,读取给定的三轴向速度及被测雷达波束指向角相关信息,计算出四波束对应多普勒频移值。将该频率值以串口的形式发送至本振源,控制DDS输出频率。同时接收雷达回馈信息、检测雷达跟踪状态及输出的速度信息,并与给定的速度信息进行比较,计算测速精度。根据给定飞行姿态计算出对应波束回波功率,并以此控制模拟器输出功率,检测雷达跟踪状态。硬件主要由PIN开关,上下变频器,本振源、延迟线、数控衰减器及工控机组成,如图1所示,喇叭天线接收到待测雷达信号,经四波束PIN开关将分时工作的四通道信号合一,单刀双掷开关将收发分离。接收到的雷达信号进入下变频器,经两次变频后产生中频进行延迟处理,模拟回波返回时间。延迟后中频信号经两次上变频后放大输出,经数控衰减器(控制回波能量)进入四波束开关,经天线进入被测雷达接收机。方案采用混频的方式,使得接收到的脉冲信号产生频偏,频移值为多普勒频移值。由于被测雷达与模拟器本振源的非相干性,二者频率漂移量不可控,采用图1所示漂移对效法,上下变频中应用同一本振信号,能有效抵消因模拟器本振源的不稳定性而引入的频率误差,保证输出频移的精度。同时,在第二本振中加入多普勒频偏,二者在在上下变频中,第二本振误差抵消的同时将其频差带入雷达发射信号中。3.2dds特性参数模拟器的功能在于模拟雷达飞行中因多普勒效应而产生的频率偏移,核心问题在于如何消除系统误差,确保产生多普勒频移的精度。因此变频的实现方案对此至关重要。本文采用图2所示的方案确保输出频移的精确度。频率为f0基准晶振经M次倍频滤波后,产生频率为Mf0的信号,放大功分后,作为上下变频的第一本振信号。f0基准晶振经N次倍频滤波后,产生频率为Nf0的信号,作为下变频第二本振信号。基准晶振进行P次倍频后,作为DDS的参考基准信号,通过DDS频率控制码,使DDS输出频率为Nf0±fD,经低通滤波后,作为上变频的本振信号。整个系统应用一个基准晶振,保证其相干性,经过上下变频的对消,输出频率为f1±fD,DDS输出频率的精度决定了频移的精度。DDS与其他频率合成技术相比较具有不可比拟的优点:(1)频率分辨率高。现有工艺水平可以达到(μHz级);(2)频率转换速率快。DDS的频率转换速率是频率控制字的传输时间和以低通滤波器为主的器件频率响应时间之和,其转换时间可达μs甚至ns级;(3)输出相位连续。通过DDS可以有效的控制模拟器频移值,并使其连续可变。4模拟测试功能通过本方案实现的多普勒雷达模拟器,与雷达对接后,实现了雷达的模拟测试功能,跟踪误差小于10Hz,测速精度远大于雷达性能要求。且跟踪速度连续可变,通过控制数控衰减器,有效实现雷达锁定和丢失功能,满足雷达灵敏度测试要求。5数字频率合成器本文阐述了多普勒频移模拟器的设计方案,通过上下变频中本振频率的差异使得Ku波段的接收信号产生频偏,实现多普勒效应的模拟。该频