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捷变频信号发生器
阅读:426时间:2018-05-29 10:08:16

信号发生器从某一输出频率转换到另一输出频率的时间称为频率切换时间,捷变频信号发生器可以进行快速频率切换,主要应用于捷变频雷达、跳频通信等电子对抗领域。

基本概念

捷变频信号发生器的频率转换时间目前并无严格规定,一般认为频率转换时间小于1ms。随着电子对抗技术的发展,对频率转换速度要求越来越高,对捷变频信号发生器的定义也越来越严格,频率切换时间一般为几十微秒,最快达到几十纳秒。

工作原理

  主要实现方法
  捷变合成信号发生器的技术方法主要有三种:直接模拟频率合成、间接频率合成、直接数字频率合成法。
  早期的捷变合成信号发生器多采用直接模拟频率合成法,这种技术使用可大量的高稳晶体振荡器,通过混频、倍频、分频、带通滤波等方法,获得所需的最终频率。其显着特点是频率切换速度快、相位噪声低、输出频率高、工作可靠,是比较理想的模拟捷变合成信号发生器,在解决了相位相关性后,估计在电磁环境模拟器中会得到更加广泛的应用。但需要大量的晶体振荡器、混频器、倍频器、分频器和窄带滤波器,造成设备体积庞大、造价高、难以集成,而且杂散信号难以滤除。现在的捷变合成信号发生器已很少采用。
  间接频率合成法也叫锁相环路法,在采用数字分频器后,特别是采用小数分频及相位抖动消除技术后,制作技术产生了质的飞跃,由于容易实现程控分频,只需很少滤波器,体积小,功耗低,因此得到了广泛的应用。锁相环路由于受到参考频率和环路带宽的限制,在频率分辨力、频率转换时间和频谱纯度等指标之间不能兼顾。当需要兼顾时,会引起环路的增加,结果增加了电路复杂程度、体积和仪器成本。[1]
  随着现代电子、微电子技术的发展,直接数字频率合成法采用全数字技术,从相位的观点进行频率合成,它的主要优点是:频率分辨力高,可以做到毫赫,即零点零零几赫;频率转换速度快,一般可做到20ns;相位噪声低;容易实现各种高性能的数字调制。其主要缺点是:杂散输出较大;最高输出频率较低,约为时钟频率的40%。
  随着电子对抗技术的不断发展,跳频电台及技侦设备要求合成信号发生器的转换速度快、跳频范围宽、频率步进间隔小、频谱纯度好,而且要求提高输出频率。综合间接频率合成(即锁相环路)和直接数字频率合成的优势,采用DDS与PLL相结合的方法,可满足设备对合成信号发生器的要求。
  采用的新技术
  1、利用单环宽带锁相环路技术的捷变频信号发生器
  在频率分辨力、频率转换时间和频谱纯度等指标之间是不能兼顾的,需要采用多环结构或小数分频频率合成技术,而小数分频技术带来了很大的寄生调频和相位噪声,需要减小环路带宽和进行相位误差补偿,而这些和快速频率转换都是相冲突的。所以,快速频率转换和微小频率间隔在单环路频率合成器中是很难实现的。近年来,随着异质结双极晶体管、宽带移相器、宽带压控振荡器技术的发展,使得设计制造具有微小频率间隔宽带快速跳射频/微波频率合成器成为可能。
  近年来,通过采用砷化镓异质结双极晶体管先进工艺制作技术,使得分频器工作到了微波频段。例如,惠普公司能够提供高达12GHz甚至18GHz的固定分频器,并可采用廉价的SSOP-8表面封装。RockwellCollins公司制作的程控分频器最高输入频率可达5GHz,且输出的剩余噪声在10kHz频偏时可达-150dBc/Hz以下。微波宽带VCO和宽带的固定、程控分频器使单环路微波频率合成器的制作成为可能。而快速跳频能力或快速频率转换主要取决于环路带宽,这里采用高频率参考,拓宽了环路带宽,保证了快速频率转换。
  2、利用宽带锁频环路技术的捷变频信号发生器
  这里介绍一种高性能的捷变频信号发生器,利用锁相环路和锁频环路相结合的特点,实现快速而精确的跳频输出。单环路小数分频锁相环路实现高分辨力的频率合成,延迟线鉴频器锁频环路利用调频信号误差稳定VCO输出频率,降低调频噪声。锁频环路固有的几兆赫的环路带宽,减少了频率转换时间,被用做快速频率切换或跳频信号输出。
  锁相环路输出合成射频信号为锁频环路的校准提供了稳定的输出频率,锁频环路最终锁定于锁相环路输出频率上。此时,锁频环路的调谐电压被测量,并经过A/D转换后,将转换数据存储于快速跳频RAM中,称为跳频的学习校准。在学习校准过程中,在跳频序列中的每一个频率设置电压都被测量并存储于不同的存储器地址单元中。这些设置参数包括VCO预调电压、锁相环路增益补偿、锁频环路增益补偿。通过环路增益补偿,消除各种因素引起的频率灵敏度的变化,使环路在整个频率范围内达到充分一致的环路增益。跳频时通过调用快速跳频RAM中的存储数据,并经D/A转换后,调谐锁频环路,使VCO输出频率与原始的合成信号频率的误差处于微小的可接受范围内。
  产生跳频输出的有效途径为:首先通过前面板或后面板输入接口,设置所需的跳频信道和跳频序列,锁频环路通过学习校准,存储每个频率点的设置参数。当接到跳频触发命令时,关断锁相环路,只接入锁频环路。这些设置参数重新输入到锁频环路,调谐锁频环路产生期望的跳频输出。所以,跳频输出信号不是相关的合成信号,但是频率稳定的输出信号。在频率转换时间和频谱纯度指标处于同等数量级的频率合成器中,利用延迟线鉴频器锁频环路可以大大降低成本和复杂度。
  3、跳频输出时的幅度控制技术
  频率转换时间主要由环路带宽决定,实际上也直接受幅度开关时间的控制,一般频率转换完成的幅度要求定义为在新频率点上输出幅度上升到设置值的90%时。幅度开关时间不能直接控制,但通过稳幅环路带宽的控制能影响幅度开关时间。跳频时,稳幅环路可以处于开环或闭环工作状态。闭环工作时,幅度开关时间较长,但具有较好的频谱泼散,较高的输出幅度精度,较好的调幅线性。开环工作时,输出幅度特性刚好相反。跳频时,输出幅度范围由快变衰减器的工作范围决定,通常幅度开关时间是输出幅度范围的函数,输出幅度范围变化越大,开关时间越长,随着幅度衰减量的增加,输出幅度精度将降低。
  在跳频间隔,输出幅度关闭,如同脉冲调制。由于输出幅度的瞬变,载波的能量按(sinx)/x波形包络分布。在脉冲调制时,对此并不关心。当跳频时,由于泼散的频谱会落入邻信道,从而引起邻信道通信的中断。为了避免上述问题,跳频时输出幅度关闭,同时严格控制幅度瞬变的形状,自动减小幅度突变。
  当输出幅度关闭时,内置定时装置控制稳幅环路使输出以一定度率步进衰减,经过几微秒后,输出幅度衰减了几十分贝,这时脉冲调制器开始工作,输出幅度继续衰减几十分贝。当输出幅度打开时,定时控制正好相反,脉冲调制器首先打开,然后控制稳幅环路逐渐返回原值,这种渐变大大减小了频谱泼散。如果稳幅环路开环工作,这时只有脉冲调制器起作用,频谱泼散将增加,而跳频速率也稍许增快。

技术指标

  捷变合成信号发生器除具有静止条件下的常规技术指标(包括频率、频谱纯度、输出特性和调制特性)外,还规定了快速变化条件下的技术指标,包括捷变频状态下的频率特性、输出特性、调制特性以及快速跳频控制特性。
  捷变频状态下的频率特性包括频率跳变范围、频率转换时间、跳频频率准确度、跳频频谱纯度等指标。
  捷变频状态下的输出特性包括跳频幅度输出范围、跳频幅度准确度、跳频幅度开关时间等。
  一般捷变合成信号发生器在快速频率跳变时仍具有一定的调制能力,包括具有内外AM、内外FM和同时AM/FM的能力,有些还具有数字调制能力。满足跳频状态下对复杂射频信号的仿真,这些对跳频电台、侦察接收机和现代新体制雷达的性能测试是非常必要的。
  快速跳频控制特性主要包括最大信道数、最大序列数、跳频速率、驻留时间、跳频的定时控制和同步等。

典型应用

  一般的捷变合成信号发生器可满足静止和捷变两种测试能力的需求,且具有复杂调制功能,可以模拟跳频状态下的复杂射频信号。除了满足常规的器件、参数测试外,还广泛应用于跳频电台、侦察接收机、新体制雷达、卫星、地面和移动通信系统。
  一个性能良好的捷变合成信号发生器充当复杂信号的激励源,可以满足接收机几乎所有的测试要求,测试指标包括选择性、灵敏度、交调和失真等。快速的频率转换和信号模拟可降低测试成本,节约测试时间。某些高纯信号发生器还可作为相位噪声测试参考源和通信系统、雷达系统的本振源。
  目前各种不同性能的通信对抗和雷达对抗系统陆续使用,具有跳频技术特点的战术无线通信系统,空空、地空通信系统,无线接力通信系统及其侦察设备的性能测试,和具有频率捷变技术特点的雷达探测系统及其侦察设备的性能测试,都离不开捷变合成信号发生器。
  跳频码序列发生器输出一组伪随机码组成的跳频图案,控制捷变频率合成器伪随机跳频,接收端跳频控制器接收同步信息,产生同步信号,使收/发同步。接收端必须事先知道伪随机码,才能正确解调接收信号。近年来,国外发展的一种新型条扩频通信系统,其跳频带宽在1.5MHz以上,跳频速率高达5000跳/s,结合信号波形特点和数据传输方式,可在多径衰落严重的天波信道上,提供可靠的19200bit/s的通信能力。

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