關(guān)于捷變頻雷達(dá)頻蹤測(cè)試方法的介紹和分享

捷變頻頻蹤是捷變頻雷達(dá)的核心分系統(tǒng)，本文提出了一種專門針對(duì)捷變頻頻蹤測(cè)試的一種新方法，該方法不但實(shí)現(xiàn)了捷變頻頻蹤參數(shù)的自動(dòng)測(cè)量，還解決了捷變頻點(diǎn)駐留時(shí)間、頻率偏差，跳頻頻率集、換頻時(shí)間等以往不容易測(cè)試的項(xiàng)目。是一種高效、創(chuàng)新的、更有信心的測(cè)量方法。

1 引言

同固定頻率工作的雷達(dá)相比較,捷變頻雷達(dá)在探測(cè)性能和抗干擾性能上都有明顯提高。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)電磁環(huán)境變得越來越復(fù)雜，捷變頻技術(shù)被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)和導(dǎo)彈末制導(dǎo)系統(tǒng)中，捷變頻體制所具有的抗干擾能力強(qiáng)、抑制雜波能力強(qiáng)、提高目標(biāo)分辨能力等特點(diǎn)，在雷達(dá)制導(dǎo)中具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

由于捷變頻雷達(dá)的相鄰發(fā)射脈沖的載頻在一個(gè)很大的范圍內(nèi)以很高的速度跳變,因此,要模擬產(chǎn)生捷變頻雷達(dá)的模擬目標(biāo)回波信號(hào)和模擬電子干擾信號(hào)在技術(shù)上有相當(dāng)?shù)碾y度,這也成了制約對(duì)捷變頻雷達(dá)進(jìn)行性能測(cè)試的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)的測(cè)試方法都是使雷達(dá)工作在鎖頻(固定頻率)狀態(tài)下對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。但雷達(dá)導(dǎo)引頭在鎖頻狀態(tài)下的工作性能并不能真實(shí)反映其在捷變頻狀態(tài)下的工作性能,甚至有些技術(shù)性能是無法在鎖頻狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試的。常規(guī)方法在定頻模式下，對(duì)點(diǎn)頻測(cè)試，用頻譜儀和定頻信號(hào)源進(jìn)行測(cè)試。這種方法不能反應(yīng)雷達(dá)在捷變狀態(tài)下的真實(shí)性能，且測(cè)試過程繁雜、周期長(zhǎng)。但是要實(shí)現(xiàn)捷變頻雷達(dá)的動(dòng)態(tài)測(cè)量，就要求測(cè)試設(shè)備具有模擬雷達(dá)頻率捷變狀態(tài)下的測(cè)試功能，因此，要完成完整的捷變頻雷達(dá)測(cè)試需要?jiǎng)討B(tài)、寬帶的信號(hào)分析儀進(jìn)行信號(hào)采集并有專門的軟件進(jìn)行分析。

2 捷變頻頻蹤概述

頻綜（Frequency synthesizer），又叫頻率綜合器、頻率源，是有一個(gè)雷達(dá)“心臟”之稱的分系統(tǒng)。他的主要功能是產(chǎn)生電子系統(tǒng)需要的各種形式的頻率信號(hào)，比如產(chǎn)生單一頻點(diǎn)連續(xù)波、跳頻信號(hào)、步進(jìn)頻率信號(hào)、線性調(diào)頻信號(hào)、非線性調(diào)頻信號(hào)、IQ調(diào)制信號(hào)等各種各樣電子系統(tǒng)所需要的信號(hào)形式。頻綜一般是根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的要求選用一個(gè)高穩(wěn)定的振蕩器，以此振蕩器為基準(zhǔn)通過采用分頻、倍頻、混頻、功率放大等手段產(chǎn)生系統(tǒng)需要的各種頻率信號(hào)，目前采用的技術(shù)主要有PLL、DDS、梳狀譜產(chǎn)生、鎖相介質(zhì)振蕩器、開關(guān)濾波組件、低噪聲放大等。

目前捷變頻頻蹤技術(shù)從其合成方法上基本可以分成三類：一種是模擬直接式（ADS），二是間接式（IS）,它用鎖相環(huán)（PLL）技術(shù)產(chǎn)生各種需要的合成頻率；三是數(shù)字直接合成式(DDS)。三種方法各有特點(diǎn)，技術(shù)方法不同，頻綜的實(shí)現(xiàn)方案和電路結(jié)構(gòu), 以及體積、 成本、 功耗差別很大。 單從跳頻速度分析直接式比間接式具有很大優(yōu)勢(shì)。 另一方面, 如前面所述現(xiàn)代化高性能雷達(dá)系統(tǒng), 對(duì)頻綜各項(xiàng)技術(shù)性能均提出很高要求。例如: 動(dòng)目標(biāo)顯示、 脈沖多普勒雷達(dá), 為提高在強(qiáng)雜波背景下的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)性能, 要求全相參頻綜具有極低的相位噪聲、 雜散和很高的穩(wěn)定性。 捷變頻高性能頻綜技術(shù)是雷達(dá)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一, 在工程應(yīng)用的設(shè)計(jì)和研制中需要考慮各項(xiàng)技術(shù)性能, 對(duì)技術(shù)方法、 實(shí)現(xiàn)方案、 采用電路進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)前能夠產(chǎn)生捷變頻速度最快的方式是采用DDS的方法，可以實(shí)現(xiàn)幾到幾百納秒的時(shí)間切換。本文就以DDS頻蹤為例來闡述捷變頻頻蹤的特點(diǎn)。 DDS是Direct Digital Frequency Synthesis（直接數(shù)字頻率合成器）的簡(jiǎn)稱。通常將DDS視為第三代頻率合成技術(shù)，它突破了前兩種頻率合成法的原理，從“相位”的概念出發(fā)進(jìn)行頻率合成。 隨著高速D/A和微電子技術(shù)的發(fā)展，DDS所能達(dá)到的頻率越來越高，無雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）越來越大。DDS的基本原理如圖1所示。

圖1 DDS基本原理圖

DDS的主要組成部分是累加器、波形存儲(chǔ)器ROM和D/A轉(zhuǎn)換器。累加器和波形存儲(chǔ)器的位數(shù)決定了DDS的最小步進(jìn)和由相位截?cái)嗾`差所引入的雜散，而D/A轉(zhuǎn)換器的性能則是對(duì)SFDR有著非常大的影響。這里我們以ADI公司的捷變頻器件AD9858為例， DDS的輸出頻率f0和時(shí)鐘頻率fc的關(guān)系為：

（1）

其中K為頻率調(diào)諧字（Frequency Tuning Word），N為相位累加器位數(shù)。
AD9858當(dāng)使用1000MHz時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，最小步進(jìn)頻率為：

（2）

由此可見，通過改變K可以方便的實(shí)現(xiàn)輸出頻率的變化，理論上DDS的跳頻是即時(shí)的，跳頻時(shí)間由數(shù)字器件的響應(yīng)幅度決定，目前可以做到幾個(gè)ns。

頻綜的主要技術(shù)指標(biāo)有輸出信號(hào)的功率、輸出信號(hào)的帶寬、輸出信號(hào)的相位噪聲、輸出信號(hào)的雜散電平以及其他一些指標(biāo)，捷變頻頻蹤的跳頻時(shí)間、線性調(diào)頻頻蹤的調(diào)頻線性度等。針對(duì)捷變頻頻蹤而言，關(guān)注的指標(biāo)有如下：

捷變頻信號(hào)的雜散

捷變頻信號(hào)的相位噪聲

捷變頻信號(hào)的頻率切換時(shí)間

捷變頻頻點(diǎn)的頻率穩(wěn)定度

捷變頻頻點(diǎn)的駐留時(shí)間

捷變頻頻率集

捷變頻頻率數(shù)

捷變頻頻點(diǎn)的功率

捷變頻頻點(diǎn)的頻率偏差

對(duì)于頻蹤的研發(fā)和測(cè)試來說，將被測(cè)項(xiàng)目精確、快速、方便的進(jìn)行測(cè)試，是提高系統(tǒng)完成進(jìn)度的重要保障。

3 捷變頻頻蹤自動(dòng)測(cè)試方法

R&S公司的實(shí)時(shí)信號(hào)與頻譜分析儀FSW提供了一種簡(jiǎn)便的捷變頻頻蹤測(cè)試方法。FSW提供了高達(dá)500MHz分析帶寬和67GHz的頻率測(cè)試范圍，K60是基于FSW硬件平臺(tái)的一個(gè)軟件，該軟件是專門針對(duì)捷變頻頻蹤測(cè)試所開發(fā)的,其創(chuàng)新點(diǎn)在于該儀器配合軟件可以自動(dòng)跟蹤捷變頻的頻率變化和相位變化，并自動(dòng)識(shí)別每個(gè)捷變頻點(diǎn)，對(duì)于傳統(tǒng)信號(hào)分析儀來說，是無法自動(dòng)識(shí)別捷變頻的頻率變化的，尤其是當(dāng)信號(hào)頻率不在頻譜儀的中心頻率的時(shí)候，就無法正確分析信號(hào)的時(shí)頻變化了。按照捷變頻信號(hào)的特點(diǎn)，該軟件進(jìn)行了信號(hào)的描述如圖2所示：

圖2 捷變頻信號(hào)圖示及測(cè)試項(xiàng)目

按照?qǐng)D2所示的測(cè)試項(xiàng)目定義，F(xiàn)SW可以自動(dòng)對(duì)捷變頻信號(hào)的這些測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)量。

這里以一個(gè)10個(gè)捷變頻點(diǎn)10萬跳頻速率頻蹤信號(hào)為例，圖3顯示的是捷變頻頻蹤的實(shí)時(shí)頻譜圖，借助FSW的實(shí)時(shí)頻譜功能，可以清楚的觀測(cè)跳頻信號(hào)的跳頻頻率集和那些常規(guī)測(cè)試手段難以發(fā)現(xiàn)的捷變頻頻蹤中的瞬態(tài)雜散和泄露問題。圖3中的下方紅色標(biāo)注的位置，可以看到本鎮(zhèn)泄露信號(hào)，因?yàn)槭谴笮盘?hào)下面的小信號(hào)，所以常規(guī)頻譜儀無法方便的看到。

圖3 FSW顯示捷變頻的實(shí)時(shí)頻譜

經(jīng)過對(duì)信號(hào)的初步觀測(cè)，就可以借助FSW的K60選件進(jìn)行捷變頻指標(biāo)的方便測(cè)試了，圖4是K60選件的測(cè)試起始界面，界面上可以實(shí)現(xiàn)多窗口顯示，按照?qǐng)D上所顯示的，其中包括頻譜圖、頻率對(duì)時(shí)間趨勢(shì)圖、三維頻譜圖、每個(gè)捷變頻點(diǎn)的頻率偏差、測(cè)試項(xiàng)目表。其中測(cè)試項(xiàng)目表是把被測(cè)信號(hào)的所有要測(cè)試的指標(biāo)按照表格的方式進(jìn)行匯總。

圖4 K60 測(cè)試界面

圖4中的每個(gè)窗口都可以獨(dú)立放大，也可以添加其他的測(cè)試窗口。比如對(duì)測(cè)試項(xiàng)目表放大后的圖示如下圖5：

圖5 K60自動(dòng)測(cè)試結(jié)果顯示

圖5中顯示了單次采集測(cè)試的結(jié)果，采集的長(zhǎng)度是2ms, 該儀器支持的內(nèi)存分析達(dá)到1G個(gè)樣點(diǎn)，根據(jù)不同的帶寬和采樣率可以實(shí)現(xiàn)不同的測(cè)試時(shí)長(zhǎng)，如測(cè)試帶寬100MHz的情況下，最長(zhǎng)可以采集3.3s的信號(hào)進(jìn)行分析。從表格中的測(cè)試項(xiàng)目上可以看到該捷變頻頻蹤的一些特性，測(cè)試結(jié)果如下：

跳頻點(diǎn)狀態(tài)（state Index）:一共10個(gè)隨機(jī)頻點(diǎn)。

每個(gè)跳頻點(diǎn)的時(shí)間（Hop Begin）:每個(gè)跳頻點(diǎn)的起始時(shí)間，第一個(gè)點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果為17.16us

駐留時(shí)間（Dwell Time）:每個(gè)跳頻點(diǎn)的駐留時(shí)間，測(cè)試結(jié)果為99.728us。

頻率切換時(shí)間（Switching Time）:從一個(gè)頻率到另外一個(gè)頻率的切換時(shí)間，如頻率1切換到頻率4的時(shí)間是232ns。

平均頻率（Avg Frequency）:每個(gè)捷變頻點(diǎn)和載頻偏差精確頻率。如第一個(gè)點(diǎn)的頻率和載頻的頻率偏差36MHz。

狀態(tài)偏差（Hop state Deviation）:每個(gè)捷變頻點(diǎn)和理想捷變頻頻率的偏差。如第一個(gè)點(diǎn)的測(cè)試值是93Hz。

頻率偏差最大值（Frequency Deviation Peak）:每個(gè)捷變頻點(diǎn)在該點(diǎn)頻率的穩(wěn)定度偏差的最大值。如第一個(gè)捷變頻點(diǎn)的偏差是273.418KHz。

頻率偏差有效值（Frequency Deviation RMS）: 每個(gè)捷變頻點(diǎn)在該點(diǎn)頻率的穩(wěn)定度偏差的最大值。如第一個(gè)捷變頻點(diǎn)的偏差是10.188KHz。

頻率偏差平均值（Frequency Deviation Avg）: 每個(gè)捷變頻點(diǎn)在該點(diǎn)頻率的穩(wěn)定度偏差的最大值。如第一個(gè)捷變頻點(diǎn)的偏差是41Hz。

平均功率（Average Power）:每個(gè)捷變頻點(diǎn)的功率值。第一個(gè)點(diǎn)的功率為-1.181dBm。

可以看出，通過K60選件對(duì)捷變頻信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，不但精度高，而且可以大大提高測(cè)試效率。

4 結(jié)束語

以往對(duì)捷變頻頻蹤測(cè)試沒有一種便捷有效的方法，采用定頻方式去測(cè)量，不但無法真正模擬真實(shí)條件下的測(cè)試狀況，而且也給頻蹤的質(zhì)量帶來了性能的隱憂。借助R&S公司的FSW實(shí)時(shí)信號(hào)與頻譜分析儀的跳頻捷變頻測(cè)試套件K60，實(shí)現(xiàn)了對(duì)捷變頻頻蹤各個(gè)測(cè)試項(xiàng)目的全面的便捷性的測(cè)試方法，其具有創(chuàng)新的算法保證能夠自動(dòng)識(shí)別頻率捷變，這大大提高了對(duì)捷變頻頻蹤性能指標(biāo)的信心，也大大提高了研發(fā)過程的工作效率。