CN110995260A - 基于线性调频信号的频偏误差控制系统 - Google Patents

基于线性调频信号的频偏误差控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于线性调频信号的频偏误差控制系统，主要解决现有线性调频信号的调制频偏随环境温度和调制电压波动而变化，导致线性调频连续波信号调制频偏误差增大的问题。其包括综源模块、斜坡发生器环路模块，高混频模块及发射通道，频综源模块输出高频率稳定度的点频信号，通过功分器分成两路输出，一路经分频后与斜坡发生器环路模块输出的低频线性调频信号进行混频，产生高频线性调频信号输入到高混频模块中，另一路在高混频模块中与高频线性调频信号进行混频，产生更高频线性调频信号，通过发射通道传输至天线发射端口。本发明能减小线性调频信号的调制频偏误差，提高发射信号的频率稳定度，可用于雷达线性调频连续波体制的距离测量。

Description

基于线性调频信号的频偏误差控制系统
技术领域
本发明属于测距技术领域，尤其涉及一种线性调频信号频偏误差控制系统，可用于雷达线性调频连续波体制的距离测量，提高雷达的测距精度。
背景技术
线性调频连续波雷达，其调制波形为锯齿波，锯齿波信号周期为T，调频带宽为B，锯齿波信号调控雷达的压控振荡器产生线性调频连续波发射出去，该发射信号经目标反射产生一定时间延迟后的回波信号由雷达接收，雷达将该回波信号与发射信号的复制品进行混频，随后依次进行滤波、相干检波和采样，最后采用一组窄带滤波器用FFT方法进行频谱分析，提取出频率信息即差频fb，再根据光速c、锯齿波信号周期T、差频fb、调频带宽B这四者与目标距离R的关系：R＝(c×T×fb)÷(2×B)，计算得到目标距离，得到测距误差△R/R＝△fb/fb+△T/T-△B/B。式中，fb的误差与FFT的处理点数有关，若点数越大则频率分辨率越高，可把fb的误差控制在0.1％以内；采用高稳定度晶振以及高速数字时钟计数，则T的量化误差很小，可把T的误差控制在0.1％以内；B的误差与压控振荡器的稳定度有关，压控振荡器频率的波动造成了调制频偏误差，当雷达的工作频率不高于C波段时，B的误差可控制在1％以内。根据以上公式得知，B的误差是制约雷达测距精度提高的首要因素。
当对压控振荡器采用现有的模拟调制方式时，如图1所示，即采用幅度从低到高线性变化的锯齿波电压来调制压控振荡器的输出频率，会产生一定带宽的线性调频连续波信号；当压控振荡器调谐端受到电源纹波影响时，会造成输入的锯齿波电压线性度变差，或者因环境温度的变化致使压控振荡器的频率产生随机波动。由于频率越高则压控振荡器的频率稳定度越容易受影响，当雷达的工作频率高于C波段时，在全温度范围中B的误差大于1％，降低了雷达的测距精度。
当对压控振荡器采用现有的数字调制方式时，把模拟的锯齿波电压变成数字量电压，用数字锁相环来控制压控振荡器的输出频率，数字锁相环的频率递增歩阶受数字量电压控制，频率歩阶与采样步长互为一定的线性关系。当在近距时，因为锯齿波信号周期时间短，所以数字量的采样点数少，在快速傅立叶变换FFT进行频谱分析时，由于频率步阶大且点数少，提取出的频率信息不准确，导致近距的测距精度不能满足使用要求。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种线性调频信号的频偏误差控制系统，以实现对线性调频信号调制频偏的精密控制，提高线性调频信号的频率稳定度，从而提高雷达的测距精度。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种线性调频信号的频偏误差控制的系统，包括：发射通道、接收通道和调频源，其特征在于：还包括频综源模块、高混频模块、倍频器、低混频器、分频器、两个功分器和三个滤波器，且调频源采用谐波发生器环路模块；
该频综源模块，用于产生点频信号，并分成两路输出，一路通过第一功分器、第一滤波器和倍频器倍频后输入到高混频模块，另一路通过第一功分器、第一分频器后再通过第二功分器功分成两路输出，第一路输出通过第二滤波器滤波后进入低混频器，第二路输出给斜坡发生器环路模块作为其参考时钟；
该斜坡发生器环路模块，在参考时钟的驱动和外部锯齿波数字信号控制下产生频率为93MHz～257MHz的低频线性调频信号进入低混频器；
该低混频器对第二滤波器滤波后的点频信号和斜坡发生器环路模块输出的低频线性调频信号进行混频，产生频率为818MHz～982MHz的高频线性调频信号，通过第三滤波器滤波后输入给高混频模块；
该高混频模块将输入的高频率线性调频信号与倍频器倍频后的点频信号进行混频，产生频率为24018MHz～24182MHz的更高频线性调频信号，并输入给发射通道。
进一步，所述频综源模块,包括：晶振、第二分频器和依次连接的鉴相器、第四滤波器、压控振荡器、第三功分器；晶振的输出端与鉴相器的第二输入端连接，鉴相器的输出端经过第四滤波器与压控振荡器的输入端连接，压控振荡器的输出端通过第三功分器分成两路输出，第一路输出进入第一功分器的输入端，第二路输出通过第二分频器反馈给鉴相器第二输入端，形成锁相环路；当第二分频器输出信号与晶振输出信号相位差恒定后，则鉴相器会输出恒定值不变的直流电压信号，使压控振荡器输出频率锁定在11600MHz的点频上，通过第三功分器第一输出端输入到第一功分器输入端。
进一步，所述斜坡发生器环路模块，包括：数字斜坡发生装置、第五滤波器、第六滤波器；第五滤波器对第二功分器输入的点频信号滤波后传输给数字斜坡发生器作为其参考时钟，该斜坡发生装置在参考时钟的驱动和外部锯齿波数字信号的控制下产生93MHz～257MHz低频数字线性调频信号，该数字线性调频信号经过第六滤波器滤波后再进入低混频器输入端。
进一步，所述高变频模块，包括：第七滤波器、第一放大器、第八滤波器和高混频器；第七滤波器对倍频器J输出的信号进行过滤波后进入高混频器；第一放大器对第三滤波器输出的信号进行功率放大后，再通过第八滤波器滤波后进入高混频器；高混频器对进入的这两路信号进行混频，产生24018MHz～24182MHz的更高频线性调频信号，并将其传输到发射通道中。
进一步，所述发射通道包括：第九滤波器、第二放大器、第十滤波器和耦合器；高混频模块输出的更高频线性调频信号依次通过第九滤波器、第二放大器、第十滤波器和耦合器后传输到天线发射端口发射，接收通道进行接收。
与现有技术比较，本发明具有以下优点：
1、本发明使用高频率稳定度、低相位噪声的晶振作为参考源，通过锁相环路技术使频综源模块产生11600MHz的稳定点频信号，可在环境温度下提高频率稳定度，降低相位噪声。
2、本发明采用数字式斜坡发生技术，用725MHz点频信号作为参考时钟，可加快扫频速度、减小频率递增歩阶、缩减采样步长、增加采样点数、提高频率稳定度和线性度，输出93MHz～257MHz低频线性调频信号，同时通过参考时钟信号与数字斜坡输出信号进行混频产生818MHz～982MHz高频线性调频信号，提高了信号的输出频率。
3、本发明将点频信号与线性调频信号进行混频，产生更高频率的24018MHz～24182MHz线性调频信号，不仅可在环境温度下进一步降低相位噪声、提高频率的稳定度和线性度，而且可更一步提高信号的输出频率。
附图说明
图1为现有产生线性调频信号的结构框图；
图2为本发明的结构框图；
图3为本发明中频综源模块的结构框图；
图4为本发明中斜坡发生器环路模块的结构框图；
图5为本发明中高混频模块的结构框图；
图6为本发明中发射通道的结构框图；
图7为本发明的整体结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施进行详细描述。
参照图2，本发明实例包括频综源模块1、谐波发生器环路模块2、高混频模块3、发射通道4、接收通道5、倍频器J、低混频器F1、分频器D1、两个功分器H1、H2和三个滤波器B1、B2、B3。频综源模块1的输出与第一功分器H1的输入端连接，第一功分器H1的第一输端出依次通过第一滤波器B1、倍频器J与高混频模块3的输入端连接，第一功分器H1的第二输出端通过第一分频器D1与第二功分器H2的输入端连接；第二功分器H2的第一输出端通过第二滤波器B2与低混频器F1的输入端连接，第二功分器H2的第二输出端与斜坡发生器环路模块2的输入端连接；斜坡发生器环路模块2的输出端与低混频器F1的输入端连接，低混频器F1的输出端通过第三滤波器B3与高混频器模块3的输入端连接；高混频模块3的输出端通过发射通道4与天线发射端口连接。接收通道5与发射通道4连接。
参照图3，所述频综源模块1，其包括晶振E、第二分频器D2、鉴相器A、第四滤波器B4、压控振荡器C和第三功分器H3；晶振E的输出端与鉴相器A的第二输入端连接，鉴相器A的输出端经过第四滤波器B4与压控振荡器C的输入端连接，压控振荡器C的输出端通过第三功分器H3分成两路输出，第一路输出进入第一功分器H1的输入端，第二路输出通过第二分频器D2反馈给鉴相器A第一输入端，形成锁相环路。
参照图4，所述斜坡发生器环路模块2，其包括数字斜坡发生装置L、两个滤波器B5、B6；第二功分器H2的第二输出端通过第五滤波器B5与数字斜坡发生装置L的输入端连接，数字斜坡发生装置L的输出端通过第六滤波器B6与低混频器F1的输入端连接；该数字斜坡发生装置L设有控制寄存器L1、频率综合器L2和D/A转换器L3，控制寄存器L1的输入端通过串口与外部锯齿波数字信号连接，该外部锯齿波数字信号，包括锯齿周期SPI_CLK、锯齿波幅值SPI_DATA和锯齿波使能控制SPI_LE这三种信号，控制寄存器L1的输出端依次与频率综合器L2、D/A转换器L3连接，第五滤波器B5的输出端与D/A转换器L3的输入端连接。
参照图5，所述高混频模块3，其包括第一放大器G1、第七滤波器B7、第八滤波器B8和高混频器F2；第七滤波器B7的输入端与倍频器J的输出端连接，第七滤波器B7的输出端与高混频器F2的输入端连接；第一放大器G1的输入端与第三滤波器B3的输出端连接，第一放大器G1的输出端与第八滤波器B8的输入端连接，第八滤波器B8的输出端与高混频器F2的输入端连接，高混频器F2的输出端与发射通道的输入端连接。
参照图6，所述发射通道4，其包括滤波器B9、放大器G2、滤波器B10和耦合器K；第九滤波器B9输入端与高混频模块的输出端连接，第九滤波器B9输出端依次与第二放大器G2、第十滤波器B10和耦合器K连接，耦合器K的输出端与天线发射端口连接。
以上结构框图每一个模块及通道中的器件均可使用现有的器件或现有已搭建好的成熟电路来实现。
参照图7，本发明的工作原理如下：
压控振荡器C调谐输入端加入不同电压，则输出不同频率，初始时压控振荡器C输入V1电压，则输出频率为f1，压控振荡器C的输出信号通过第三功分器H3分成两路输出，第一路输出进入第一功分器H1输入端，第二路输出信号通过第二分频器D2进行频率分频，分频系数为N1＝116，分频后的信号与晶振E输出的100MHz信号同时进入鉴相器A的输入端，鉴相器A对这两路信号进行相位差检测，输出与相位差相关联的直流电压信号，该直流电压信号经过第四滤波器B4滤波后再进入压控振荡器C的输入端，以对压控振荡器C输出信号的频率实施控制，再通过第三功分器H3、第二分频器D2把压控振荡器C输出信号的频率、相位反馈到鉴相器A，形成锁相环路。当第二分频器D2输出100MHz信号与晶振E输出100MHz信号相位差恒定后，则鉴相器A会输出恒定值不变的直流电压信号，使压控振荡器C输出频率锁定在116×100MHz＝11600MHz的点频上，因晶振E输出100MHz为高频率稳定度、低相位噪声的点频信号，则通过锁相环路使压控振荡器C输出也为高频率稳定度、低相位噪声的点频信号。压控振荡器C输出的点频信号通过第一功分器H1分成两路输出，第一路通过第一滤波器B1滤波后进入倍频器J中，倍频器J将输入的11600MHz点频信号进行频率翻倍输出得到2×11600MHz＝23200MHz点频信号，再经过第七滤波器B7滤波后进入高混频器F2的输入端；第一功分器H1的第二路输出信号经过第一分频器D1进行频率分频，分频系数为N2＝16，分频后的11600MHz/16＝725MHz点频信号经过第二功分器H2分成两路输出，其中一路输出经过第二滤波器B2滤波后进入低混频器F1的输入端，另一路输出经过第五滤波器B5滤波后作为参考时钟信号进入数字斜坡发生装置L的输入端。该数字斜坡发生装置L，在参考时钟的驱动和外部锯齿波数字信号控制下产生频率为93MHz～257MHz的低频线性调频信号并进入低混频器F1的输入端，该低频线性调频信号最小步进频率为：参考时钟频率/232＝0.2Hz，最小步进时间为：4/参考时钟频率＝5ns。低混频器F1将输入的725MHz点频信号与93MHz～257MHz的低频线性调频信号进行混频，输出频率为818MHz～982MHz的高频线性调频信号，提高了信号的输出频率。该高频线性调频信号依次经过第一放大器G1功率放大、第八滤波器B8滤波后进入高混频器F2的输入端，高混频器F2将输入的23200MHz点频信号与818MHz～982MHz的高频线性调频信号进行混频，输出24018MHz～24182MHz的更高频线性调频信号进入发射通道。该更高频线性调频信号在发射通道依次通过第九滤波器B9滤波、第二放大器G2功率放大、第十滤波器B10滤波后，经耦合器K传输至天线发射端口发射出去。发射出去的更高频线性调频信号经目标反射形成回波信号进入接收通道5，此时发射通道4通过耦合器K耦合过来的发射信号与回波信号混频产生恒定差频信号fb，根据此时的锯齿波数字信号参数信息即可解算出目标离系统的精确距离。目标离系统的距离误差受系统发射的线性调频信号频偏误差的影响，具体分析如下：
当外部输入系统锯齿波电压为V时，系统输出的频率为f(V)，当外部输入系统的锯齿波起始电压为V1、终止电压为V2、周期为T时，则系统输出频率为f(V1)～f(V2)的线性调频信号，f(V1)和f(V2)为系统输出的调制频偏，调频带宽B＝f(V2)-f(V1)，其光速c、锯齿波信号周期T、差频fb、调频带宽B这四者与目标距离R的关系为：
R＝(c×T×fb)÷(2×B)
现有技术中为使用压控振荡器来产生f(V1)～f(V2)频率的线性调频信号，压控振荡器输出为开环，输出频率受环境温度影响大，f(V1)和f(V2)在环境温度下会发生温度漂移，输出频率越高温漂越严重，同时调频带宽B也会受环境温度影响带来误差，输出频率越高误差越大，会造成测距精度误差大。
本发明基于线性调频信号的频偏误差控制系统采用锁相环路技术将压控振荡器输出频率锁定在11600MHz点频上，且由于采用高频率稳定度、低相位噪声的晶振作为参考源，则输出的11600MHz点频也为高频率稳定度、低相位噪声。再通过数字斜坡发生技术产生93MHz～257MHz低频线性调频信号，该低频线性调频信号基于锯齿波数字信号控制，在参考时钟信号驱动下经由D/A转换器产生，具有高频率稳定度特性。低频线性调频信号与参考时钟信号混频产生818MHz～982MHz高频线性调频信号，系统将11600MHz点频倍频后与高频线性调频信号通过混频产生24018MHz～24182MHz更高频线性调频信号，其频偏误差的计算如下：
f(V1)＝24018MHz，f(V2)＝24182MHz；
B＝f(V2)-f(V1)＝24182MHz-24018MHz＝164MHz
由于f(V1)、f(V2)在环境温度下频率稳定度高，即在环境温度下f(V1)的频偏误差△f(V1)和f(V2)的频偏误差△f(V2)都很小，则调频带宽B在环境温度下的变化量△B小，根据测距误差公式：△R/R＝△fb/fb+△T/T-△B/B可知，在环境温度下△B越小使得测距误差越小，可提高系统的测距精度。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种线性调频信号的频偏误差控制的系统，包括：发射通道(4)、接收通道(5)和调频源，其特征在于：还包括频综源模块(1)、高混频模块(3)、倍频器(J)、低混频器(F1)、分频器(D1)、两个功分器(H1、H2)和三个滤波器(B1，B2，B3)，且调频源采用谐波发生器环路模块(2)；
该频综源模块(1)，用于产生点频信号，并分成两路输出，一路通过第一功分器(H1)、第一滤波器(B1)和倍频器(J)倍频后输入到高混频模块(3)，另一路通过第一功分器(H1)、第一分频器(D1)后再通过第二功分器(H2)功分成两路输出，第一路输出通过第二滤波器(B2)滤波后进入低混频器(F1)，第二路输出给斜坡发生器环路模块(2)作为其参考时钟；
该斜坡发生器环路模块(2)，在参考时钟的驱动和外部锯齿波数字信号控制下产生频率为93MHz～257MHz的低频线性调频信号进入低混频器(F1)；
该低混频器(F1)对第二滤波器(B2)滤波后的点频信号和斜坡发生器环路模块(2)输出的低频线性调频信号进行混频，产生频率为818MHz～982MHz的高频线性调频信号，通过第三滤波器(B3)滤波后输入给高混频模块(3)；
该高混频模块(3)将输入的高频率线性调频信号与倍频器J倍频后的点频信号进行混频，产生频率为24018MHz～24182MHz的更高频线性调频信号，并输入给发射通道(4)。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述频综源模块(1),包括：晶振(E)、第二分频器(D2)和依次连接的鉴相器(A)、第四滤波器(B4)、压控振荡器(C)、第三功分器(H3)；晶振(E)的输出端与鉴相器(A)的第二输入端连接，鉴相器(A)的输出端经过第四滤波器(B4)与压控振荡器(C)的输入端连接，压控振荡器(C)的输出端通过第三功分器(H3)分成两路输出，第一路输出进入第一功分器(H1)的输入端，第二路输出通过第二分频器(D2)反馈给鉴相器(A)第二输入端，形成锁相环路；当第二分频器(D2)输出信号与晶振(E)输出信号相位差恒定后，则鉴相器(A)会输出恒定值不变的直流电压信号，使压控振荡器(C)输出频率锁定在11600MHz的点频上，通过第三功分器(H3)第一输出端输入到第一功分器(H1)输入端。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述斜坡发生器环路模块(2)，包括：数字斜坡发生装置(L)、第五滤波器(B5)、第六滤波器(B6)；第五滤波器(B5)对第二功分器(H2)输入的点频信号滤波后传输给数字斜坡发生器(L)作为其参考时钟，该斜坡发生装置(L)在参考时钟的驱动和外部锯齿波数字信号的控制下产生93MHz～257MHz低频数字线性调频信号，该数字线性调频信号经过第六滤波器(B6)滤波后再进入低混频器(F1)输入端。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述高变频模块(3)，包括：第七滤波器(B7)、第一放大器(G1)、第八滤波器(B8)和高混频器(F2)；第七滤波器(B7)对倍频器J输出的信号进行过滤波后进入高混频器(F2)；第一放大器(G1)对第三滤波器(B3)输出的信号进行功率放大后，再通过第八滤波器(B8)滤波后进入高混频器(F2)；高混频器(F2)对进入的这两路信号进行混频，产生24018MHz～24182MHz的更高频线性调频信号，并将其传输到发射通道(4)中。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发射通道(4)包括：第九滤波器(B9)、第二放大器(G2)、第十滤波器(B10)和耦合器(K)；高混频模块(3)输出的更高频线性调频信号依次通过第九滤波器(B9)、第二放大器(G2)、第十滤波器(B10)和耦合器(K)后传输到天线发射端口发射，接收通道(5)进行接收。
6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，数字斜坡发生装置(L)，设有控制寄存器(L1)、频率综合器(L2)和D/A转换器(L3)；该控制寄存器(L1)中预写入需要产生的正弦波数据参数，包括信号的幅值、相位和频率，这些预写入的信号参数由外部输入锯齿波数字信号通过串口调用，以控制频率综合器(L2)输出频率，产生数字频率信号；通过D/A转换器(L3)将此数字频率信号变换为模拟频率信号，该模拟频率信号频率随着外部锯齿波数字信号的不断传输进行更新，最终输出频点随着锯齿波幅值信息变化的低频线性调频信号。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述外部锯齿波数字信号，包括锯齿周期SPI_CLK、锯齿波幅值SPI_DATA和锯齿波使能控制SPI_LE。
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