CN111896922B - 一种测量磁控管发射频率的方法 - Google Patents

一种测量磁控管发射频率的方法 Download PDF

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Abstract

一种测量磁控管发射频率的方法，包括：将磁控管发射的射频信号下变频后采用时域鉴相法和Cordic算法获取初测频率；将初测频率下变频后采用时域鉴相法和Cordic算法获取精测频率；初测频率、精测频率和信号中心频率之和为磁控管发射频率。

Description

一种测量磁控管发射频率的方法
技术领域
本发明涉及一种信号处理技术，特别是一种测量磁控管发射频率的方法。
背景技术
磁控管发射机是使用磁控管作为微波功率器件的一种雷达发射机，是用来产生大功率微波振荡的微波电子管。磁控管具有输出功率大、效率高、尺寸小、工作电压低、重量轻、成本低等优点。然而，磁控管发射机虽然优点众多，却也有着很严重的不足之处，即频率稳定度和相位稳定度差。由于磁控管是机械结构，在受到一些外力作用时(诸如抖动，冲击等)、或者在谐振的过程中，调谐机构会发生偏移，最终会导致磁控管产生的频率发生极大的波动，这就是其频率稳定度差的主要原因。
频率稳定度差的问题会对雷达产生很大的影响，例如，雷达发射机的发射频率稳定度差对于动目标检测体制的雷达来说就有很直接的两种影响：其一，影响了雷达在强杂波背景下改善对动目标的辨别能力；其二，在雷达进行杂波处理的过程中产生不该有的剩余杂波，使得雷达的抗杂波能力变得极差。对于原子钟的频率综合器来说，就会导致原子钟产生的频率不够准确，影响性能。
科学家利用跳频自频调信号处理机改善磁控管发射机输出频率稳定度差的现象，跳频自频调信号处理机的研制第一步就是需要测量出磁控管发射机的发射频率，对于一些雷达系统，诸如火控雷达、空域警戒雷达等都采用了捷变频技术，这样做的目的是为了减小被敌方雷达截获的概率，增强雷达系统的抗干扰能力。如果己方雷达的载波频率是一个完全随机的量，那么被截获的概率就更小，此时需要一个瞬时测频计跟踪己方雷达的载频，准确地测出在各个脉宽内的载波频率值，以获得准确的相干解调码，这就对测频的精度提出了更高的要求。
发明内容
本发明的目的在于一种测量磁控管发射频率的方法，包括：将磁控管发射的射频信号下变频后采用时域鉴相法和Cordic算法获取初测频率；将初测频率下变频后采用时域鉴相法和Cordic算法获取精测频率；初测频率、精测频率和信号中心频率之和为磁控管发射频率。
进一步地，初测频率获取还包括：对磁控管发射的射频信号进行采样转换为数字电信号；对数字电信号进行下变频处理将信号频谱搬移到基带；对基带信号采用时域鉴相法和Cordic算法获取基带信号的初测频率。
进一步地，对基带信号采用时域鉴相法和Cordic算法获取基带信号的初测频率包括：对相邻采样数据进行相位差分处理获得相位差；对部分采样数据得到的相位差进行积累后求平均；对相位差和积累数据的平均值采用Cordic算法获得初测频率。
进一步地，初测频率f1根据下式获取
其中，fs为采样频率，R1为积累数据的平均值，N为积累数据的个数，x1(n)为第n个采样数据，Im(R1)、Re(R1)分别为R1的实部、虚部。
进一步地，精测频率获取中还包括低通滤波获取混频后更靠近0频的信号频率。
进一步地，采用时域鉴相法和Cordic算法获取最终频率包括：对相邻采样数据进行相位差分处理获得相位差；对部分采样数据得到的相位差进行积累后求平均；对相位差和积累数据的平均值采用Cordic算法获得精测频率。
进一步地，最终频率f2根据下式获取
其中，fs为采样频率，R2为积累数据的平均值，N为积累数据的个数，x2(n)为初测频率与射频信号混频滤波后的第n个采样数据，Im(R2)、Re(R2)分别为R2的实部、虚部。
进一步地，Cordic算法中的CordicIP输出位数为16位以后。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：(1)数字下变频可以将射频信号频谱搬移到基带，为后端的信号处理降低了系统复杂度，鉴相测频法根据相邻采样点的相位差来计算该射频信号的频率，该方法具有实时性好；(2)Cordic算法通过一系列的角度旋转来求取反正切函数，在FPGA里实现起来可以简化为移位操作，最后对该测频算法所带来的误差进行了分析，证明了该算法在FPGA平台上实现起来简便，高效，实时性好，且误差小，是优秀的瞬时测频算法。
下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。
附图说明
图1为本发明方法流程示意图。
图2为第二次数字下变频结果时域波形示意图。
图3为磁控管发射的神品信号时域波形及频谱示意图。
图4为第一次下变频后的时域波形以及滤波后的时域波形示意图。
图5为第一次下变频后的的频谱示意图。
图6为粗侧频率结果示意图。
图7为低通滤波后信号时域波形示意图。
图8为二次相位差分后时域波形示意图。
图9为精测频率测量结果示意图。
图10为最终频率测量结果示意图。
具体实施方式
结合图1，一种测量磁控管发射频率的方法，包括初测频率的获取以及精测频率的获取。其中初测频率的获取包括以下步骤：
步骤S101，对磁控管发射的射频信号进行采样并转换为数字电信号；
步骤S102，对数字信号进行下变频将信号频谱搬移到基带；
步骤S103，功率检波判断磁控管是否发射信号，若有转步骤S104；
步骤S104，根据鉴相测频算法和Cordic算法获取初测频率。
步骤S101中，本实施例可以同时对两路射频信号进行瞬时检测。两路射频信号的频率范围分别为920MHz～980MHz和1020MHz～1080MHz。根据采样定理直接对射频信号进行采样并将模拟信号转换为电信号。采样定理为
式(1)中，fs≥2B为采样频率，B为射频信号的带宽，fc为射频信号中心频率，n为正整数。
进一步地，当采样频率fs满足(1)时面积可以无失真的回复原始信号，以本实施例的两个频率为例，对于I路射频信号的频率范围920MHz～980MHz而言
fc＝950MHz，B＝60MHz，n＝9，则采样频率fs＝200MHz；
对于II路射频信号的频率范围1020MHz～1080MHz而言：
fc＝1050MHz，B＝60MHz，n＝10，则采样频率fs＝200MHz；
因此当采样频率fs＝200MHz时，即可以满足系统的要求。
步骤S102中，数字下变频将频率搬移到基带可以降低运算的复杂度。搬移到基带后对基带信号进行滤波处理。
步骤S103中，功率检波主要目的是为了实时检测磁控管发射机是否有信号输出，可以防止发射机关闭时，瞬时测频测出结果不准确。根据采样的信号幅度分为噪声幅度和射频信号输入幅度，设置合适的阈值，保证在滤除掉噪声的同时还能检测出射频信号的输出，同时数字下变频后进行检波处理(求模)，根据功率与阈值的相互比较，实时检测是否有信号输入，并根据检波结果，输出控制信号给瞬时测频模块进行测频。最后截取有效信号给相位差分模块进行相位差分处理。功率检波阈值的表达式可以为：
式(2)中，P为射频信号的能量，a为信号的实部，b为信号的虚部。
步骤S104中，针对信噪比较高的信号，采用时域鉴相方法进行频率测量。本实施例采用相位差法进行时域瞬时测频，即根据相邻采样点的相位差，来求取采样信号的频率。具体为：
步骤S1041，信道化后的相邻数据共轭相乘，即相位差分
R1(n-1,n)＝x1(n-1)x1 *(n) (3)
式(3)中，x1(n)为第n个采样数据。
步骤S1042，对部分采样数据得到的相位差进行积累后求平均。由于相位信息对噪声敏感，实际求相位时，先要进行一个积累平均以使相位相对稳定，同时减小噪声带来的误差，最终用R1表示积累后的相位差
其中，N为采样个数。
本实施例中系统以采样率200MHz对脉宽3μm的信号进行采样，采样点数为600点，取中间较为稳定的200个点进行相位积累即可。
步骤S1043，获取初测频率f1的表达式
fs为采样频率，Im(R1)、Re(R1)分别为R1的实部、虚部。
根据式(5)可以得到初测频率需要对信号的相位信息求取反正切，可以利用Cordic算法来实现。进一步地，步骤S1044，对相位差和积累数据的平均值采用Cordic算法获得初测频率。Cordic算法按旋转方式可分两类，旋转模式和定向模式。旋转模式将向量按照指定的角度旋转，定向模式是将输入向量旋转至x轴，最后记录旋转角度。两种Cordic算法均可以适用于本实施例。
实际实现过程中因为各种因素，诸如器件带来的误差，采样带来的误差等等测频精度可能会有所下降，所以还需要对信号进行二次测频获得精测频率。精测频率的获取包括以下步骤：
步骤S201，初测频率下变频；
步骤S202，对下变频后的信号进行滤波获取下变频后更靠近0频的信号频率；
步骤S203，根据鉴相测频算法和Cordic算法获取精测频率。
步骤S201中，初测频率进行下变频时，先获取初测频率与步骤S101中采样频率之和，然后与步骤S101采样后的信号频率进行下变频。
步骤S202中，由于步骤S201的混频出现了两个信号频率，如图2所示，因此需要进行滤波，获取靠近0频的正确信号频率。
步骤S203和步骤S104基本相似，获得精测频率f2的表达式
其中，fs为采样频率，R2为积累数据的平均值，N为积累数据的个数，x2(n)为初测频率与射频信号混频滤波后的第n个采样数据，Im(R2)、Re(R2)分别为R2的实部、虚部。
对于的求解也采用Cordic算法进行求解。
对于获取的初测频率f1和精测频率f2，二者与中心频率之和即为磁控管发射信号的最终频率。
实施例一
本实施例将对本发明的技术方案的误差和精度进行仿真分析。仿真参数如下表。
输入需要测量的信号频率为1052MHz，经过ADC模块200MHz的采样频率采样后，频谱搬移到52MHz，然后通过数字下变频模块频谱搬移到2MHz，进行相位差分、积累平均、相位求取、频率计算等步骤后，测量出来的频率为f1，此时f1为大致的频率，并不是最准确的频率，此时需要用f1+50MHz与AD采样后的52MHz的信号进行数字下变频，重复上述步骤测量出f2，最终测得的频率为f＝f1+f2+1050MHz。
结合图3，采样点数为600个点，采样频率fs＝200MHz，则采样间隔Δfs＝200/600MHz，则该点频等效于f＝157×Δfs≈52MHz。可以验证ADC采样后的信号频率符合前文设定仿真过程中的数值。可以继续进行下一步的仿真验证。接下来将采样后的AD信号进行数字下变频将信号频谱搬移到0频附近减少系统处理的复杂度。数字下变频的仿真结果如图4所示。
对数字下变频后的信号做频谱分析，其频谱图如图5所示。从图5可以看出，数字下变频的后的信号频率为：可以验证和前文仿真过程设定的数值基本一致，可以进行下一步的仿真验证。
接下来需要对数字下变频后的信号做相位差分，以求取相邻采样点之间的相位差，从而根据前文分析的相位差和频率的关系，来求取信号频率。相位差分后的时域波形如图6所示。
可以看出此时的误差Δf1＝2MHz-1.9986MHz＝14000Hz虽已达到项目指标要求，但是实际实现过程中因为各种因素，诸如器件带来的误差，采样带来的误差等等测频精度可能会有所下降，所以还需要对信号进行二次测频，二次测频的步骤即重复一次测频的步骤，按照前文制定好的仿真过程，首先需要将第一次频率粗测的频率加上50MHz与AD采样后的频率进行数字下变频，其仿真结果如图2所示。对第二次数字下变频后的信号做频谱分析，其仿真结果如图7所示。从图2中的信号频谱可以看出由于混频的原因出现了两个信号频率，但其中靠近0频附近的才是正确的信号频率，因此需要进行滤波，滤波后的仿真结果如图8所示。
二次相位差分后对信号做积累平均，积累后求取第二次精细测量的频率值。二次细测频率值仿真结果如图9所示。
最后，求出最终的频率结果如图10所示。
从图10可以分析，测频误差仅为Δf2＝2.0002MHz-2MHz＝200Hz，测频精度满足项目指标要求。
实施例二
一种测量磁控管发射频率的应用，具体为通过跳频自频调信号处理控制磁控管的发射信号的频率。磁控管主要依靠调谐机构遮挡谐振腔，从而改变谐振腔的半径或者腔底深度就可以改变磁控管的振荡频率，而调谐机构又是由驱动电机旋转控制其位置改变的。本应用通过分析磁控管发射信号的频率获取控制信号控制驱动电机的旋转位置。具体为最终频率传递至跳频单元，跳频单元对最终频率与工作频点进行比较，如果最终频率超出工作频点的范围则产生控制信号控制驱动电机的旋转。
实现上述原理的系统包括跳频单元、实时跟踪单元、电机步进单元。跳频单元根据磁控管信号的第一频率f1或最终频率f获取控制信号，实时跟踪单元根据控制信号产生位置信息信号，电机步进单元根据位置信息信号控制磁控管调谐机构驱动电机的旋转角度。
进一步地，跳频单元接收的最终频率超过了磁控管工作频点的误差范围，跳频单元发出控制信号，该控制信号可以控制磁控管调谐机构驱动电机旋转至合适的工作位置。
进一步地，实时跟踪单元解析跳频单元的控制信号，获取磁控管调谐机构驱动电机旋转角度信息。
进一步地，电机步进单元中包括位置频率关系表，即磁控管调谐机构驱动电机旋转位置、磁控管发射信号频率和位置信息信号之间的关系表格，三者之间是一一对应的关系。电机步进单元根据实时跟踪单元发送的位置信息信号进行查表，获取磁控管调谐机构驱动电机旋转位置，并发出脉冲信号，脉冲信号的数量决定了磁控管调谐机构驱动电机旋转位置，即位置信息信号通过脉冲数量传递。优选的，电机步进单元型号为DM860H。
进一步地，电机控制模块还包括一键初始化单元，一键初始化单元可以为多位置开关：第一工作位对应第一信号处理模块100或第二信号处理模块200与调频单元的信号连接；第二工作位对应发出信号给磁控管，使磁控管发射机的12个频点位置重新初始化，即控制磁控管电机旋转直至12个频点的位置确定。
进一步地，为了防止异常断电造成数据的丢失，实现处理机数据的恢复，处理机还包括缓存单元，与电机步进单元连接，实时存储频点信息以及电机的位置。缓存单元选择一片SPIFLASH，型号为W25Q64FVSS，该芯片容量为64Mbit。

Claims (4)

1.一种测量磁控管发射频率的方法，其特征在于，包括：
将磁控管发射的射频信号下变频后采用时域鉴相法和Cordic算法获取初测频率；
将初测频率下变频后采用时域鉴相法和Cordic算法获取精测频率；
初测频率、精测频率和信号中心频率之和为磁控管发射最终频率；
初测频率获取还包括：
对磁控管发射的射频信号进行采样转换为数字电信号；
对数字电信号进行下变频处理将信号频谱搬移到基带；
对基带信号采用时域鉴相法和Cordic算法获取基带信号的初测频率；
对基带信号采用时域鉴相法和Cordic算法获取基带信号的初测频率包括：
对相邻采样数据进行相位差分处理获得相位差；
对部分采样数据得到的相位差进行积累后求平均；
对相位差和积累数据的平均值采用Cordic算法获得初测频率；
初测频率f1根据下式获取
其中，fs为采样频率，R1为积累数据的平均值，/>，N为积累数据的个数，x1(n)为第n个采样数据，Im(R1)、Re(R1)分别为R1的虚部、实部；
采用时域鉴相法和Cordic算法获取最终频率包括：
对相邻采样数据进行相位差分处理获得相位差；
对部分采样数据得到的相位差进行积累后求平均；
对相位差和积累数据的平均值采用Cordic算法获得精测频率；
精测频率f2根据下式获取
其中，fs为采样频率，R2为积累数据的平均值，/>，N为积累数据的个数，x2(n)为初测频率与射频信号混频滤波后的第n个采样数据，Im(R2)、Re(R2)分别为R2的虚部、实部。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，精测频率获取中还包括低通滤波获取混频后更靠近0频的信号频率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，Cordic算法中的Cordic IP输出位数为16位。
4.一种根据上述任意权利要求所述方法的应用，其特征在于，对获取的最终频率于磁控管的工作频点进行比较，若最终频率在工作频点范围之外，产生控制信号调整磁控管发射信号的频率。
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