CN114839612A - 一种x波段瞬时测频接收机及其接收方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种X波段瞬时测频接收机及其接收方法，属于雷达探测技术领域。该接收机包括频率变换模块、延迟鉴相模块、测频补偿模块和数据处理模块；所述频率变换模块包括混频器、放大器、滤波器与分频器；所述延迟鉴相模块包括功分器、延迟线与鉴相器；所述测频补偿模块通过访问温度补偿表增加测频精度；所述数据处理模块包括AD采样芯片和FPGA；X波段的射频信号经过频率变换模块的变频放大滤波分频后，再经过延迟鉴相模块将射频信号转化为电压值，测频补偿模块对测频值进行补偿后，最终经过数据处理模块得到频率值。本发明中的鉴相器电路十分简单有效，使用异或逻辑门电路，是一款小型化、低成本、高性能的瞬时测频接收机。

Description

一种X波段瞬时测频接收机及其接收方法
技术领域
本发明属于雷达探测技术领域，具体地说，尤其涉及一种X波段瞬时测频接收机及其接收方法。
背景技术
在现代战争中，电子对抗技术的地位越来越重要, 电子对抗可以归纳为电子侦察和电子干扰两个方面。电子侦察的目的是测量敌方雷达的信号参数以及敌方雷达的方位,信号参数很多, 其中信号的载波频率是最重要的一项, 它在某种意义上反映了雷达的功能和用途。在现代复杂的电磁环境下, 为了有效的干扰, 也必须先对信号进行分选和威胁识别, 而信号的频率信息是信号分选和威胁识别的重要参数之一。因此信号频率的测量是电子对抗设备中的很重要的一项功能, 测频接收机也成了电子对抗设备不可缺少的组成部分。
X波段雷达应用广泛，现代电子战设备的发展方向是小型化、便携性、高性能，而瞬时测频接收机小型化的前提是元器件的小型化，由于芯片集成已经发展得很成熟，所以瞬时测频接收机前端微波器件的小型化是实现小型化瞬时测频接收机的关键。而干涉仪比相法是目前应用较广泛的一种瞬时测频技术，其核心是把信号的频率信息转换成相位信息，然后根据相位所对应的幅度信息推算出信号的频率。
传统比相法测频由于内部定向耦合器和3dB功分器本身存在误差以及端口匹配和相位不均衡等问题导致其体积与误差较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种X波段瞬时测频接收机实现方法，以弥补现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明采取的具体技术方案如下：
一种X波段瞬时测频接收机，该接收机包括频率变换模块、延迟鉴相模块、测频补偿模块和数据处理模块；所述频率变换模块包括混频器、放大器、滤波器与分频器；所述延迟鉴相模块包括功分器、延迟线与鉴相器；所述测频补偿模块通过访问温度补偿表增加测频精度；所述数据处理模块包括AD采样芯片和FPGA；X波段的射频信号经过频率变换模块的变频放大滤波分频后，再经过延迟鉴相模块将射频信号转化为电压值，测频补偿模块对测频值进行补偿后，最终经过数据处理模块得到频率值。
基于上述X波段瞬时测频接收机的接收方法，包括以下步骤：
S1：首先通过频率变换模块将接收到的X波段的高频信号变换为低频信号：瞬时测频接收机的频率变换模块将接收到的X波段射频信号，经过混频器处理，再进行放大器放大，产生的低频信号进入滤波器滤除谐波及杂散得到其下变频有用信号，再通过分频器降低其工作带宽；
S2：通过S1得到的低频信号进入延迟鉴相模块：经功分器后其中一路进行功率检波，另外几路分别接入不同长度的延迟线，引入不同的相位滞后，利用鉴相器对其相位差进行比较；
S3: 利用测频补偿模块通过访问温度补偿表增加测频精度；
S4：测频数据处理：鉴相器输出信号送入AD采样芯片，将信号幅度量化并查找表。
进一步的，所述S2中的鉴相器：根据测频需求，本发明设计了以异或逻辑门为鉴相基础的鉴相器。异或逻辑门鉴相器结构如图2所示。其组成主要包括两个对数放大器、逻辑异或门、低通滤波器、输出放大器、偏置单元和输出参考电压缓冲器。鉴相器的两个输入采用完全对称的结构，对数放大器对信号路径进行全差分，以减小共模信号和噪声的影响。偏置单元里的滤波电容为各自的输出设置平均时间常数。参考电压缓冲器提供参考电压，跟踪内部的比例常数。低通滤波器接收异或逻辑门产生的输出，生成和相位差成正比的模拟电压。相位信息经过输出放大器进行放大，输出放大器决定最终的相位范围。
采用鉴相器法进行测频时，会出现测频模糊问题。为了能在较宽瞬时带宽下获得良好的频率分辨率，采用多路延迟鉴相解模糊技术。
更进一步的，上述方法采用四路延迟线设计，延迟比为1∶2∶4∶8，其中短延迟线用来决定测频区间，输出代码是整个相位代码的高位。长延迟线用来决定测频精度，长延迟支路的输出代码是整个相位代码低位，解模糊方法采用由低位向高位解模糊。
进一步的，所述S3中，FPGA在完成AD采样的数据锁存后，通过瞬时测频接收机的温度检测模块，实时采集当前瞬时测频接收机的工作温度，通过选择不同温度补偿文件来完成温度补偿功能，以保证模块在全工作温度范围内实现准确测频。测频误差来源于延时误差ΔT和相位误差Δϕ；延时误差由延迟线的物理特性所决定的，其参数会随温度、湿度等周边环境的变化而变化，使得延迟线在使用过程中产生一定的偏移，从而导致实际使用中与理想状态下的延迟时间存在误差△T。相位误差主要来自于鉴相器，鉴相器受环境温度变化的影响十分明显，当工作温度变化时，鉴相的输出就会有相当大的变化，如果仍然按照测试时的编码校正结果将输出错误的频率值。因此需要对温度的影响进行补偿。
进一步的，所述S4中：由PC机控制信号源产生标准频率射频信号，经由瞬时测频接收机反馈给PC机，通过四路AD将鉴相器输出的结果进行采样，将采样结果作为查寻地址送到ROM查表得出频率；将鉴相器的相位输出采样电压作为地址与相应频率对应，其优点在于响应速度快而且便于控制和校准；所述ROM查表的建立是通过微波信号源产生标准信号，将鉴相器的相位输出采样电压作为地址与相应频率对应来完成。FPGA通过对数据进行锁存、移相、编码，最终将频率码解算出来。
本发明的优点和有益效果：
本发明设计的X波段瞬时测频接收机中，鉴相器电路十分简单有效，使用异或逻辑门电路，代替传统比相法中耦合器和功分器等复杂电路，是一款小型化、低成本、高性能的瞬时测频接收机。本发明设计的鉴相器测量相位分辨力小于l度，将鉴相器π相位内的低位相关器进行7 bit进行量化，并加以平均处理。采用四路延迟线对其进行解模糊，相邻通道延迟时间比为2，测频接收机的频率分辨率<5MHz。
经过实际验证，本发明中鉴相器的相位输出响应时间约为50ns，延迟线、功分器等模拟器件的运行时间在ns级别。主程序处理时间主要包括AD采样输出数字信号的时间、逻辑处理以及温度补偿后作为地址直接寻址频率码的输出时间，程序处理时间在200ns内。从而该瞬时测频接收机测频时间<250ns。
附图说明
图1为本瞬时测频接收机的总体方案框图。
图2为本瞬时测频接收机的异或逻辑门鉴相器结构图。
图3为数据处理模块中的数据处理流程图。
图4为实施例中鉴相器相位幅度响应图。
图5为实施例中不同长度延迟线频率鉴相响应图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明所述的技术方案作进一步地描述说明。需要说明的是，在下述段落可能涉及的方位名词，包括但不限于“上、下、左、右、前、后”等，其所依据的方位均为对应说明书附图中所展示的视觉方位，其不应当也不该被视为是对本发明保护范围或技术方案的限定，其目的仅为方便本领域的技术人员更好地理解本发明创造所述的技术方案。
在本说明书的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
一种X波段瞬时测频接收机，如图1所示，该接收机包括频率变换模块、延迟鉴相模块、测频补偿模块和数据处理模块；所述频率变换模块包括混频器、放大器、滤波器与分频器；所述延迟鉴相模块包括功分器、延迟线与鉴相器；所述测频补偿模块通过访问温度补偿表增加测频精度；所述数据处理模块包括AD采样芯片和FPGA；X波段的射频信号经过频率变换模块的变频放大滤波分频后，再经过延迟鉴相模块将射频信号转化为电压值，测频补偿模块对测频值进行补偿后，最终经过数据处理模块得到频率值。
实施例2：
一种基于实施例1所述的X波段瞬时测频接收机的接收方法，包括以下步骤：
S1：接收机将X波段的射频信号经过频率变换模块的变频放大滤波分频后变换为鉴相器工作频段内的低频信号。
具体为：
如瞬时测频接收机的总体方案框图1所示将接收到的X波段8GHz~12GHz的射频信号与8GHz的本振进行混频，将X波段射频信号下变频至DC~4GHz。将DC-4GHz的中频信号进行放大并滤波，滤除其他干扰信号。由于图2所示异或逻辑门鉴相器瞬时带宽的限制，所以下变频后需要经过分频处理，将射频信号分频至DC~1GHz。对分频后的信号再进行限幅放大和滤波，通过限幅放大保证接受动态范围内的射频信号每次进入延迟线与鉴相器的信号功率一致，滤波器保证频段外的信号无法进入鉴相器组件，保证测频准确性。
S2：射频信号经过频率变换模块变为低频信号后经过延迟鉴相模块通过多路延迟鉴相解模糊提高测频精度，具体为：
输入射频信号分成两路，一路不经延迟线直接送入鉴相器；另一路则通过一段延迟时间为 τ 的射频线缆后再送入鉴相器。两路信号由于延迟线的存在，形成了θ=2πfτ的相位差，这个相位差由鉴相器检出。本测频实现方法采用四路延迟线解模糊，延迟比为1∶2∶4∶8，其不同延迟线频率输出幅值响应曲线如图5所示。通过设计延迟线长度，使得测频带宽内的射频信号在经过延迟为τ的短延迟线后输出相位在π以内，作为低精度频率参考值。长延迟线链路则会多次相位循环，将其作为高精度频率参考值。通过对采集到的四路延迟线的鉴相输出电压值进行相关计算，得到精确的测频结果。
S3: 在上述鉴相测频方法上，增加了测频补偿模块；
具体为：将测频接收机放入高低温试验箱，连接线路，分别设置不同温度并将不同温度下的测试数据进行保存。利用MATLAB对存储的数据进行处理，当查看每组数据相邻数据差值只有0和1时，则数据处理合格。然后对不同温度下的频率进行修正，并将其保存为二进制文件，最后将这些不同温度的二进制文件合并为一个文件，存放到ROM当中。通过温度补偿文件实现了鉴相器输出零点的温度漂移补偿以及延迟线温度漂移引起的鉴相器输出相位变化补偿。
S4：数据处理模块的测频主程序实现。
具体为：由PC机控制信号源产生标准频率射频信号，经由瞬时测频接收机反馈给PC机，通过四路AD将鉴相器输出的结果进行采样，将采样结果作为查寻地址送到ROM查表得出频率。将鉴相器的相位输出采样电压作为地址与相应频率对应，其优点在于响应速度快而且便于控制和校准。
整个系统工作流程如图3所示，其工作时序为流水线工作方式。首先检测到目标信号的触发同步信号，控制AD电路进行采样，对触发后的连续4个数据取平均进行处理，随后接收温度补偿数据，并对数据进行接近取值，进行三角旋转锯齿得到便于查找表的数据。通过比较长短延迟线两路电压数据以解模糊并将电压采样结果作为查寻地址送到ROM查表得出频率。最终将计算得出的频率输出到下级。
其中，多路不同延迟线的射频信号进入本发明设计的以异或逻辑门为基础的鉴相器，其具体计算输出幅度与频率换算实施如下：
根据图2所示鉴相器结构图，两路射频信号经过对数放大器以及异或鉴相后，信号以电流的形式将相位信息传递给下一级电路，经过滤波电容设置平均时间常数，减去跨阻
Figure DEST_PATH_IMAGE001
产生的一个与其输入偏置电压成正比的电流。最终经过带增益Amp的缓冲放大器输出电压值，得到的鉴相器输出幅度公式为：
Figure 490444DEST_PATH_IMAGE002
其中Amp为放大器系数，
Figure 597465DEST_PATH_IMAGE001
为跨阻系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为偏置电路电流，
Figure 908361DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为两路输入信号的瞬时相位，
Figure 756100DEST_PATH_IMAGE006
是参考电压，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为两路相位比较输出电压值，其输出幅度图如图4所示。由鉴相器输出幅度公式与输出幅度图4可知，异或逻辑门鉴相器与传统相位检测器不同，其独立于输入幅度并且在π相位范围内保持单向稳定，两端口的输入相位差与幅度成正比。因此可以通过鉴相器输出的
Figure 367210DEST_PATH_IMAGE007
电压值判断输入信号的相位差，从而得到输入信号频率。
两路经过不同延迟线的信号其对应相位差
Figure 113973DEST_PATH_IMAGE008
，可表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
可推导出相位延迟与所经过的传输线长度的关系为：
Figure 505641DEST_PATH_IMAGE010
将其与鉴相器幅度公式结合可得输出待测信号的频率的简化计算关系为：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
其中,
Figure 625912DEST_PATH_IMAGE012
表示传输线延迟的相位差，c表示光速，f表示待测信号频率, L表示延迟线的长度,
Figure DEST_PATH_IMAGE013
表示电磁波的波长,
Figure 419425DEST_PATH_IMAGE014
表示延迟线的介电常数，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
表示鉴相器测算得到的最高输出值，
Figure 528633DEST_PATH_IMAGE007
为鉴相器输出电压值。由该式根据延迟的相位和传输线的长度，可以计算出采用短延迟线并且其输出相位变化在π内情况下，待测信号的频率。
本发明为了简化瞬时测频接收机的结构、提高集成度和可靠性，设计了以异或逻辑门鉴相电路为核心的简单有效的瞬时测频接收机，配合功分器、低噪声放大器、混频器、限幅放大器、FPGA等设计制作X波段瞬时频率接收系统。通过多路延迟线增加测频精度、AD采样和查表相结合的测频编码方法以及增加功率检波和温度补偿功能，极大地提高了整机的测频输出精度。整个接收机设计无论在体积、成本、功耗上都远远的超过旧有体制的瞬时测频实现方法，能够取代原有旧体制的瞬时测频。
在上述实施例的基础上，本发明继续对其中涉及到的技术特征及该技术特征在本发明中所起到的功能、作用进行详细的描述，以帮助本领域的技术人员充分理解本发明的技术方案并且予以重现。
最后，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种X波段瞬时测频接收机，其特征在于，该接收机包括频率变换模块、延迟鉴相模块、测频补偿模块和数据处理模块；所述频率变换模块包括混频器、放大器、滤波器与分频器；所述延迟鉴相模块包括功分器、延迟线与鉴相器；所述测频补偿模块通过访问温度补偿表增加测频精度；所述数据处理模块包括AD采样芯片和FPGA；X波段的射频信号经过频率变换模块的变频放大滤波分频后，再经过延迟鉴相模块将射频信号转化为电压值，测频补偿模块对测频值进行补偿后，最终经过数据处理模块得到频率值。
2.如权利要求1所述的X波段瞬时测频接收机，其特征在于，根据测频需求，所述鉴相器以异或逻辑门为鉴相基础的鉴相器，包括对数放大器、逻辑异或门、低通滤波器、输出放大器、偏置单元和输出参考电压缓冲器。
3.如权利要求2所述的X波段瞬时测频接收机，其特征在于，所述鉴相器采用两个输入采用完全对称的结构，对数放大器对信号路径进行全差分，偏置单元里的滤波电容为各自的输出设置平均时间常数；参考电压缓冲器提供参考电压，跟踪内部的比例常数；低通滤波器接收异或逻辑门产生的输出，生成和相位差成正比的模拟电压；相位信息经过输出放大器进行放大，输出放大器决定最终的相位范围。
4.基于权利要求1所述的X波段瞬时测频接收机的接收方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：首先通过频率变换模块将接收到的X波段的高频信号变换为低频信号：瞬时测频接收机的频率变换模块将接收到的X波段射频信号，经过混频器处理并通过放大器进行放大，产生的低频信号进入滤波器滤除谐波及杂散得到其下变频有用信号，再通过分频器降低其工作带宽；
S2：通过S1得到的低频信号进入延迟鉴相模块：经功分器后其中一路进行功率检波，另外几路分别接入不同长度的延迟线，引入不同的相位滞后，利用鉴相器对其相位差进行比较；
S3: 利用测频补偿模块通过访问温度补偿表增加测频精度；
S4：测频数据处理：鉴相器输出信号送入AD采样芯片，将信号幅度量化并ROM查表。
5.如权利要求4所述的接收方法，其特征在于，所述S2中，采用多路延迟鉴相解模糊技术。
6.如权利要求5所述的接收方法，其特征在于，采用四路延迟线设计，延迟比为1∶2∶4∶8，其中短延迟线用来决定测频区间，输出代码是整个相位代码的高位；长延迟线用来决定测频精度，长延迟支路的输出代码是整个相位代码低位，解模糊方法采用由低位向高位解模糊。
7.如权利要求4所述的接收方法，其特征在于，所述S3中，FPGA在完成AD采样的数据锁存后，通过瞬时测频接收机的温度检测模块，实时采集当前瞬时测频接收机的工作温度，通过选择不同温度补偿文件来完成温度补偿功能。
8.如权利要求4所述的接收方法，其特征在于，所述S4中：由PC机控制信号源产生标准频率射频信号，经由瞬时测频接收机反馈给PC机，通过四路AD将鉴相器输出的结果进行采样，将采样结果作为查寻地址送到ROM查表得出频率；将鉴相器的相位输出采样电压作为地址与相应频率对应；所述ROM查表的建立是通过微波信号源产生标准信号，将鉴相器的相位输出采样电压作为地址与相应频率对应来完成；FPGA通过对数据进行锁存、移相、编码，最终将频率码解算出来。
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CN117420351A (zh) * 2023-12-18 2024-01-19 成都世源频控技术股份有限公司 一种瞬时测频电路
CN117420351B (zh) * 2023-12-18 2024-03-26 成都世源频控技术股份有限公司 一种瞬时测频电路

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