CN115021801B - 一种机载卫星通信天线的数模混合高速跳频方法 - Google Patents

一种机载卫星通信天线的数模混合高速跳频方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种机载卫星通信天线的数模混合高速跳频方法，涉及卫星通信天线技术，步骤为：在模拟频率选择的粗跳频阶段，卫星通信天线的接收信号频率范围分成N个子频带；在模拟选频阶段，模拟选频本振信号频率由N个单独锁相环产生，模拟选频根据选频指令，通过开关快速选择锁相环并锁定，进行第一次混频，得到第一次混频后中频信号频率；在数字跳频阶段，数字跳频由DDS提供本振信号；DDS根据跳频指令，实现在数字跳频的本振信号带宽内高速、高分辨率跳频，最终中频信号频率由第二次混频得到。本发明基于模拟频率选择的粗跳频以及数字变频的细跳频，由开关切换各子频带，实现子频带快速跳变，再由数字变频在子频带内实现高分辨率快速跳频。

Description

一种机载卫星通信天线的数模混合高速跳频方法
技术领域
本发明涉及一种卫星通信天线技术，具体为一种机载卫星通信天线的数模混合高速跳频方法。
背景技术
机载卫星通信天线领域，采用跳频技术是为了确保通信的秘密性和抗干扰性。与定频通信相比，跳频通信比较隐蔽也难以被截获。只要对方不清楚载频跳变的变化规律，就很难截获我方的通信内容。同时，跳频通信也具有良好的抗干扰能力，即使有部分频点被干扰，仍能在其他未被干扰的频点上进行正常的通信。随着通信系统的不断发展，跳频速率和数据速率要求也越来越高。
频率合成器是跳频系统的关键部分，其中锁相环（PLL）频率合成技术的优点是，可工作在高本振频点，缺点是受环路锁定时间影响难以实现高速跳频，且频率分辨率较低。基于数字变频的频率合成器，频率分辨率高，频率转换时间快，输出频率可以很高而且稳定性好，相位噪声低，缺点是输出频点低，若要工作在较高的本振频点，设计比较复杂。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足，为提高频率分辨率，缩短频率转换时间，易于设计，本发明要解决的技术问题是提供一种机载卫星通信天线的数模混合高速跳频方法，综合基于模拟频率选择的粗跳频以及基于数字变频的细跳频实现任意频率步进的快速跳频。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明提供一种机载卫星通信天线的数模混合高速跳频方法，包括以下步骤：
S01.在模拟频率选择的粗跳频阶段，卫星通信天线的接收信号频率f1，将接收信号频率f1范围f1L~f1H分成N个子频带，每个锁相环锁定频率的频率间隔：
BW1=(f1H -f1L)/N；
S02.在模拟选频阶段，模拟选频本振信号频率f2由N个单独锁相环PLL产生，模拟选频根据选频指令，通过开关快速选择相应锁相环PLL，并锁定该锁相环PLL，进行第一次混频，得到第一次混频后中频信号频率f3，f3 = f1 - f2；
S03.在数字跳频阶段，数字跳频由DDS提供本振信号，数字跳频本振信号频率f4范 围为f4L~f4H，数字跳频的本振信号带宽
Figure 761868DEST_PATH_IMAGE001
，其中BW3= BW1，BW1为每个锁相环锁定 频率的频率间隔；
DDS根据跳频指令，实现在数字跳频的本振信号带宽
Figure 819954DEST_PATH_IMAGE002
内高速、高分辨率跳频， 最终中频信号频率f5由第二次混频得到，f5 = f3 - f4。
步骤S02中，模拟选频本振信号频率f2范围为
Figure 865270DEST_PATH_IMAGE003
，每个锁相环锁定频率的频 率间隔为
Figure 791638DEST_PATH_IMAGE004
，BW为接收信号带宽，每个锁相环PLL锁定频率为模拟选频本振信号 频率f2：
Figure 744026DEST_PATH_IMAGE005
（1）
Figure 832067DEST_PATH_IMAGE006
， （2）
Figure 364680DEST_PATH_IMAGE007
（3）
其中f20 为首个子频带的下限频率，f30为第一次混频后中频信号的中心频率；第一 次混频后中频信号频率
Figure 829159DEST_PATH_IMAGE008
由第一次混频得到，范围 为
Figure 638983DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 897926DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 183414DEST_PATH_IMAGE011
其中BW1为每个锁相环锁定频率的频率间隔，BW2为第一次混频后中频信号带宽；
Figure 61372DEST_PATH_IMAGE012
（4）
N个单独锁相环PLL即第一锁相环PLL1~第N锁相环PLLN选择规则为：
若
Figure 850336DEST_PATH_IMAGE013
，开关选择第一锁相环
Figure 545760DEST_PATH_IMAGE014
；
若
Figure 52964DEST_PATH_IMAGE015
，开关选择第二锁相环
Figure 469033DEST_PATH_IMAGE016
；
以此类推：
Figure 643663DEST_PATH_IMAGE017
（5）
开关选择第n锁相环
Figure 244408DEST_PATH_IMAGE018
。
步骤S03中，数字跳频本振信号频率的中心频率
Figure 114275DEST_PATH_IMAGE019
通过以下公式计算：
Figure 458669DEST_PATH_IMAGE020
（6）
其中，f4L为数字跳频本振信号的下限频率，f4H为数字跳频本振信号的上限频率。
本发明具有以下有益效果及优点：
本发明方法采用数模混合进行分组跳频，将频带带宽大步进分成若干组，即多个子频带，每个频带内使用一个锁相环（PLL）频率合成，通过开关切换各子频带，由于每一子频带锁相环已经锁定频率，可实现子频带快速跳变，再由数字变频在子频带内实现高分辨率快速跳频。
附图说明
图1为本发明方法中模拟跳频中的接收下变频结构组成框图；
图2为本发明方法中变频组件结构原理图；
图3为本发明方法模拟选频原理图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。
首先，本发明方法及实施例中涉及的符号含义如下：
f1为接收信号频率，f1L为接收信号的下限频率，f1H为接收信号的上限频率，BW为接收信号带宽；
f2为模拟选频本振信号频率，f2L为模拟选频本振信号的下限频率，f2H为模拟选频本振信号的上限频率，f20为首个子频带的下限频率，BW1为每个锁相环锁定频率的频率间隔；
f3为第一次混频后中频信号频率，f3L为第一次混频后中频信号的下限频率，f3H为第一次混频后中频信号的上限频率，f30为第一次混频后中频信号的中心频率，BW2为第一次混频后中频信号带宽；
f4为数字跳频本振信号频率，f4L为数字跳频本振信号的下限频率，f4H为数字跳频本振信号的上限频率，f40为数字跳频本振信号的中心频率，BW3为数字跳频的本振信号带宽；
f5为最终中频信号频率；
PLL为锁相环，DDS为直接数字频率合成器。
本发明提供一种机载卫星通信天线的数模混合高速跳频方法，综合基于模拟频率选择的粗跳频以及基于数字变频的细跳频，实现任意频率步进的快速跳频，包括以下步骤：
S01.在模拟频率选择的粗跳频阶段，确定天线的接收信号频率f1，将接收信号频率f1范围f1L~f1H分成N个子频带，每个锁相环锁定频率的频率间隔：
BW1=(f1H -f1L)/N；
S02.在模拟选频阶段，模拟选频本振信号频率f2由N个单独锁相环PLL产生，模拟选频根据选频指令，通过开关快速选择相应锁相环PLL，并锁定该锁相环PLL，进行第一次混频，得到第一次混频后中频信号频率f3，f3 = f1 - f2；
S03.在数字跳频阶段，数字跳频由DDS提供本振信号，数字跳频本振信号频率f4范 围为f4L~f4H，数字跳频的本振信号带宽
Figure 222226DEST_PATH_IMAGE001
，其中BW3= BW1，BW1为每个锁相环锁 定频率的频率间隔；
DDS根据跳频指令，实现在数字跳频的本振信号带宽BW3内高速、高分辨率跳频，最终中频信号频率f5由第二次混频得到，f5 = f3 - f4。
本发明方法首先根据接收信号频率
Figure 259452DEST_PATH_IMAGE021
，通过选频指令，进行选择相应锁相环PLL， 锁相环PLL提供模拟选频本振信号频率
Figure 351036DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 764699DEST_PATH_IMAGE021
和
Figure 382763DEST_PATH_IMAGE022
第一次混频得到第一次混频后中频信号 频率
Figure 466256DEST_PATH_IMAGE008
，DDS根据同步跳频命令，快速锁定至相应频率
Figure 169770DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure 855966DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 594115DEST_PATH_IMAGE023
第二次混频得到最终中频信 号频率
Figure 848510DEST_PATH_IMAGE024
；卫星通信天线的接收信号频率
Figure 39320DEST_PATH_IMAGE021
范围
Figure 794786DEST_PATH_IMAGE025
，接收信号带宽
Figure 994299DEST_PATH_IMAGE026
，经 过波束合成，再由变频组件下变频到所需的最终中频信号频率
Figure 544229DEST_PATH_IMAGE024
，如图1所示。
下变频组件包含模拟选频和数字跳频，在模拟选频中完成第一次混频，在数字跳频中完成第二次混频，如图2所示。模拟选频根据选频指令，通过开关快速选择相应锁相环PLL，此时每个锁相环PLL都已经锁定，如图3所示。
模拟频率选择的粗跳频阶段，根据接收信号频率
Figure 222335DEST_PATH_IMAGE021
，通过选频指令，选择相应的锁 相环PLL；在N个单独的锁相环PLL中，由开关快速选择相应锁相环PLL，各锁相环PLL提供本 振信号，
Figure 515913DEST_PATH_IMAGE022
为模拟选频本振信号频率，范围为
Figure 838441DEST_PATH_IMAGE003
，频率大步进间隔即每个锁相环锁定 频率的频率间隔
Figure 293693DEST_PATH_IMAGE004
，BW为接收信号带宽，每个锁相环PLL锁定频率为：
Figure 459096DEST_PATH_IMAGE027
（1）
其中f20 为首个子频带的下限频率，f30为第一次混频后中频信号的中心频率，则有
Figure 290785DEST_PATH_IMAGE006
（2）
Figure 998978DEST_PATH_IMAGE007
（3）
第一次混频后中频信号频率
Figure 625132DEST_PATH_IMAGE008
由第一次混频得到，范围
Figure 277830DEST_PATH_IMAGE028
，第一次混频后中 频信号带宽
Figure 788577DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 944752DEST_PATH_IMAGE029
，其中BW1为每个锁相环锁定频率的频率间隔；第一 次混频后中频信号频率f3 为：
Figure 272965DEST_PATH_IMAGE012
（4）
Figure 22746DEST_PATH_IMAGE021
为接收信号频率，范围为
Figure 461818DEST_PATH_IMAGE030
；
N个单独锁相环即第一锁相环PLL1~第N锁相环PLLN选择规则为：
若
Figure 738078DEST_PATH_IMAGE013
，开关选择第一锁相环
Figure 971614DEST_PATH_IMAGE014
；
若
Figure 208691DEST_PATH_IMAGE031
，开关选择第二锁相环
Figure 185874DEST_PATH_IMAGE016
；
以此类推：
Figure 316641DEST_PATH_IMAGE032
（5）
开关选择第 n锁相环
Figure 721078DEST_PATH_IMAGE033
，
Figure 445451DEST_PATH_IMAGE034
。
数字跳频由直接数字频率合成器DDS提供本振信号，数字跳频本振信号频率
Figure 226326DEST_PATH_IMAGE023
范 围为
Figure 477178DEST_PATH_IMAGE035
，数字跳频的本振信号带宽
Figure 927882DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 264186DEST_PATH_IMAGE036
；
DDS根据跳频指令，实现在带宽
Figure 583172DEST_PATH_IMAGE002
内高速，高分辨率跳频；
Figure 688531DEST_PATH_IMAGE020
（6）
f40为数字跳频本振信号的中心频率，f4L为数字跳频本振信号的下限频率，f4H为数字跳频本振信号的上限频率；
最终中频信号频率
Figure 307207DEST_PATH_IMAGE024
由第二次混频得到：
Figure 865227DEST_PATH_IMAGE037
。 （7）
下面以本系统实现从接收信号频率
Figure 253483DEST_PATH_IMAGE021
得射频信号经过下变频到最终中频信号频 率
Figure 88715DEST_PATH_IMAGE024
为例对本发明方法进行具体说明。
接收信号频率
Figure 5855DEST_PATH_IMAGE021
的范围
Figure 316751DEST_PATH_IMAGE025
为18GHz～19.4GHz，即接收信号的下限频率
Figure 977539DEST_PATH_IMAGE038
，接收信号的上限频率
Figure 667278DEST_PATH_IMAGE039
，接收信号带宽
Figure 20899DEST_PATH_IMAGE040
，最终中频信 号频率f5=1.3GHz；N为7，频率间隔
Figure 553511DEST_PATH_IMAGE041
，
Figure 158936DEST_PATH_IMAGE042
，第一次混 频后中频信号频率
Figure 827815DEST_PATH_IMAGE008
频率范围
Figure 352337DEST_PATH_IMAGE009
设为1.6GHz～1.8GHz，根据公式（3）计算得到
Figure 372246DEST_PATH_IMAGE043
；模拟选频用到N=7个锁相环PLL，根据公式（1）、（2）、（3）计算，得到
Figure 250203DEST_PATH_IMAGE044
，模拟选频本振信号频率
Figure 39167DEST_PATH_IMAGE022
频率范围
Figure 734591DEST_PATH_IMAGE003
为16.4GHz～17.6GHz，数字跳频本振信号频率
Figure 117162DEST_PATH_IMAGE023
频率范围
Figure 923444DEST_PATH_IMAGE035
设为0.3GHz～0.5GHz，根据公式（6）计算得到
Figure 832494DEST_PATH_IMAGE045
。
若：
接收信号频率
Figure 433240DEST_PATH_IMAGE021
为点值，
Figure 303107DEST_PATH_IMAGE046
，
Figure 647500DEST_PATH_IMAGE047
，根据锁相环
Figure 676636DEST_PATH_IMAGE048
选择规 则公式（5）确定，n =1，即选择第一锁相环
Figure 323649DEST_PATH_IMAGE014
；根据公式（1）计算得到
Figure 805446DEST_PATH_IMAGE049
，根据公 式（4）计算得到
Figure 953531DEST_PATH_IMAGE050
。直接数字频率合成器（DDS）根据跳频指令（该指令根据f3和f5 得到），快速跳频
Figure 571594DEST_PATH_IMAGE051
，根据公式（7）输出得到
Figure 675595DEST_PATH_IMAGE052
。
本发明方法综合了基于模拟频率选择的粗跳频以及基于数字变频的细跳频，数模混合进行分组跳频，将频带带宽大步进分成若干组，即多个子频带，每个频带内使用一个锁相环PLL频率合成，通过开关切换各子频带，由于每一子频带锁相环已经锁定频率，实现了子频带快速跳变，再由数字变频在子频带内实现高分辨率快速跳频。

Claims (2)

1.一种机载卫星通信天线的数模混合高速跳频方法，其特征在于：包括以下步骤：
S01.在模拟频率选择的粗跳频阶段，卫星通信天线的接收信号频率f1，将接收信号频率f1范围f1L~f1H分成N个子频带，每个锁相环锁定频率的频率间隔：
BW1=(f1H -f1L)/N；
S02.在模拟选频阶段，模拟选频本振信号频率f2由N个单独锁相环PLL产生，模拟选频根据选频指令，通过开关快速选择相应锁相环PLL，并锁定该锁相环PLL，进行第一次混频，得到第一次混频后中频信号频率f3，f3 = f1 - f2；
S03.在数字跳频阶段，数字跳频由DDS提供本振信号，数字跳频本振信号频率f4范围为f4L~f4H，数字跳频的本振信号带宽
Figure 280674DEST_PATH_IMAGE001
，其中BW3= BW1，BW1为每个锁相环锁定频率的频率间隔；
DDS根据跳频指令，实现在数字跳频的本振信号带宽
Figure 80003DEST_PATH_IMAGE002
内高速、高分辨率跳频，最终中频信号频率f5由第二次混频得到，f5 = f3 - f4；
步骤S02中，模拟选频本振信号频率f2范围为
Figure 947596DEST_PATH_IMAGE003
，每个锁相环锁定频率的频率间隔为
Figure 252806DEST_PATH_IMAGE004
，BW为接收信号带宽，每个锁相环PLL锁定频率为模拟选频本振信号频率f2：
Figure 635377DEST_PATH_IMAGE005
（1）
Figure 517358DEST_PATH_IMAGE006
， （2）
Figure 239457DEST_PATH_IMAGE007
（3）
其中f20 为首个子频带的下限频率，f30为第一次混频后中频信号的中心频率；第一次混频后中频信号频率
Figure 168099DEST_PATH_IMAGE008
由第一次混频得到，范围
Figure 54278DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 287420DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 283932DEST_PATH_IMAGE011
其中BW1为每个锁相环锁定频率的频率间隔，BW2为第一次混频后中频信号带宽；
N个单独锁相环PLL即第一锁相环PLL1~第N锁相环PLLN选择规则为：
若
Figure 272223DEST_PATH_IMAGE012
，开关选择第一锁相环
Figure 550758DEST_PATH_IMAGE013
；
若
Figure 511892DEST_PATH_IMAGE014
，开关选择第二锁相环
Figure 926693DEST_PATH_IMAGE015
；
以此类推：
Figure 947869DEST_PATH_IMAGE016
（5）
开关选择第n锁相环
Figure 448121DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure 947366DEST_PATH_IMAGE018
。
2.根据权利要求1所述的机载卫星通信天线的数模混合高速跳频方法，其特征在于：步骤S03中，数字跳频本振信号的中心频率
Figure 495635DEST_PATH_IMAGE019
通过以下公式计算：
Figure 671401DEST_PATH_IMAGE020
（6）
其中，f4L为数字跳频本振信号的下限频率，f4H为数字跳频本振信号的上限频率。
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