偽碼引信小型實時可配置高速偽碼調(diào)制頻率源

徐利平,王大鵬,許嘉晨,文 帥

(西安機電信息技術(shù)研究所,陜西 西安 710065)

0 引言

現(xiàn)代和未來戰(zhàn)爭是復雜電磁環(huán)境下的大縱深立體戰(zhàn),對引信的小型化和抗干擾性能提出了更高要求。脈沖體制測距具有測距精度高,抗干擾性能好等特點;偽隨機碼具有極強的自相關性,碼的參數(shù)可以按指令而改變,可有效地解決抗干擾問題,提高引信與戰(zhàn)斗部的配合,增強引信的抗干擾能力[1-3]。偽碼測高引信一般采用單天線收發(fā)一體、脈沖工作體制,即發(fā)射偽碼信號時關閉接收通道,接收回波信號時關閉發(fā)射通道,來減小發(fā)射通道到接收通道的能量,減小對接收的干擾[4]。偽碼調(diào)制頻率源位于發(fā)射通道,用于產(chǎn)生偽碼中頻調(diào)制信號,然后上變頻到射頻,通過發(fā)射支路功率放大后由天線發(fā)射出去,所以偽碼調(diào)制頻率源是發(fā)射通道的核心部件。

傳統(tǒng)的偽碼調(diào)制頻率源一般采用聲表面波抽頭延遲線或DDS等方式實現(xiàn)。文獻[5]中采用聲表面波器件作為引信的偽碼調(diào)制源。文獻[6]介紹了一種偽碼調(diào)制器,該調(diào)制器由聲表面波抽頭延遲線實現(xiàn),把輸出換能器的叉指電極與匯流條采用不同的連接方式,就可得到不同的編碼,在輸入換能器上加上一個沖擊信號,就可在輸出端得到對應的沖擊響應。對抽頭延遲線按照一定的要求進行編碼,可產(chǎn)生對應的調(diào)制信號。但是此方法雖然可產(chǎn)生偽隨機編碼信號,但是聲表面波器件插損大,輸出信號中心頻率低,后續(xù)需要多級放大濾波鏈路補償和變頻處理,不利于偽碼引信小型化設計。文獻[7—9]中介紹的基于DDS原理的BPSK調(diào)制器,具有現(xiàn)場可編程、靈活的優(yōu)點,但是根據(jù)奈奎斯特定理,由于時鐘頻率的限制,輸出頻率不大于70 MHz,考慮到選頻濾波器的非理想性,需要經(jīng)過多次上變頻才能到微波或毫米波波段,不利于引信小型化設計。文獻[10]介紹了一種采用鎖相環(huán)和雙平衡混頻器,鎖相環(huán)提供本振信號,雙平衡混頻器實現(xiàn)BPSK調(diào)制功能,該調(diào)制器采用單端調(diào)制,即調(diào)制信號為高電平時,射頻信號輸出與本振信號同相位,調(diào)制信號為低電平時,射頻信號輸出為本振信號相位翻轉(zhuǎn)180°。在脈沖工作環(huán)境下,單端調(diào)制不利于發(fā)射脈沖形成,通常情況下需要外加射頻開關成形,在高碼速率情況下,對射頻開關的打開和關斷時間要求高。針對以上問題,本文提出偽碼引信小型實時可配置高速偽碼調(diào)制頻率源。

1 傳統(tǒng)偽碼調(diào)制方法

傳統(tǒng)偽碼引信偽碼調(diào)制頻率源如圖1所示。偽碼引信采用脈沖測距原理,寬波束單天線收發(fā)分時復用。發(fā)射通道中,在中頻進行0/π調(diào)制,然后上變頻到射頻,經(jīng)功放由天線發(fā)射出去,然后轉(zhuǎn)入接收狀態(tài),回波信號經(jīng)天線、T/R開關,低噪放后下變頻到中頻,然后在中頻進行相關處理,最后由信號處理器計算出回波的延時并得出高度信息。

圖1 聲表面波偽碼調(diào)制源

傳統(tǒng)偽碼引信偽碼調(diào)制源采用聲表面波器件實現(xiàn)。聲表面波調(diào)制器由輸入換能器、輸出換能器組成。換能器的作用是完成聲能量和電能量之間的相互轉(zhuǎn)換。當交流電信號到達輸入換能器時,換能器的壓電材料由于壓電效應產(chǎn)生機械振動,進而激勵出聲表面波,聲表面波在壓電材料表面?zhèn)鞑?當?shù)竭_輸出換能器時,聲波將轉(zhuǎn)換為電信號輸出。輸入換能器和輸出換能器的電極采用叉指空間周期分布方式,叉指換能器的聲同步頻率取決于電極排列的空間周期,工作帶寬取決于電極的數(shù)目。因此,聲表面波器件的沖擊響應與其幾何結(jié)構(gòu)之間有著簡單的對應關系。當叉指換能器輸入一個沖擊電壓時,換能器所激發(fā)的聲信號是一個正弦波串,它的持續(xù)時間等于聲波在換能器上的渡越時間;它所包含的周期數(shù)等于換能器所具有的叉指對數(shù)目,并且一一對應;它的指條重疊包絡與其沖擊響應的包絡一一對應的。所以,為了獲得不同的編碼,需要設計出對應不同的叉指圖形換能器,通過叉指對與匯流條的不同連接方式即可獲得不同的編碼。

圖1中所示的聲表面波偽碼調(diào)制源的工作原理為:編碼/控制器產(chǎn)生發(fā)射控制信號,激發(fā)沖擊信號源產(chǎn)生沖擊信號輸入到聲表面波編碼器,聲表面波偽碼調(diào)制器器的輸入換能器激發(fā)出一串對應的聲信號,可在輸出端得到一個沖擊響應為固定載波、固定編碼的偽碼已調(diào)信號。

通過以上分析可知,聲表面波偽碼調(diào)制源具有處理速度快、設計原理簡單、一致性好、易于大量生產(chǎn)的特點,但是由于材料的固有屬性,通常聲表面波偽碼調(diào)制器的插損很大,輸入沖擊信號的能量有限,所以輸出的信號需要經(jīng)過多級放大、濾波處理,集成度不高,導致實際工程可用的調(diào)制源體積并不小,不利于彈載設備使用。另外在現(xiàn)代戰(zhàn)場復雜電磁環(huán)境下,對引信的抗干擾性和可靠性提出了新的要求,所以對偽碼引信而言,要求載波和編碼實時可調(diào)整,這是聲表面波偽碼調(diào)制源難以完成的。

2 小型實時可配置高速偽碼調(diào)制頻率源

為了解決偽碼引信小型化設計、碼型實時可變需求與傳統(tǒng)偽碼調(diào)制頻率源集成度不高、碼型固定不變之間的矛盾,提出小型實時可配置高速偽碼調(diào)制頻率源,原理圖如圖2所示。頻率源包括高速乘法器和寬帶鎖相環(huán)。

圖2 小型實時可配置高速偽碼調(diào)制頻率源

與圖1傳統(tǒng)固定載波和固定編碼的偽碼調(diào)制方法比較,小型實時可配置高速偽碼調(diào)制頻率源采用寬帶可配置鎖相環(huán)產(chǎn)生載波信號,偽碼引信可根據(jù)使用需求實時配置載波的頻率,寬帶鎖相環(huán)的配置端口為三線SPI端口,鎖定時間小于30 μs,滿足引信實時可配置需求。編碼/控制器根據(jù)不同的探測高度、不同的干擾環(huán)境實時產(chǎn)生不同的偽隨機碼,偽碼調(diào)制功能由高速乘法器完成。

載波頻率源采用寬帶鎖相環(huán)架構(gòu),原理架構(gòu)如圖3所示。鎖相環(huán)由M分頻器、N分頻器、VCO、環(huán)路濾波器、鑒相器、輸出P分頻器等部分組成。參考頻率經(jīng)M分頻后與VCO輸出信號經(jīng)N分頻后的信號進行鑒相,輸出誤差信號并經(jīng)過環(huán)路濾波器后形成近似直流電壓的信號,進而控制VCO的輸出頻率。鎖相環(huán)是一個逐漸遞進的負反饋過程,當N和M分頻器的輸出相位誤差小到可以忽略的時候,最終低通濾波器輸出一個穩(wěn)定的直流電壓,VCO輸出一個穩(wěn)定的頻率,即環(huán)路鎖定。VCO輸出的信號經(jīng)可配置P分頻器分頻后輸出載波信號。

圖3 載波源原理圖

載波信號鎖定時間如圖4所示,鎖定時間小于30 μs,在此期間彈丸下落的距離一般不超過3 cm,小于引信的距離分辨率要求,滿足偽碼引信高速實時配置需求。

圖4 鎖定仿真曲線

載波信號相位噪聲仿真曲線如圖5所示,能夠?qū)崿F(xiàn)-95 dBc/Hz@1 kHz的相位噪聲,低雜散等功能。載波信號輸入到調(diào)制器進行偽碼相位調(diào)制。偽碼由編碼/控制器實時產(chǎn)生,偽碼可根據(jù)不同使用環(huán)境實時改變。

圖5 相位噪聲仿真曲線

調(diào)制器由乘法器實現(xiàn),輸入的偽隨機編碼調(diào)制信號為差分信號,即M+和M-,M+為差分信號輸入正端,M-為差分信號輸入負端。通過兩個三極管對組成的差分比例放大電路實現(xiàn)輸出信號的正負變化,差分比例放大器輸出信號U0如下:

U0=k((M+)-(M-)),

(1)

式(1)中,k為常數(shù),表示差分放大器增益。當M+為1,M-為0時,U0=k;反之,U0為-k;當M+和M-均為1或0時,U0=0?；诖嗽?即可實現(xiàn)調(diào)制信號的正負變化,同時輸入調(diào)制信號為同相時,調(diào)制信號為0,起到載波抑制作用。

調(diào)制器采用乘法器實現(xiàn)電路功能,偽碼調(diào)制原理如式(2)、式(3)所示:

URF=U0·ULO=k((M+)-(M-))·ULO,

(2)

URF為乘法器輸出的調(diào)制信號,ULO為載波信號,假如載波信號ULO=Acosωt,則

URF=U0·ULO=k((M+)-(M-))·Acosωt。

(3)

當M+為1,M-為0時:URF=Akcosωt;

當M+為0,M-為1時:URF=-Akcoswt=Akcos(ωt+π);

當M+為1,M-為1時:URF=0;

當M+為0,M-為0時:URF=0;

從而,實現(xiàn)了載波信號0°～180°的偽碼調(diào)相功能。

為了實現(xiàn)頻率源小型化,鎖相環(huán)、乘法器等芯片均采用裸片,采用SIP工藝將鎖相環(huán)、環(huán)路濾波器和乘法器等集成到一個芯片內(nèi),外封裝采用耐高溫絕緣塑封材料實現(xiàn)封裝,芯片尺寸為4 mm×4 mm×1 mm,原理架構(gòu)圖和封裝圖如圖6所示,滿足偽碼引信小型化設計需求。與現(xiàn)有分立器件相比,節(jié)省了外圍分立電路,特別適合引信的需求。

3 測試驗證

3.1 小型實時可配置高速偽碼調(diào)制頻率源模塊測試驗證

測試平臺包括穩(wěn)壓電源、微波信號源、編碼器、高頻示波器、頻譜分析儀、數(shù)字相關器、數(shù)據(jù)采集器和同軸電纜等。

載波測試方法如圖7所示。用微波信號源產(chǎn)生參考信號輸入到頻率源模塊,編碼器輸出的M+為高電平,M-為低電平,則頻率源模塊產(chǎn)生本振信號,用頻譜儀測試載波信號的各項參數(shù)。

圖7 載波測試方法

經(jīng)測試,頻率源輸出信號如圖8所示,載波信號雜散可以抑制到60 dBc以下。

相位噪聲測試如圖9所示,實測典型值為-130 dBc/Hz@10 kHz。

圖9 載波相位噪聲測試

經(jīng)測試,本振各項參數(shù)滿足工程使用需求。

偽碼調(diào)制測試方法如圖10所示。

用編碼器產(chǎn)生高速偽碼差分信號輸入到頻率源模塊,頻率源模塊產(chǎn)生周期偽碼已調(diào)信號,將已調(diào)信號輸入到數(shù)字相關器,用高頻示波器測試是否可以周期輸出尖銳的相關峰驗證頻率源模塊性能。

13位巴克碼已調(diào)波形時域圖如圖11所示。

圖11 13位巴克碼已調(diào)波形時域圖

偽碼已調(diào)波經(jīng)數(shù)字相關器相關處理后產(chǎn)生尖銳的相關峰,如圖12所示。

圖12 偽碼相關峰

經(jīng)測試證明小型實時可配置高速偽碼調(diào)制頻率源滿足偽碼引信使用需求。

3.2 無人機掛飛試驗驗證

小型實時可配置高速偽碼調(diào)制頻率源與射頻前端模塊及編碼/控制模塊、信號處理模塊組裝成偽碼引信產(chǎn)品后,進行無人機掛飛試驗驗證。

試驗平臺包括無人機、高精度差分GPS系統(tǒng)(高度精度≤0.1 m)、遙測發(fā)射系統(tǒng)和鋰電池等。

試驗方法為通過網(wǎng)線標定差分GPS系統(tǒng),設定引信在預訂高度開機工作,通過地面遙測站可實時監(jiān)測到產(chǎn)品的遙測參數(shù),包括差分GPS高度值、產(chǎn)品測高高度值和裝定高度輸出。

傳統(tǒng)的偽碼引信采用固定碼字進行調(diào)制,所以存在固定探測盲區(qū),測距性能半實物仿真結(jié)果如圖13所示。

圖13 傳統(tǒng)偽碼引信測距性能半實物仿真結(jié)果

半實物仿真結(jié)果表明,傳統(tǒng)的固定碼測距偽碼引信最近距離大概在45 m左右。

使用小型實時可配置高速偽碼調(diào)制頻率源的偽碼引信由于可以根據(jù)不同的距離實時改變偽碼序列的碼長,所以可以使用長碼進行遠距離探測,使用短碼進行近距離探測,可以探測到更近的距離,無人機掛飛結(jié)果如圖14所示。

由圖14可知,引信從預定高度處開機工作進行連續(xù)測距,最近距離可以探測到15 m左右,測高曲線如圖中所示,與差分GPS輸出高度值相比較,測距精度小于等于1 m。與傳統(tǒng)的固定碼測距偽碼引信相比較,最近距離減小了30 m左右。證明小型實時可配置高速偽碼調(diào)制頻率源在不影響遠距離探測的情況下可有效拓展近距離探測范圍,該頻率源可以應用于各種偽碼引信。

4 結(jié)論

本文提出偽碼引信小型實時可配置高速偽碼調(diào)制頻率源。該頻率源采用可配置寬帶鎖相環(huán)和高速乘法器實現(xiàn)實時載頻和碼型可變偽碼調(diào)制功能,配置時間小于30 μs;采用裸芯和SIP工藝將芯片集成到4 mm×4 mm×1 mm的QFN封裝內(nèi),實現(xiàn)了小型化設計。該頻率源與數(shù)字相關器配合使用,在引信由遠及近探測時,依據(jù)探測距離、干擾情況可實時改變載波頻率和偽碼長度,可有效提高引信的抗干擾能力,拓展引信近距離探測范圍。對頻率源模塊進行了實驗室測試驗證和無人機掛飛試驗。測試和試驗結(jié)果表明,該頻率源能夠有效解決當前傳統(tǒng)偽碼調(diào)制頻率源難以實現(xiàn)小型化、載頻和碼型固定的問題,可有效提高引信的抗干擾和近距離探測能力,引信最近距離可以減小30 m左右,探測精度優(yōu)于1 m。