伪码引信小型实时可配置高速伪码调制频率源

徐利平,王大鹏,许嘉晨,文 帅

(西安机电信息技术研究所,陕西 西安 710065)

0 引言

现代和未来战争是复杂电磁环境下的大纵深立体战,对引信的小型化和抗干扰性能提出了更高要求。脉冲体制测距具有测距精度高,抗干扰性能好等特点;伪随机码具有极强的自相关性,码的参数可以按指令而改变,可有效地解决抗干扰问题,提高引信与战斗部的配合,增强引信的抗干扰能力[1-3]。伪码测高引信一般采用单天线收发一体、脉冲工作体制,即发射伪码信号时关闭接收通道,接收回波信号时关闭发射通道,来减小发射通道到接收通道的能量,减小对接收的干扰[4]。伪码调制频率源位于发射通道,用于产生伪码中频调制信号,然后上变频到射频,通过发射支路功率放大后由天线发射出去,所以伪码调制频率源是发射通道的核心部件。

传统的伪码调制频率源一般采用声表面波抽头延迟线或DDS等方式实现。文献[5]中采用声表面波器件作为引信的伪码调制源。文献[6]介绍了一种伪码调制器,该调制器由声表面波抽头延迟线实现,把输出换能器的叉指电极与汇流条采用不同的连接方式,就可得到不同的编码,在输入换能器上加上一个冲击信号,就可在输出端得到对应的冲击响应。对抽头延迟线按照一定的要求进行编码,可产生对应的调制信号。但是此方法虽然可产生伪随机编码信号,但是声表面波器件插损大,输出信号中心频率低,后续需要多级放大滤波链路补偿和变频处理,不利于伪码引信小型化设计。文献[7—9]中介绍的基于DDS原理的BPSK调制器,具有现场可编程、灵活的优点,但是根据奈奎斯特定理,由于时钟频率的限制,输出频率不大于70 MHz,考虑到选频滤波器的非理想性,需要经过多次上变频才能到微波或毫米波波段,不利于引信小型化设计。文献[10]介绍了一种采用锁相环和双平衡混频器,锁相环提供本振信号,双平衡混频器实现BPSK调制功能,该调制器采用单端调制,即调制信号为高电平时,射频信号输出与本振信号同相位,调制信号为低电平时,射频信号输出为本振信号相位翻转180°。在脉冲工作环境下,单端调制不利于发射脉冲形成,通常情况下需要外加射频开关成形,在高码速率情况下,对射频开关的打开和关断时间要求高。针对以上问题,本文提出伪码引信小型实时可配置高速伪码调制频率源。

1 传统伪码调制方法

传统伪码引信伪码调制频率源如图1所示。伪码引信采用脉冲测距原理,宽波束单天线收发分时复用。发射通道中,在中频进行0/π调制,然后上变频到射频,经功放由天线发射出去,然后转入接收状态,回波信号经天线、T/R开关,低噪放后下变频到中频,然后在中频进行相关处理,最后由信号处理器计算出回波的延时并得出高度信息。

图1 声表面波伪码调制源

传统伪码引信伪码调制源采用声表面波器件实现。声表面波调制器由输入换能器、输出换能器组成。换能器的作用是完成声能量和电能量之间的相互转换。当交流电信号到达输入换能器时,换能器的压电材料由于压电效应产生机械振动,进而激励出声表面波,声表面波在压电材料表面传播,当到达输出换能器时,声波将转换为电信号输出。输入换能器和输出换能器的电极采用叉指空间周期分布方式,叉指换能器的声同步频率取决于电极排列的空间周期,工作带宽取决于电极的数目。因此,声表面波器件的冲击响应与其几何结构之间有着简单的对应关系。当叉指换能器输入一个冲击电压时,换能器所激发的声信号是一个正弦波串,它的持续时间等于声波在换能器上的渡越时间;它所包含的周期数等于换能器所具有的叉指对数目,并且一一对应;它的指条重叠包络与其冲击响应的包络一一对应的。所以,为了获得不同的编码,需要设计出对应不同的叉指图形换能器,通过叉指对与汇流条的不同连接方式即可获得不同的编码。

图1中所示的声表面波伪码调制源的工作原理为:编码/控制器产生发射控制信号,激发冲击信号源产生冲击信号输入到声表面波编码器,声表面波伪码调制器器的输入换能器激发出一串对应的声信号,可在输出端得到一个冲击响应为固定载波、固定编码的伪码已调信号。

通过以上分析可知,声表面波伪码调制源具有处理速度快、设计原理简单、一致性好、易于大量生产的特点,但是由于材料的固有属性,通常声表面波伪码调制器的插损很大,输入冲击信号的能量有限,所以输出的信号需要经过多级放大、滤波处理,集成度不高,导致实际工程可用的调制源体积并不小,不利于弹载设备使用。另外在现代战场复杂电磁环境下,对引信的抗干扰性和可靠性提出了新的要求,所以对伪码引信而言,要求载波和编码实时可调整,这是声表面波伪码调制源难以完成的。

2 小型实时可配置高速伪码调制频率源

为了解决伪码引信小型化设计、码型实时可变需求与传统伪码调制频率源集成度不高、码型固定不变之间的矛盾,提出小型实时可配置高速伪码调制频率源,原理图如图2所示。频率源包括高速乘法器和宽带锁相环。

图2 小型实时可配置高速伪码调制频率源

与图1传统固定载波和固定编码的伪码调制方法比较,小型实时可配置高速伪码调制频率源采用宽带可配置锁相环产生载波信号,伪码引信可根据使用需求实时配置载波的频率,宽带锁相环的配置端口为三线SPI端口,锁定时间小于30 μs,满足引信实时可配置需求。编码/控制器根据不同的探测高度、不同的干扰环境实时产生不同的伪随机码,伪码调制功能由高速乘法器完成。

载波频率源采用宽带锁相环架构,原理架构如图3所示。锁相环由M分频器、N分频器、VCO、环路滤波器、鉴相器、输出P分频器等部分组成。参考频率经M分频后与VCO输出信号经N分频后的信号进行鉴相,输出误差信号并经过环路滤波器后形成近似直流电压的信号,进而控制VCO的输出频率。锁相环是一个逐渐递进的负反馈过程,当N和M分频器的输出相位误差小到可以忽略的时候,最终低通滤波器输出一个稳定的直流电压,VCO输出一个稳定的频率,即环路锁定。VCO输出的信号经可配置P分频器分频后输出载波信号。

图3 载波源原理图

载波信号锁定时间如图4所示,锁定时间小于30 μs,在此期间弹丸下落的距离一般不超过3 cm,小于引信的距离分辨率要求,满足伪码引信高速实时配置需求。

图4 锁定仿真曲线

载波信号相位噪声仿真曲线如图5所示,能够实现-95 dBc/Hz@1 kHz的相位噪声,低杂散等功能。载波信号输入到调制器进行伪码相位调制。伪码由编码/控制器实时产生,伪码可根据不同使用环境实时改变。

图5 相位噪声仿真曲线

调制器由乘法器实现,输入的伪随机编码调制信号为差分信号,即M+和M-,M+为差分信号输入正端,M-为差分信号输入负端。通过两个三极管对组成的差分比例放大电路实现输出信号的正负变化,差分比例放大器输出信号U0如下:

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

(1)

式(1)中,k为常数,表示差分放大器增益。当M+为1,M-为0时,U0=k;反之,U0为-k;当M+和M-均为1或0时,U0=0。基于此原理,即可实现调制信号的正负变化,同时输入调制信号为同相时,调制信号为0,起到载波抑制作用。

调制器采用乘法器实现电路功能,伪码调制原理如式(2)、式(3)所示:

URF=U0·ULO=k((M+)-(M-))·ULO,

(2)

URF为乘法器输出的调制信号,ULO为载波信号,假如载波信号ULO=Acosωt,则

URF=U0·ULO=k((M+)-(M-))·Acosωt。

(3)

当M+为1,M-为0时:URF=Akcosωt;

当M+为0,M-为1时:URF=-Akcoswt=Akcos(ωt+π);

当M+为1,M-为1时:URF=0;

当M+为0,M-为0时:URF=0;

从而,实现了载波信号0°～180°的伪码调相功能。

为了实现频率源小型化,锁相环、乘法器等芯片均采用裸片,采用SIP工艺将锁相环、环路滤波器和乘法器等集成到一个芯片内,外封装采用耐高温绝缘塑封材料实现封装,芯片尺寸为4 mm×4 mm×1 mm,原理架构图和封装图如图6所示,满足伪码引信小型化设计需求。与现有分立器件相比,节省了外围分立电路,特别适合引信的需求。

3 测试验证

3.1 小型实时可配置高速伪码调制频率源模块测试验证

测试平台包括稳压电源、微波信号源、编码器、高频示波器、频谱分析仪、数字相关器、数据采集器和同轴电缆等。

载波测试方法如图7所示。用微波信号源产生参考信号输入到频率源模块,编码器输出的M+为高电平,M-为低电平,则频率源模块产生本振信号,用频谱仪测试载波信号的各项参数。

图7 载波测试方法

经测试,频率源输出信号如图8所示,载波信号杂散可以抑制到60 dBc以下。

相位噪声测试如图9所示,实测典型值为-130 dBc/Hz@10 kHz。

图9 载波相位噪声测试

经测试,本振各项参数满足工程使用需求。

伪码调制测试方法如图10所示。

用编码器产生高速伪码差分信号输入到频率源模块,频率源模块产生周期伪码已调信号,将已调信号输入到数字相关器,用高频示波器测试是否可以周期输出尖锐的相关峰验证频率源模块性能。

13位巴克码已调波形时域图如图11所示。

图11 13位巴克码已调波形时域图

伪码已调波经数字相关器相关处理后产生尖锐的相关峰,如图12所示。

图12 伪码相关峰

经测试证明小型实时可配置高速伪码调制频率源满足伪码引信使用需求。

3.2 无人机挂飞试验验证

小型实时可配置高速伪码调制频率源与射频前端模块及编码/控制模块、信号处理模块组装成伪码引信产品后,进行无人机挂飞试验验证。

试验平台包括无人机、高精度差分GPS系统(高度精度≤0.1 m)、遥测发射系统和锂电池等。

试验方法为通过网线标定差分GPS系统,设定引信在预订高度开机工作,通过地面遥测站可实时监测到产品的遥测参数,包括差分GPS高度值、产品测高高度值和装定高度输出。

传统的伪码引信采用固定码字进行调制,所以存在固定探测盲区,测距性能半实物仿真结果如图13所示。

图13 传统伪码引信测距性能半实物仿真结果

半实物仿真结果表明,传统的固定码测距伪码引信最近距离大概在45 m左右。

使用小型实时可配置高速伪码调制频率源的伪码引信由于可以根据不同的距离实时改变伪码序列的码长,所以可以使用长码进行远距离探测,使用短码进行近距离探测,可以探测到更近的距离,无人机挂飞结果如图14所示。

由图14可知,引信从预定高度处开机工作进行连续测距,最近距离可以探测到15 m左右,测高曲线如图中所示,与差分GPS输出高度值相比较,测距精度小于等于1 m。与传统的固定码测距伪码引信相比较,最近距离减小了30 m左右。证明小型实时可配置高速伪码调制频率源在不影响远距离探测的情况下可有效拓展近距离探测范围,该频率源可以应用于各种伪码引信。

4 结论

本文提出伪码引信小型实时可配置高速伪码调制频率源。该频率源采用可配置宽带锁相环和高速乘法器实现实时载频和码型可变伪码调制功能,配置时间小于30 μs;采用裸芯和SIP工艺将芯片集成到4 mm×4 mm×1 mm的QFN封装内,实现了小型化设计。该频率源与数字相关器配合使用,在引信由远及近探测时,依据探测距离、干扰情况可实时改变载波频率和伪码长度,可有效提高引信的抗干扰能力,拓展引信近距离探测范围。对频率源模块进行了实验室测试验证和无人机挂飞试验。测试和试验结果表明,该频率源能够有效解决当前传统伪码调制频率源难以实现小型化、载频和码型固定的问题,可有效提高引信的抗干扰和近距离探测能力,引信最近距离可以减小30 m左右,探测精度优于1 m。