基于DRFM的通用无线电高度模拟装置的设计

李尚生，张 军，陈佳林

（海军航空工程学院电子信息工程系，山东烟台264001）

无线电高度模拟装置是无线电高度表测试设备的重要组成部分，用于高度表测试时模拟不同高度时的高度信号，满足不同的飞行高度对无线电高度表测试[1-2]需求。基本工作原理是：通过延时装置对无线电高度表发射信号进行延时，然后将延时后的信号再送到高度表接收端，来模拟地（海）面的高度表反射信号，延迟时间的大小代表了模拟高度的大小。传统的高度模拟装置[3-4]大多采用以下几种实现方式：①等效电缆箱实现方式。高度模拟装置用射频电缆实现，利用高度表发射信号在电缆中的传输代替在空间中的传输，为模拟不同的高度，采用多条射频电缆组合。该方案的优点是可以适用于任意体制和任意波段的无线电高度表，但体积大，特别是在高度模拟时，射频电缆长，电缆箱的体积和重量大，且由于电缆的长度固定，无法模拟高度的连续变化。②延迟线[5]实现方式。利用换能器将无线电高度表的输出无线电波转换为其他形式的能量（如声波），再利用声表面波延迟线进行延时，经延时后声波再由换能器转换为无线电波。利用声波延时代替无线电波在电缆中的延时，可以大大降低体积和重量，但仍然无法模拟高度的连续变化。③光纤循环延时实现方式。利用换能器将高度表的无线电波转换为光波，再利用光纤进行循环延时，延时后的光波再由换能器转换为无线电波。这不但降低了体积和重量，而且可以通过控制循环延时的次数，改变模拟高度的数值，但只能实现高度的固定变化，无法模拟高度的连续变化，且与等效电缆箱和声表面波延迟线实现方式一样。由于是直接将高度表输出信号进行延时，无法在高度信号上叠加其他信息，也就无法模拟对高度表的各类干扰信号。

由于传统的无线电高度模拟装置无法实现模拟高度的连续变化和各类干扰信息的叠加，不能满足高度表技术发展对高度模拟装置的技术需求，迫切需要研制一种适应新型高度表测试需求的高性能通用高度模拟装置。

1 高度表信号特征分析

机载和弹载无线电高度表一般工作在线性调频方式，线性调频信号的复数表达式可表示为：

式（1）、（2）中：u(t)为信号复包络；T为脉宽；K为频率变化斜率，且，B为频率变化范围。信号的瞬时频率为：

线性调频信号的波形图如图1所示。

u(t)经傅里叶变换，可得其频谱：

式（4）中：c(v)、s(v)为菲涅耳积分，

当BT≥1时，

其频谱如图2所示。

图2 线性调频信号的频谱

2 数字射频存储技术

为保持高度表信号的相位信息，无线电高度模拟装置采用数字射频存储（DRFM）技术[6-7]。DRFM方法最初应用于电子战领域，用于产生对脉冲雷达的假目标等欺骗干扰，近年来在军事领域中得到了广泛的应用[8-9]，其基本思想是：首先，将输入射频信号下变频到基带信号；然后，通过A/D 转换器将基带信号转换为数字信号储存在存储器内，由延时控制器控制读出存储器内的数据；再由D/A 恢复为基带信号，经上变频器将基带信号转换为射频信号输出[10-11]，原理框图如图3所示。

图3 DRFM方案原理框图

根据奈奎斯特采样定理，若A/D转换器的采样速率fS不低于基带信号x(t)频率fH的2 倍，则采样信号x(n)=x(nTS)（其中TS=1/fS为采样间隔）将包含原信号x(t)的所有信息。再经D/A转换器恢复后的信号和原输入信号x(t)的相位信息和频率信息相同，经上变频器恢复为射频信号。由于输出端的上变频器和输入端的下变频器采用同一个本振，输出射频信号与输入射频信号具有相同的频率和相位信息，只是在时间上有一个延迟。延迟时间通过控制数据存储器数据读出的时间改变，可以实现延迟时间的连续可调变化。

3 基于DRFM的无线电高度模拟装置设计

3.1 总体组成框图

模拟装置采用DRFM 电路，并配以外部主控部件、供电设备和程控设备等，总体框图如图4所示。

DRFM 电路是模拟装置的核心，由程控本振、上变频器、下变频器、低通滤波器、A/D转换器、D/A转换器、数据存储器、存储控制器和干扰调制器等组成。

通过控制本振信号的频率可以改变高度模拟装置的工作频率。控制数据存储器内数据写入和读出的时间间隔可以控制模拟高度的大小，模拟装置的工作频率和模拟高度由主控制器根据模拟装置的工作状态设定。

图4 模拟装置总体框图

3.2 采样数据循环存储技术

DRFM 技术最早应用于脉冲雷达信号的模拟，在脉冲持续期间，将雷达发射信号进行采样存储，经延时后再还原成高频信号。而无线电高度表工作在调频连续波状态，将DRFM 技术应用于高度信号模拟，必须首先解决用有限容量的数据存储器存储连续波采样信号的问题[12]。

一个有效的解决方法就是采用循环存储技术[13]，将连续采样数据循环存入数据存储器，如图5所示。

图5 循环存储原理示意图

图5 a）表明电路由ADC、DAC、双端口RAM、写地址产生电路、读地址产生电路、写清零定时器和可控延时电路等组成。电路处于连续工作状态时，输入信号经过ADC转换为数字信号，在写地址产生电路的控制下，从左端口顺序循环存入同步双端口RAM。由于数据的存入是顺序循环进行的，电路可以连续采样并存储采样数据。被存储数据在读地址产生电路的控制下，从同步双端口RAM 的右端口依次读出数据，送给DAC恢复为模拟信号。写清零定时器按周期T给写地址产生电路送出清零脉冲，使双端口RAM左端口的数据从0地址开始写入。同时该清零脉冲通过可控延时电路进行延时后，向读地址产生电路提供清零脉冲，使双端口RAM的右端口从0地址开始顺序读出数据。可控延时电路控制2个清零脉冲之间的时间间隔，该时间间隔可以通过延时设置进行修改。显然，2 个清零脉冲之间的时间差就是输出信号相对输入信号的时间差，决定了高度信号的模拟高度的大小，见图5 b）。这样不但解决了用有限容量的数据存储器存储连续采样数据的问题，而且通过改变可控延时电路的延时设置，改变输入输出数据时间间隔，控制模拟高度的连续变化。

为了保证整个电路工作时不发生时间混淆，双端口RAM 的容量应大于循环存储周期T时间内的采样数据量T/Δt（Δt为采样周期），且最大延迟时间应小于循环存储周期，即τmax≤T。

3.3 可控延时电路设计

输入输出数据的时间间隔取决于2个清零脉冲之间的时间延迟，因而高度模拟装置模拟高度的大小和精度由2 个清零脉冲之间延迟时间的大小和精度决定。为了满足模拟高度的大范围和高精度的要求，采用将延迟量分为高位和低位分别实现的方案。

同步双口存储器由超高速集成电路硬件描述语言（VHDL）描述，写清零定时器产生的清零脉冲将通过可控延迟电路进行延时。为了满足延迟时间大范围、高精度的要求，通过直接采样法实现脉冲信号大范围可控延迟（对应延迟量高位）；用Analog Device公司生产的数字可编程延时器AD9501实现脉冲信号的精确延迟（对应延迟量低位）。因为延迟后的输出脉冲宽度一般和输入的不一致，所以最后通过AD9501对输出信号脉宽进行精确调整，用VHDL对复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）编程。可控延迟电路结构如图6所示。

图6 可控延时电路

4 结束语

利用DRFM 能够完整保留输入信号频率和相位等细微特征的技术优势，将DRFM技术应用于无线电高度表高度信号的模拟，解决了传统的高度模拟装置中模拟高度不能连续可调等制约高度表测试的一系列技术难题。另外，DRFM技术将输入信号转换为数字量进行存储和延时，可以利用数字信号处理理论与方法，将各类干扰信号产生、假目标生成等技术应用于高度信号模拟，实现高度模拟装置的数字化、高精度和叠加各类干扰信息，提高高度模拟装置的通用性和可扩展性，满足弹载和机载无线电高度表测试要求，特别适用于在通用自动化检测设备中应用。

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