基于時(shí)頻分析的引信模擬器系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

袁漢欽 吉禮超

(海軍駐景德鎮(zhèn)地區(qū)航空代表室1) 景德鎮(zhèn) 333001)

(海軍駐航空科技集團(tuán)公司代表室2) 成都 610100)

基于時(shí)頻分析的引信模擬器系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

袁漢欽1)吉禮超2)

(海軍駐景德鎮(zhèn)地區(qū)航空代表室1)景德鎮(zhèn) 333001)

(海軍駐航空科技集團(tuán)公司代表室2)成都 610100)

提出了基于時(shí)頻分析的新型調(diào)頻引信模擬器的硬件設(shè)計(jì)方案,以DSP系統(tǒng)為核心構(gòu)建了時(shí)頻分析算法實(shí)現(xiàn)的硬件平臺(tái),重點(diǎn)就調(diào)制電路,濾波電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)仿真。

時(shí)頻分析;引信;DSP

Class NumberTN911.7

1 引言

在傳統(tǒng)引信信號(hào)處理中,人們分析和處理信號(hào)的方法是傅立葉變換。但是,傅立葉變換是一個(gè)整體變換,在整體上將信號(hào)分解為不同頻率分量,對(duì)信號(hào)的表征要么完全在時(shí)域,要么完全在頻域,作為頻域表征的功率譜,不能告訴我們某種頻率分量出現(xiàn)在什么時(shí)間及其變化情況。然而在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合中,引信的差頻信號(hào)都是非平穩(wěn)信號(hào)。其統(tǒng)計(jì)量是一個(gè)時(shí)變函數(shù),對(duì)信號(hào)進(jìn)行單一時(shí)域或頻域分析不能滿足實(shí)際處理的需要,這時(shí)最希望得到的是信號(hào)頻譜隨時(shí)間的變化情況。鑒于此本文將時(shí)頻分析的方法應(yīng)用于新型引信的信號(hào)處理設(shè)計(jì)。

2 引信模擬器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

用硬件實(shí)現(xiàn)的基于時(shí)頻分析的引信模擬器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖2 基于時(shí)頻分析的定距算法流程圖

圖1中各組成部分的功能說(shuō)明:調(diào)制電路產(chǎn)生三角波作為壓控振蕩器的輸入得到三角波調(diào)制的發(fā)射信號(hào),一部分通過(guò)發(fā)射天線發(fā)射出去,另一部分作為本振與接收天線接收的信號(hào)混頻,經(jīng)過(guò)放大濾波,濾除直流分量和高頻分量后得到差頻信號(hào),通過(guò)AD轉(zhuǎn)化后交由DSP芯片處理,當(dāng)判斷目標(biāo)在起爆范圍之內(nèi)后,給出脈沖信號(hào),啟動(dòng)點(diǎn)火裝置。

DSP模塊完成對(duì)目標(biāo)距離的判斷,其信號(hào)流程圖如圖2所示。

3 調(diào)制電路的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用三角波線性調(diào)制,在調(diào)制器設(shè)計(jì)中主要用到兩個(gè)芯片ICL8038和LM317。其功能圖如下所示:

圖3 三角波信號(hào)產(chǎn)生電路

ICL8038是一款單片集成電路,其功能為產(chǎn)生正弦波,方波,三角波,鋸齒波以及脈沖的高精度信號(hào)發(fā)生器。它具有高保真,高線性較大的頻率范圍以及能夠同時(shí)輸出正弦波,方波,三角波等特點(diǎn)。

LM317是一款單片集成電路,如圖 3所示。其功能為三端口可調(diào)正電壓校準(zhǔn)器,支持高于1.5A負(fù)載電流,輸出電壓可調(diào),范圍在1.2V～37V之間。它提供內(nèi)部限流,過(guò)熱保護(hù)以及安全范圍內(nèi)的補(bǔ)償[1]。

通過(guò)對(duì)上述兩款芯片的功能利用,設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的三角波產(chǎn)生電路如圖3所示。

在圖3中,ICL8038的10和11腳間連接一個(gè)外加電容,通過(guò)對(duì)電容C的充放電,電容C兩端的電壓線性增加或線性減小,由于充放電時(shí)間相同,從而產(chǎn)生對(duì)稱的線性三角波。控制開(kāi)關(guān)的觸發(fā)器產(chǎn)生方波。通過(guò)調(diào)整R1的阻值來(lái)控制LM317的可調(diào)電流,從而使得其輸出電壓可調(diào),作為ICL8038的輸入電壓從引腳6輸入。產(chǎn)生的三角波由ICL8038的引腳3輸出作為壓控振蕩器的輸入電壓。

4 帶通濾波器的設(shè)計(jì)

混頻器混頻后的信號(hào)即包括有用的差頻信號(hào),還包括直流分量和高頻干擾,因此在信號(hào)處理之前要進(jìn)行濾波得到有用的差頻信號(hào)。我們?cè)O(shè)計(jì)的引信模擬器作用范圍為 10m～20m,調(diào)制頻率為2kHz,最大頻偏為5MHz,因此帶通濾波器的指標(biāo)要求是通帶為600kHz～1000kHz,通帶衰減容限為小于1dB,阻帶抑制為大于16dB/倍頻程,增益大于20dB。

由于上截止頻率和下截止頻率之比遠(yuǎn)大于一個(gè)倍頻程,因此該設(shè)計(jì)可以用低通濾波器和高通濾波器級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)。頻率響應(yīng)指標(biāo)被分解為單獨(dú)的低通和高通設(shè)計(jì)。本文中采用一個(gè)600kHz高通濾波器和一個(gè)1000kHz低通濾波器組成帶通濾波器來(lái)提取差頻信號(hào)。

該濾波電路設(shè)計(jì)中采用的運(yùn)算放大器是MCP602,MCP602是Microchip公司的2.7V～5.5V單電源CMOS雙運(yùn)算放大器[3]。該器件采用先進(jìn)的CMOS技術(shù),有偏置電流低、靜態(tài)電流消耗少、運(yùn)行速度快、開(kāi)環(huán)增益高以及滿幅輸出等特點(diǎn)。

為了減少輸入偏置電流及其漂移對(duì)電路的影響 ,應(yīng)使:

根據(jù)上面的式子聯(lián)立求解可以計(jì)算得

設(shè)計(jì)的低通濾波電路和高通濾波電路級(jí)聯(lián)即可實(shí)現(xiàn)要求的帶通濾波電路,帶通濾波電路如圖4所示[3]。

圖4 帶通濾波器電路

最后組成的帶通濾波器的幅頻響應(yīng)如圖5所示。從圖中看出濾波器的通帶滿足設(shè)計(jì)需求。

5 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

A/D電路用來(lái)完成對(duì)差頻信號(hào)的采樣,并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)處理交給DSP進(jìn)行處理。圖6為從混頻器輸出的信號(hào)到DSP經(jīng)過(guò)的幾個(gè)階段。

圖5 帶通濾波器幅頻特性

在模擬引信系統(tǒng)中選用的ADC為MAX1426。這是一種單片集成的10位 ∑-ΔADC,內(nèi)部集成了采樣/保持放大電路,極大地減少了外圍器件的數(shù)目。內(nèi)部提供+2.5V電壓基準(zhǔn),也可采用外部提供電壓基準(zhǔn)的方式。它的輸入帶寬高達(dá)150MHz,轉(zhuǎn)換率可從0.1MHz～10MHz,在轉(zhuǎn)換率為2MHz時(shí),信噪比高達(dá)61dB,即模擬電壓采樣誤差可以達(dá)到0.1%以下(絕對(duì)誤差為±LSB)。MAX1426的輸入采樣電壓范圍為-2V～+2V,數(shù)字部分既可采用5V電源,也可用3.3V電源,輸出數(shù)據(jù)為2的補(bǔ)碼形式,可以很方便地與各種電平邏輯的處理器連接而無(wú)需電平轉(zhuǎn)換。

圖6 A/D電路流程圖

因?yàn)椴蓸拥乃俾矢哌_(dá) 2MHz,若頻繁的中斷DSP則會(huì)造成處理器處理時(shí)間的大量浪費(fèi),所以,對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的緩沖就顯得十分必要。將采樣的數(shù)據(jù)先送往FIFO暫存,然后再集中交給DSP處理。這樣就可以有效地節(jié)省DSP的處理時(shí)間。而且,利用FIFO的讀使能和寫(xiě)使能可以控制對(duì)ADC采樣數(shù)據(jù)的保存和讀取。

本系統(tǒng)采用的FIFO器件是CY7C429,該器件是一種2K×9的先進(jìn)先出存儲(chǔ)器。因?yàn)锳DC的輸出數(shù)據(jù)是10位的,所以CY7C429的位寬不夠,要用兩個(gè)CY7C429并聯(lián)。兩個(gè)FIFO并聯(lián)的電路圖如圖7所示[4]。

圖7 FIFO并聯(lián)電路

CY7C429使用的是5V電源,于是前面說(shuō)的ADC芯片MAX1426的數(shù)字部分也采用5V供電。

利用FIFO的R(讀使能)和W(寫(xiě)使能)當(dāng)引腳,可以用兩個(gè)就緒信號(hào)來(lái)控制采樣數(shù)據(jù)的存入和讀取。這樣,可以保證只有當(dāng)DSP處理完目前的工作并準(zhǔn)備就緒后,FIFO才能向DSP送入下一組數(shù)據(jù);當(dāng)DSP讀取完FIFO中所有的數(shù)據(jù)后,再發(fā)一個(gè)信號(hào),啟動(dòng)ADC向FIFO寫(xiě)數(shù)。這兩個(gè)就緒信號(hào)是由CPLD譯碼產(chǎn)生的,當(dāng)DSP芯片對(duì)I/O中的FIFO地址進(jìn)行讀操作時(shí),CPLD對(duì)地址譯碼,與DSP芯片的讀寫(xiě)(R/W#)信號(hào)、I/O空間選擇信號(hào)(IS)相或,并檢測(cè)FIFO的數(shù)據(jù)滿信號(hào),若FIFO的數(shù)據(jù)已滿,則產(chǎn)生 FIFO的讀信號(hào),如FIFO中的數(shù)據(jù)還未滿,則給 DSP芯片發(fā)等待信號(hào)。

6 信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)

我們選擇 TI(Texas Instruments)公司推出TMS320F2812DSP芯片來(lái)完成我們對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)處理,它提供了強(qiáng)大的計(jì)算能力,集控制器和高性能DSP的特點(diǎn)于一身,是工業(yè)界首批32位內(nèi)含閃存以及高達(dá)150MIPS的DSP。圖8為CPU的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

在較高信噪比情況下,可以通過(guò) WVD最大值法完成差頻信號(hào)瞬時(shí)頻率的精確估計(jì),因此我們?cè)诖擞懻揥VD算法的 DSP實(shí)現(xiàn)[5]。

對(duì)于輸入無(wú)限長(zhǎng)信號(hào),不能直接進(jìn)行計(jì)算,對(duì)信號(hào)進(jìn)行離散化加窗后才能用于實(shí)時(shí)的處理。若我們想求t=ta時(shí)的WVD,則可利用h(t)對(duì)x(t)截短。所以在這里采用的是偽WVD算法。連續(xù)的WVD的算法如式(14)。令采樣頻率為 fs,t=n/fs,τ=2k/fs,對(duì)頻率離散化 ωm=mπ/M,即一個(gè)周期內(nèi)取M點(diǎn),窗函數(shù)為h(t),時(shí)域和頻域離散化的PWVD算法為:

圖8 DSP運(yùn)算單元結(jié)構(gòu)

當(dāng)我們用窗函數(shù)h(t)在時(shí)間軸上對(duì) x(t)作一段一段的截短時(shí),可以把截的每一段都移到時(shí)間軸的起點(diǎn),即 t=0,令g(k)=x(k)x*(k)h(k)h(-k)

式(13)時(shí)域和頻域都是離散的,可以用DFT來(lái)實(shí)現(xiàn)。做DF T時(shí),還應(yīng)將時(shí)域下標(biāo)由k=-L,…,L,移為 k=0,1,…,2L+1,具體辦法是:令移位后的序列為 g′(k)

式中M=2L+2,為了利用FFT,M可取大于2L+2時(shí)的2的整數(shù)次冪,這時(shí)要在式(14)中間補(bǔ)零。將式(14)代入式(13),得

圖9 WVD算法的實(shí)現(xiàn)步驟

7 結(jié)語(yǔ)

本文提出了基于時(shí)頻分析的模擬引信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,并設(shè)計(jì)了調(diào)制電路以及提取差頻信號(hào)的帶通濾波器,給出了信號(hào)Wigner-Ville分布的程序?qū)崿F(xiàn)算法及流程圖,討論了基于信號(hào)PWVD的信號(hào)瞬時(shí)頻率估計(jì)的DSP軟件實(shí)現(xiàn),完成了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)。

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Design of FMFuseSimulator System Based on Time-frequency Analysis

Yuan Hanqin1)Ji Lichao2)
(Aviation Military Representative Office of Navy in Jingdezhen1),Jingdezhen 333001)
(Aviation Military Representative Office of Navy in Aviation Technology Group2),Chengdu 610100)

The article proposed the new FM fuse simulator hardware design which make DSP system as the core to build a time-frequency analysis algorithm hardware platform,designed the modulation circuit,as well as filter circuit.

time-frequency analysis,fuse,DSP

TN911.7

2010年8月15日,

2010年9月22日

袁漢欽,男,碩士研究生,助理工程師,研究方向:信號(hào)處理。