一種多普勒頻移模擬器的研制

沈波　熊啟迪

摘 要

本文闡述了一種Ku波段多普勒頻移模擬器的設計方案，輸入信號經多次變頻，通過DDS實現精確的動目標多普勒效應頻移信號。可完成多普勒導航雷達進行地面模擬測試。

【關鍵詞】多普勒頻移 多普勒導航 DDS

1 引言

多普勒效應是指當發射源與接收者之間有相對徑向運動時，接收到的信號頻率將發生變化，該變化量稱為多普勒頻移值。多普勒導航雷達正是利用這一特性進行自身速度的測試的導航雷達。

目前國內外常見的多普勒導航雷達一般工作在Ku波段，通過測試四個不同方向的波束分時工作得到不同的多普勒頻移值，進而解算出自身三軸向速度。在雷達性能測試時，需要根據給定速度值，產生相應的多普勒頻移，并將其調制到雷達發射信號上反饋給雷達，雷達接收到信號后進行解調，最后測量出多普勒頻移值，并根據頻移值計算出速度。

本文介紹一種基于直接數字頻率合成（DDS）的多普勒頻移模擬器，可以實現對多普勒測速雷達性能進行測試，實現飛行模擬。DDS作為新一代頻率合成技術，具備輸出頻率分辨率高、頻率切換速度快，相位變化連續以及數字化可控等優點。

2 模擬器的功能要求

2.1 產生連續可變的多普勒頻偏

根據多普勒效應，不同波束指向，多普勒頻移值不同，其與雷達俯仰角、滾動角及波束指向角相關，且雷達前向波束對應頻差為正值，后向波束對應頻差為負。模擬器應根據不同波束指向，輸出不同頻率值，且其頻移精度直接影響雷達測速精度。

根據雷達的工作狀態，要求模擬器根據頻率為f1的輸入信號，產生頻率為f1±fD的輸出信號，其中0≤fD≤+20kHz，fD頻率精度≤1Hz。

2.2 產生功率可控的輸出信號

根據雷達工作動態范圍，模擬器具備1dB衰減步進、90dB衰減動態功率控制功能。

3 模擬器的構成及工作原理

3.1 模擬器的組成

模擬器由軟件控制及硬件平臺構成，其中軟件基于VB語言，讀取給定的三軸向速度及被測雷達波束指向角相關信息，計算出四波束對應多普勒頻移值。將該頻率值以串口的形式發送至本振源，控制DDS輸出頻率。同時接收雷達回饋信息、檢測雷達跟蹤狀態及輸出的速度信息，并與給定的速度信息進行比較，計算測速精度。根據給定飛行姿態計算出對應波束回波功率，并以此控制模擬器輸出功率，檢測雷達跟蹤狀態。

硬件主要由PIN開關，上下變頻器，本振源、延遲線、數控衰減器及工控機組成，如圖1所示，喇叭天線接收到待測雷達信號，經四波束PIN開關將分時工作的四通道信號合一，單刀雙擲開關將收發分離。

接收到的雷達信號進入下變頻器，經兩次變頻后產生中頻進行延遲處理，模擬回波返回時間。延遲后中頻信號經兩次上變頻后放大輸出，經數控衰減器（控制回波能量）進入四波束開關，經天線進入被測雷達接收機。

方案采用混頻的方式，使得接收到的脈沖信號產生頻偏，頻移值為多普勒頻移值。由于被測雷達與模擬器本振源的非相干性，二者頻率漂移量不可控，采用圖1所示漂移對效法，上下變頻中應用同一本振信號，能有效抵消因模擬器本振源的不穩定性而引入的頻率誤差，保證輸出頻移的精度。同時，在第二本振中加入多普勒頻偏，二者在在上下變頻中，第二本振誤差抵消的同時將其頻差帶入雷達發射信號中。

3.2 頻率轉換的具體實現及工作原理

模擬器的功能在于模擬雷達飛行中因多普勒效應而產生的頻率偏移，核心問題在于如何消除系統誤差，確保產生多普勒頻移的精度。因此變頻的實現方案對此至關重要。

本文采用圖2所示的方案確保輸出頻移的精確度。頻率為f0基準晶振經M次倍頻濾波后，產生頻率為Mf0的信號，放大功分后，作為上下變頻的第一本振信號。f0基準晶振經N次倍頻濾波后，產生頻率為Nf0的信號，作為下變頻第二本振信號。基準晶振進行P次倍頻后，作為DDS的參考基準信號，通過DDS頻率控制碼，使DDS輸出頻率為Nf0±fD，經低通濾波后，作為上變頻的本振信號。

整個系統應用一個基準晶振，保證其相干性，經過上下變頻的對消，輸出頻率為f1±fD，DDS輸出頻率的精度決定了頻移的精度。DDS與其他頻率合成技術相比較具有不可比擬的優點：（1）頻率分辨率高。現有工藝水平可以達到（?Hz級）；（2）頻率轉換速率快。DDS的頻率轉換速率是頻率控制字的傳輸時間和以低通濾波器為主的器件頻率響應時間之和，其轉換時間可達?s甚至ns級；（3）輸出相位連續。通過DDS可以有效的控制模擬器頻移值，并使其連續可變。

4 實驗驗證

通過本方案實現的多普勒雷達模擬器，與雷達對接后，實現了雷達的模擬測試功能，跟蹤誤差小于10Hz，測速精度遠大于雷達性能要求。且跟蹤速度連續可變，通過控制數控衰減器，有效實現雷達鎖定和丟失功能，滿足雷達靈敏度測試要求。

5 結束語

本文闡述了多普勒頻移模擬器的設計方案，通過上下變頻中本振頻率的差異使得Ku波段的接收信號產生頻偏，實現多普勒效應的模擬。該頻偏應用數字頻率合成器（DDS）產生，具有高分辨率，連續快速可變的特點。運用對消技術，消除了晶振長期頻率穩定度對輸出頻率精度的影響，保證模擬器測速精度的實現。通過實驗驗證，證明該方案滿足設計要求。

參考文獻

[1]夏永祥，郭德淳，于軍等.基于AD9858的快速捷變頻率合成器的設計[J].現代雷達，2005，27（7）：58-61.

[2]丁鷺飛，耿富錄.雷達原理（第二版）[M].西安：電子科技大學出版社，2002（06）.

作者單位

陜西長嶺電子科技有限責任公司 陜西省寶雞市 721006endprint

摘 要

本文闡述了一種Ku波段多普勒頻移模擬器的設計方案，輸入信號經多次變頻，通過DDS實現精確的動目標多普勒效應頻移信號。可完成多普勒導航雷達進行地面模擬測試。

【關鍵詞】多普勒頻移 多普勒導航 DDS

1 引言

多普勒效應是指當發射源與接收者之間有相對徑向運動時，接收到的信號頻率將發生變化，該變化量稱為多普勒頻移值。多普勒導航雷達正是利用這一特性進行自身速度的測試的導航雷達。

目前國內外常見的多普勒導航雷達一般工作在Ku波段，通過測試四個不同方向的波束分時工作得到不同的多普勒頻移值，進而解算出自身三軸向速度。在雷達性能測試時，需要根據給定速度值，產生相應的多普勒頻移，并將其調制到雷達發射信號上反饋給雷達，雷達接收到信號后進行解調，最后測量出多普勒頻移值，并根據頻移值計算出速度。

本文介紹一種基于直接數字頻率合成（DDS）的多普勒頻移模擬器，可以實現對多普勒測速雷達性能進行測試，實現飛行模擬。DDS作為新一代頻率合成技術，具備輸出頻率分辨率高、頻率切換速度快，相位變化連續以及數字化可控等優點。

2 模擬器的功能要求

2.1 產生連續可變的多普勒頻偏

根據多普勒效應，不同波束指向，多普勒頻移值不同，其與雷達俯仰角、滾動角及波束指向角相關，且雷達前向波束對應頻差為正值，后向波束對應頻差為負。模擬器應根據不同波束指向，輸出不同頻率值，且其頻移精度直接影響雷達測速精度。

根據雷達的工作狀態，要求模擬器根據頻率為f1的輸入信號，產生頻率為f1±fD的輸出信號，其中0≤fD≤+20kHz，fD頻率精度≤1Hz。

2.2 產生功率可控的輸出信號

根據雷達工作動態范圍，模擬器具備1dB衰減步進、90dB衰減動態功率控制功能。

3 模擬器的構成及工作原理

3.1 模擬器的組成

模擬器由軟件控制及硬件平臺構成，其中軟件基于VB語言，讀取給定的三軸向速度及被測雷達波束指向角相關信息，計算出四波束對應多普勒頻移值。將該頻率值以串口的形式發送至本振源，控制DDS輸出頻率。同時接收雷達回饋信息、檢測雷達跟蹤狀態及輸出的速度信息，并與給定的速度信息進行比較，計算測速精度。根據給定飛行姿態計算出對應波束回波功率，并以此控制模擬器輸出功率，檢測雷達跟蹤狀態。

硬件主要由PIN開關，上下變頻器，本振源、延遲線、數控衰減器及工控機組成，如圖1所示，喇叭天線接收到待測雷達信號，經四波束PIN開關將分時工作的四通道信號合一，單刀雙擲開關將收發分離。

接收到的雷達信號進入下變頻器，經兩次變頻后產生中頻進行延遲處理，模擬回波返回時間。延遲后中頻信號經兩次上變頻后放大輸出，經數控衰減器（控制回波能量）進入四波束開關，經天線進入被測雷達接收機。

方案采用混頻的方式，使得接收到的脈沖信號產生頻偏，頻移值為多普勒頻移值。由于被測雷達與模擬器本振源的非相干性，二者頻率漂移量不可控，采用圖1所示漂移對效法，上下變頻中應用同一本振信號，能有效抵消因模擬器本振源的不穩定性而引入的頻率誤差，保證輸出頻移的精度。同時，在第二本振中加入多普勒頻偏，二者在在上下變頻中，第二本振誤差抵消的同時將其頻差帶入雷達發射信號中。

3.2 頻率轉換的具體實現及工作原理

模擬器的功能在于模擬雷達飛行中因多普勒效應而產生的頻率偏移，核心問題在于如何消除系統誤差，確保產生多普勒頻移的精度。因此變頻的實現方案對此至關重要。

本文采用圖2所示的方案確保輸出頻移的精確度。頻率為f0基準晶振經M次倍頻濾波后，產生頻率為Mf0的信號，放大功分后，作為上下變頻的第一本振信號。f0基準晶振經N次倍頻濾波后，產生頻率為Nf0的信號，作為下變頻第二本振信號。基準晶振進行P次倍頻后，作為DDS的參考基準信號，通過DDS頻率控制碼，使DDS輸出頻率為Nf0±fD，經低通濾波后，作為上變頻的本振信號。

整個系統應用一個基準晶振，保證其相干性，經過上下變頻的對消，輸出頻率為f1±fD，DDS輸出頻率的精度決定了頻移的精度。DDS與其他頻率合成技術相比較具有不可比擬的優點：（1）頻率分辨率高。現有工藝水平可以達到（?Hz級）；（2）頻率轉換速率快。DDS的頻率轉換速率是頻率控制字的傳輸時間和以低通濾波器為主的器件頻率響應時間之和，其轉換時間可達?s甚至ns級；（3）輸出相位連續。通過DDS可以有效的控制模擬器頻移值，并使其連續可變。

4 實驗驗證

通過本方案實現的多普勒雷達模擬器，與雷達對接后，實現了雷達的模擬測試功能，跟蹤誤差小于10Hz，測速精度遠大于雷達性能要求。且跟蹤速度連續可變，通過控制數控衰減器，有效實現雷達鎖定和丟失功能，滿足雷達靈敏度測試要求。

5 結束語

本文闡述了多普勒頻移模擬器的設計方案，通過上下變頻中本振頻率的差異使得Ku波段的接收信號產生頻偏，實現多普勒效應的模擬。該頻偏應用數字頻率合成器（DDS）產生，具有高分辨率，連續快速可變的特點。運用對消技術，消除了晶振長期頻率穩定度對輸出頻率精度的影響，保證模擬器測速精度的實現。通過實驗驗證，證明該方案滿足設計要求。

參考文獻

[1]夏永祥，郭德淳，于軍等.基于AD9858的快速捷變頻率合成器的設計[J].現代雷達，2005，27（7）：58-61.

[2]丁鷺飛，耿富錄.雷達原理（第二版）[M].西安：電子科技大學出版社，2002（06）.

作者單位

陜西長嶺電子科技有限責任公司 陜西省寶雞市 721006endprint

摘 要

本文闡述了一種Ku波段多普勒頻移模擬器的設計方案，輸入信號經多次變頻，通過DDS實現精確的動目標多普勒效應頻移信號。可完成多普勒導航雷達進行地面模擬測試。

【關鍵詞】多普勒頻移 多普勒導航 DDS

1 引言

多普勒效應是指當發射源與接收者之間有相對徑向運動時，接收到的信號頻率將發生變化，該變化量稱為多普勒頻移值。多普勒導航雷達正是利用這一特性進行自身速度的測試的導航雷達。

目前國內外常見的多普勒導航雷達一般工作在Ku波段，通過測試四個不同方向的波束分時工作得到不同的多普勒頻移值，進而解算出自身三軸向速度。在雷達性能測試時，需要根據給定速度值，產生相應的多普勒頻移，并將其調制到雷達發射信號上反饋給雷達，雷達接收到信號后進行解調，最后測量出多普勒頻移值，并根據頻移值計算出速度。

本文介紹一種基于直接數字頻率合成（DDS）的多普勒頻移模擬器，可以實現對多普勒測速雷達性能進行測試，實現飛行模擬。DDS作為新一代頻率合成技術，具備輸出頻率分辨率高、頻率切換速度快，相位變化連續以及數字化可控等優點。

2 模擬器的功能要求

2.1 產生連續可變的多普勒頻偏

根據多普勒效應，不同波束指向，多普勒頻移值不同，其與雷達俯仰角、滾動角及波束指向角相關，且雷達前向波束對應頻差為正值，后向波束對應頻差為負。模擬器應根據不同波束指向，輸出不同頻率值，且其頻移精度直接影響雷達測速精度。

根據雷達的工作狀態，要求模擬器根據頻率為f1的輸入信號，產生頻率為f1±fD的輸出信號，其中0≤fD≤+20kHz，fD頻率精度≤1Hz。

2.2 產生功率可控的輸出信號

根據雷達工作動態范圍，模擬器具備1dB衰減步進、90dB衰減動態功率控制功能。

3 模擬器的構成及工作原理

3.1 模擬器的組成

模擬器由軟件控制及硬件平臺構成，其中軟件基于VB語言，讀取給定的三軸向速度及被測雷達波束指向角相關信息，計算出四波束對應多普勒頻移值。將該頻率值以串口的形式發送至本振源，控制DDS輸出頻率。同時接收雷達回饋信息、檢測雷達跟蹤狀態及輸出的速度信息，并與給定的速度信息進行比較，計算測速精度。根據給定飛行姿態計算出對應波束回波功率，并以此控制模擬器輸出功率，檢測雷達跟蹤狀態。

硬件主要由PIN開關，上下變頻器，本振源、延遲線、數控衰減器及工控機組成，如圖1所示，喇叭天線接收到待測雷達信號，經四波束PIN開關將分時工作的四通道信號合一，單刀雙擲開關將收發分離。

接收到的雷達信號進入下變頻器，經兩次變頻后產生中頻進行延遲處理，模擬回波返回時間。延遲后中頻信號經兩次上變頻后放大輸出，經數控衰減器（控制回波能量）進入四波束開關，經天線進入被測雷達接收機。

方案采用混頻的方式，使得接收到的脈沖信號產生頻偏，頻移值為多普勒頻移值。由于被測雷達與模擬器本振源的非相干性，二者頻率漂移量不可控，采用圖1所示漂移對效法，上下變頻中應用同一本振信號，能有效抵消因模擬器本振源的不穩定性而引入的頻率誤差，保證輸出頻移的精度。同時，在第二本振中加入多普勒頻偏，二者在在上下變頻中，第二本振誤差抵消的同時將其頻差帶入雷達發射信號中。

3.2 頻率轉換的具體實現及工作原理

模擬器的功能在于模擬雷達飛行中因多普勒效應而產生的頻率偏移，核心問題在于如何消除系統誤差，確保產生多普勒頻移的精度。因此變頻的實現方案對此至關重要。

本文采用圖2所示的方案確保輸出頻移的精確度。頻率為f0基準晶振經M次倍頻濾波后，產生頻率為Mf0的信號，放大功分后，作為上下變頻的第一本振信號。f0基準晶振經N次倍頻濾波后，產生頻率為Nf0的信號，作為下變頻第二本振信號。基準晶振進行P次倍頻后，作為DDS的參考基準信號，通過DDS頻率控制碼，使DDS輸出頻率為Nf0±fD，經低通濾波后，作為上變頻的本振信號。

整個系統應用一個基準晶振，保證其相干性，經過上下變頻的對消，輸出頻率為f1±fD，DDS輸出頻率的精度決定了頻移的精度。DDS與其他頻率合成技術相比較具有不可比擬的優點：（1）頻率分辨率高。現有工藝水平可以達到（?Hz級）；（2）頻率轉換速率快。DDS的頻率轉換速率是頻率控制字的傳輸時間和以低通濾波器為主的器件頻率響應時間之和，其轉換時間可達?s甚至ns級；（3）輸出相位連續。通過DDS可以有效的控制模擬器頻移值，并使其連續可變。

4 實驗驗證

通過本方案實現的多普勒雷達模擬器，與雷達對接后，實現了雷達的模擬測試功能，跟蹤誤差小于10Hz，測速精度遠大于雷達性能要求。且跟蹤速度連續可變，通過控制數控衰減器，有效實現雷達鎖定和丟失功能，滿足雷達靈敏度測試要求。

5 結束語

本文闡述了多普勒頻移模擬器的設計方案，通過上下變頻中本振頻率的差異使得Ku波段的接收信號產生頻偏，實現多普勒效應的模擬。該頻偏應用數字頻率合成器（DDS）產生，具有高分辨率，連續快速可變的特點。運用對消技術，消除了晶振長期頻率穩定度對輸出頻率精度的影響，保證模擬器測速精度的實現。通過實驗驗證，證明該方案滿足設計要求。

參考文獻

[1]夏永祥，郭德淳，于軍等.基于AD9858的快速捷變頻率合成器的設計[J].現代雷達，2005，27（7）：58-61.

[2]丁鷺飛，耿富錄.雷達原理（第二版）[M].西安：電子科技大學出版社，2002（06）.

作者單位

陜西長嶺電子科技有限責任公司 陜西省寶雞市 721006endprint