一種短波跳頻靶標

樊長虹，遲海軍，宋瑞

（南京模擬技術研究所，江蘇南京，210016）

0 引言

短波跳頻電臺是戰場上實施通信指揮的重要設備。在實戰化軍事訓練中，對藍方短波跳頻電臺設備進行模擬，能為參訓部隊實施電子偵察、干擾和實彈射擊訓練等提供的模擬目標。早期通常采用改造廢舊通信電臺來模擬藍方短波跳頻電臺，存在模擬信號不逼真、廢舊部件故障率高等問題。

本文設計了一種低成本短波跳頻靶標，能按藍方典型短波跳頻電臺的工作頻率、輻射功率、跳頻序列等射頻信號參數進行遠程編程設置，以模擬藍方短波跳頻指揮通信載波信號特征，并能自動檢測實彈命中信號。

1 組成和原理

如圖1，短波跳頻靶標（簡稱：靶標）由4G 通信部件、綜合控制器、跳頻控制器、跳頻頻率合成器、功率放大器、短波天線等組成。

圖1 短波跳頻靶標體系結構圖

1.1 4G 通信

當前靶場主要使用定制頻段4G 通信。4G 通信模塊負責接收靶場總控系統的指令，并將靶標的狀態上傳給靶場總控系統。

1.2 綜合控制器

根據靶場總控系統下達的工作指令，綜合控制器通過串口對跳頻控制器進行控制；同時，綜合控制器采集報靶檢測信號，判別是否被命中，并將命中事件上傳給靶場綜合控制系統。

1.3 跳頻控制器

跳頻控制器接收綜合控制器控制信號，解調出來自靶標總控制系統的跳頻控制圖案，并將該跳頻圖案預置給跳頻頻率合成器，并控制功率放大器開關和輸出功率等，同時檢測功放的駐波是否正常。

跳頻控制器工作模式分為自動和手動兩種。當處于自動狀態時，靶標的一切參數由總靶標控制系統設置；手動狀態時，靶標輸出默認頻點，工作人員可以通過模式開關設置靶標的輸出功率，分為0W/10W/20W/MAX 四檔。

1.4 跳頻頻率合成器

跳頻頻率合成器接收跳頻控制器的相位控制和頻率控制數據信息，對數據信息解析后以指定的方式產生相應的頻率。

1.5 功率放大器

圖2 跳頻頻率合成器框圖

考慮到工作效率、抗炮彈爆炸沖擊振動要求，選用固態功率放大器，通過功率控制部分驅動功率輸出。同前所述，手動模式分為4 級，分別對應功率輸出為0W/10W/20W/MAX；自動模式按dB 為分辨率控制輸出功率。

圖3 功放單元示意圖

1.6 天饋線單元

靶標天饋線采用低損耗高可靠饋線和短波高增益天線。為防止訓練時靶標主機被實彈射擊損毀，通過長饋線可將靶標主機部署在相對安全的掩體內，而天線部分與模擬指揮所目標進行組合，供實彈射擊使用。

1.7 報靶檢測

靶標支持振動式和阻抗式兩種命中檢測方式。

振動式命中檢測能與模擬指揮所實體目標組合使用。如圖4，振動傳感器信號先經過信號采集（阻抗變換和信號放大）、信號濾波（高通濾波和低通濾波）等處理，再經比較輸出（門限比較觸發和接口電平轉換）產生有效命中事件，送給綜合控制器。

圖4 振動式報靶處理電路

阻抗式命中檢測與木板制成的模擬目標組合使用。訓練使用前先在木板上繞制閉環導線，在綜合控制器檢測閉環導線阻抗接近為0；訓練時，當炮彈摧毀木板后，閉環導線亦被打斷而變為開路，在綜合控制器檢測相應阻抗變跳變為高阻狀態，認為模擬目標被命中摧毀。

2 跳頻控制器設計

跳頻控制器根據協議解析出需要輸出的頻率、頻率跳變周期以及輸出功率的等信息，通過串口將相關數據轉換后送給頻率合成器，實現定頻、跳頻、循環掃頻等工作方式，模擬主要短波跳頻電臺的載波特性。

定頻控制：頻率合成器輸出單一頻點。

跳頻控制：通信處理單元發送跳頻圖案、輸出功率、跳頻時間間隔給等跳頻控制器，跳頻控制器控制DDS 數字直接頻率合成器，按照跳頻圖案輸出跳頻信號和相應的信號功率。

掃頻控制：綜合控制器將某一頻段的最低頻點和最高頻點、輸出功率、跳頻時間間隔、頻率跳頻步長等信息發送給跳頻控制器，由跳頻控制器控制頻率合成器，按照跳頻時間對該頻段進行掃描。

圖5 跳頻控制器功能框圖

跳頻控制器控制頻率合成器的同時，根據輸出功率要求，采用高精度電壓控制芯片TLV5623 控制功率放大器單元輸出功率。

3 頻率合成器設計

3.1 合成器方案選擇

通常實現跳頻頻率合成器的方案有傳統的鎖相環混頻方案和直接數字（DDS）合成方案。

標準短波頻率范圍為3MHz～30MHz，但為了充分發揮短波通信特點，實際短波電臺經常選用頻率范圍1.5MHz～30MHz，也即頻率覆蓋系數為20。如果采用單鎖相環直接頻率合成，必須采用多頻段的壓控振蕩器和多鎖相環路，系統將會變得很復雜。為簡化系統的復雜程度，提高可靠性，選擇DDS 直接數字合成方案。

由于本系統要求DDS 具有掃頻功能，而且要求DDS 芯片低功耗，選用ANALOG DEVICE 公司AD9954[1]。

3.2 頻率合成

跳頻控制器將解析出的跳頻圖案等信息經串口送給頻率合成系統的FPGA 處理，FPGA 產生相應的控制信號給DDS芯片AD9954，控制AD9954 輸出跳頻信號。通過FPGA 控制AD9954 三種工作模式見圖6。

圖6 FPGA 控制流程圖

當輸出單個頻點信號時，只需要配置相位控制字寄存器和頻率控制字寄存器以及初始化寄存器。輸出跳頻信號只要循環設置單個頻點的寄存器。輸出頻段循環掃描信號時，由于AD9954 內部自帶線性掃頻功能，因此只需要在設置單頻點寄存器的基礎上對頻率步進、駐留時間進行設置即可。輸出跳頻信號時，在輸出單個頻點的基礎上進行頻率點跳變即可。

4 固態功率放大器

圖7 中上面部分為功放單元的推動及末級功放管，從跳頻頻率合成器的跳頻信號經過兩級推動后給末級功放管完成功率的最后放大，并經過隔離器輸出；下面部分為饋電、檢測、報警及控制等。

圖7 功放單元示意圖

為保護功率放大器，提高全系統可靠性，在功放單元增加了功率檢測和功率控制，功率檢測部分主要檢測功放的正反向功率，并將檢測結果送至面板顯示單元，便于在面板上直觀的顯示功放單元的工作狀態。在顯示面板上設置故障告警燈提供告警。

推動1 是小信號放大器，由頻率合成系統輸出信號0dBm，接到RF 輸入端口，其增益為15dB。

推動2 考慮到功率可調，因此采用增益可控放大器，本放大器的控制電壓由0～5V 連續可調，控制電壓與增益具有良好的線性度。

在控制電壓為0V 時，此放大器具有9dB 增益。當控制電壓5V 時，此放大器具有20dB 增益。

末級功放采用高功率、高增益GaAs FET 放大器，放大器增益13dB，輸出功率50dBm。考慮到信號在介質中損耗和饋線損耗及放大器隨溫度的升高增益下降，留有余量4dB，經天線輸出最大為46dBm。

5 綜合性能評估

5.1 主機輸出功率

跳頻頻率合成器輸出信號為0dBm，功率放大器的推動1增益為15dB，推動2 增益最大為20dB，末級功放的增益為13dB，因此功率放大器輸出的最大功率為Pmax=0+15+20+13=48dBm，能模擬典型短波跳頻電臺功率特征。

5.2 最高跳頻速率

因為AD9954 頻率鎖定時間＜1ms，FPGA 對AD9954 寄存器的控制時間＜1ms，最高跳頻速率500hop/s 以上（即每跳最小間隔為2ms），已覆蓋典型短波跳頻電臺的跳頻速率。

5.3 頻率調整步長

6 結語

本文提出了一種低成本短波跳頻發信靶標方案，能模擬復雜訓練靶場上藍方典型短波跳頻電臺的通信特征，并支持實彈射擊命中檢測，為復雜電磁環境下開展實戰化訓練提供支撐手段。