一種具有溫度補償的瞬時測頻接收機的設計與實現

摘要：本文通過研究和分析溫度對瞬時測頻接收機測頻誤差的影響，改變了傳統電纜恒溫處理設計方案，在測頻接收機中加入一溫度補償模塊，實現對溫度引起的測頻誤差的校正。并在硬件上實現了該測頻系統。其中測頻范圍為2 GHz，通過測試，精度達到≤1 MHz(r.m.s)，完全滿足設計要求。

在現代戰爭中，雷達的地位日趨重要。頻率作為雷達信號的重要參數，是雷達信號分選和威脅識別的重要依據。瞬時測頻(IFM)法是變化法測頻的一種，它根據不同頻率信號經過同一電纜相位變化不同的原理，將頻率測量轉換為測量相位信息，再將相應相位信息轉換為頻率，從而間接實現測頻。

由于溫度變化對延遲線電纜長度的影響使相位測量產生較大誤差，導致測頻精度降低，嚴重時甚至系統無法工作。本文設計了一種基于溫度補償方法的瞬時測頻接收機，有效的解決了溫度變化對IFM接收機的影響。通過實驗驗證，該設計具有良好的測頻性能。

1 溫度補償原理

1.1 溫度變化對IFM接收機影響分析

文中使用圖1所示微波鑒相器完成頻向轉換，它首先由一功分器將射頻信號分為相等的兩路，再經過兩條長度不等的傳輸線(延遲線)形成相應的相位差，而此相位差正比于信號頻率和兩傳輸線的電長度差。

其中，當延遲線長度為△l，輸入信號頻率為f時，其電長度差為

。由此造成兩路信號的相位差為

。通過對微波鑒相器輸出信號進行量化處理并采樣，計算后我們將得到其相位差φ，從而可以通過上述公式計算出相應的頻率值。

通過上述原理及過程分析，可以得知，測頻誤差主要來源于相位測量精度和延遲線長度的精度。延遲線精度可通過調節使其忽略。通過分析和測量，溫度變化引起延遲線電纜物理長度的變化，雖然其變化量級較小(毫米級)，但它引起的相應相位變化(電長度)較大。所以由環境溫度變化就成為了制約瞬時測頻接收機測頻精度的主要原因。

1.2 傳統電纜恒溫處理方法

在以往的瞬時測頻接收機處理方法中，主要是對延遲線進行恒溫處理。將電纜部分放置在一有保溫功能的恒溫盒內。對恒溫盒內的溫度實時監控，并通過對加熱裝置的控制，使恒溫盒內的溫度保持在測頻接收機的工作溫度上限。此方法已在多型測頻接收機上得到實際應用，并取得較為優秀的效果。

然而該方法也存在明顯的缺陷：首先，構造復雜，需要一套完整的溫度保持系統，增大了系統體積，增加了制作成本;其次，溫度的恒定需要預熱時間，且恒溫效果取決于保溫系統的設計水平和制造工藝，使不確定性因素增加;最后，保溫系統的加入，大大增加了測頻接收機的功耗，不利于小型化、低功耗的設計趨勢。

1.3 溫度補償修正法

由于傳統恒溫處理方法存在的種種缺陷，因此本文提出了通過測量溫度，并對相應溫度的影響做出補償的方法。由于電纜長度在某一固定溫度狀態下是相對穩定的。所以可以通過測量電纜溫度，并根據當時溫度，對測頻結果作相應補償，從而克服溫度對測頻的影響。

文中采用建立標準溫度，在相應標準溫度下采樣得到補償數據，建立該溫度下的補償表。應用中通過監測實時溫度，調取相應溫度補償表對測試數據實現補償。補償表的建立方法是將測頻接收機置于恒溫箱中由高溫到低溫逐次降溫，溫度間隔約為，在每一設定溫度達到平衡后用標準信號源產生信號得到對應的溫度補償數據查找表。這樣設置的優勢有3點：

其一，通過恒溫測試可以使測頻接收機各個部分溫度充分均衡，使產生的查找表有足夠的精度和穩定性;

其二，快速掃描解決了掃描時間過長，期間溫度小幅變化對測頻結果的影響。在測試時，使用線性掃頻(Ramp)模式，可在短時間內完成對頻段的掃描。但由于其掃頻精度較差，在實際應用中還應對其進行一次步進掃頻(Step)，并通過步進掃頻結果對線性掃頻結果進行修正。

其三，較小的溫度間隔使得系統穩定度大大提升，當間隔穩定為時，其對應的延時線精度將可以滿足要求精度。

應用中隨著溫度的變化，根據溫度碼選擇不同的表格，再根據量化編碼的輸出進行查表，得到補償后的頻率數據。

2 帶溫度補償的IFM接收機硬件實現

文中為兼顧測頻精度與測頻范圍，我們選用多通道方案進行測頻。輸入信號經過鑒相器后由量化器進行量化采樣，并將數據輸入至CPLD中進行處理形成未校正的頻率碼，最后通過查表完成頻率校正后輸出，整個系統由FPGA芯片控制。在此FPGA芯片采樣Xilinx公司的Spartan2該器件價格便宜且能滿足IFM接收機巨大的運算量。

2.1 軟件處理設計

首先，對頻率信息建立ROM查找表，使用微波信號發生器產生標準信號，對其信號進行處理得到標準數據的ROM查找表;其次，在實際工作中先將量化器輸出的區間碼轉換為相應的二進制碼，得到12bit二進制碼，將其作為地址在ROM查找表中進行查找，得到相應頻率。

2.2 溫度補償修正

溫度補償的關鍵就是對環境溫度的測量和量化編碼。本文中應用的是ADI公司的AD7814測溫芯片(如圖2所示)。它是ADI公司推出的一款10bit數字測溫芯片，具有應用簡便，數據通信簡單，測溫范圍廣(-55～+125℃)，測溫精度較高(±2℃)等優點。該芯片是通過串行通信進行數據交換，本設計中與CPLD直接相連進行數據采集和處理。設計電路如圖3所示。

將測溫芯片AD7814輸出的溫度碼作為高位地址，再使用量化器輸出的未校正的頻率碼作為低位地址進行聯合查表，得到最終輸出頻率，如圖4所示。

2.3 實際電路實現

IFM接收機實物圖如圖5所示。由于溫度主要影響的是鑒相器模塊中延遲線，所以將溫度監測模塊固定于與四根延遲線相臨近的位置。

3 測試結果

測試是在室溫情況下進行，通過微波信號源產生標準信號，幅度為-20 dBm，步進頻率為0.5 MHz。經過測試，測頻誤差為0.520 MHz(]RMS)，誤差平均值為-0.094 MHz。圖6為測頻誤差，圖7為測頻輸出。從測試結果我們可以看出，本文設計的測頻接收機具有很高的測頻精度(≤1 MHz(r.m.s))。通過調整輸入信號大小，測試得到接收機靈敏度達到-75 dBm。

可以看出，該設計方案很好的解決了溫度變化對鑒相器延遲線的影響。通過溫度補償電路的加入，提高了系統工作的穩定性及其適用范圍，改進了傳統電纜恒溫處理方法中系統體積大，功耗大的缺點。通過測試，該IFM測頻接收機在精度和靈敏度等參數上均達到了相當高的水平。

4 結論

本文通過對電纜恒溫處理方法的分析，根據溫度對電纜物理特性的影響特點，設計了基于溫度補償法的IFM接收機。實驗結果表明，通過建立溫度、頻率的查找表的方式對結果進行溫度補償不但簡化了系統設計，還具有優秀的測頻效果。