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公司代表室2) 成都 610100)

基于時頻分析的引信模擬器系統(tǒng)設(shè)計*

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公司代表室2)成都 610100)

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

時頻分析;引信;DSP

Class NumberTN911.7

1 引言

在傳統(tǒng)引信信號處理中,人們分析和處理信號的方法是傅立葉變換。但是,傅立葉變換是一個整體變換,在整體上將信號分解為不同頻率分量,對信號的表征要么完全在時域,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)在什么時間及其變化情況。然而在實際應(yīng)用場合中,引信的差頻信號都是非平穩(wěn)信號。其統(tǒng)計量是一個時變函數(shù),對信號進(jìn)行單一時域或頻域分析不能滿足實際處理的需要,這時最希望得到的是信號頻譜隨時間的變化情況。鑒于此本文將時頻分析的方法應(yīng)用于新型引信的信號處理設(shè)計。

2 引信模擬器系統(tǒng)設(shè)計方案

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

圖2 基于時頻分析的定距算法流程圖

圖1中各組成部分的功能說明: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,一部分通過發(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混頻,經(jīng)過放大濾波,濾除直流分量和高頻分量后得到差頻信號,通過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,啟動點火裝置。

DSP模塊完成對目標(biāo)距離的判斷,其信號流程圖如圖2所示。

3 調(diào)制電路的設(shè)計

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

圖3 三角波信號產(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輸出正弦波,方波,三角波等特點。

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,過熱保護以及安全范圍內(nèi)的補償[1]。

通過對上述兩款芯片的功能利用,設(shè)計本系統(tǒng)的三角波產(chǎn)生電路如圖3所示。

在圖3中,ICL8038的10和11腳間連接一個外加電容,通過對電容C的充放電,電容C兩端的電壓線性增加或線性減小,由于充放電時間相同,從而產(chǎn)生對稱的線性三角波?？刂崎_關(guān)的觸發(fā)器產(chǎn)生方波。通過調(diào)整R1的阻值來控制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

混頻器混頻后的信號即包括有用的差頻信號,還包括直流分量和高頻干擾,因此在信號處理之前要進(jìn)行濾波得到有用的差頻信號。我們設(shè)計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)大于一個倍頻程,因此該設(shè)計可以用低通濾波器和高通濾波器級聯(lián)實現(xiàn)。頻率響應(yīng)指標(biāo)被分解為單獨的低通和高通設(shè)計。本文中采用一個600kHz高通濾波器和一個1000kHz低通濾波器組成帶通濾波器來提取差頻信號。

該濾波電路設(shè)計中采用的運算放大器是MCP602,MCP602是Microchip公司的2.7V～5.5V單電源CMOS雙運算放大器[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、運行速度快、開環(huán)增益高以及滿幅輸出等特點。

為了減少輸入偏置電流及其漂移對電路的影響 ,應(yīng)使:

根據(jù)上面的式子聯(lián)立求解可以計算得

設(shè)計的低通濾波電路和高通濾波電路級聯(lián)即可實現(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)計需求。

5 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

A/D電路用來完成對差頻信號的采樣,并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號處理交給DSP進(jìn)行處理。圖6為從混頻器輸出的信號到DSP經(jīng)過的幾個階段。

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,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的補碼形式,可以很方便地與各種電平邏輯的處理器連接而無需電平轉(zhuǎn)換。

圖6 A/D電路流程圖

因為采樣的速率高達(dá) 2MHz,若頻繁的中斷DSP則會造成處理器處理時間的大量浪費,所以,對采樣的數(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的處理時間。而且,利用FIFO的讀使能和寫使能可以控制對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)先出存儲器。因為ADC的輸出數(shù)據(jù)是10位的,所以CY7C429的位寬不夠,要用兩個CY7C429并聯(lián)。兩個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(寫使能)當(dāng)引腳,可以用兩個就緒信號來控制采樣數(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)一個信號,啟動ADC向FIFO寫數(shù)。這兩個就緒信號是由CPLD譯碼產(chǎn)生的,當(dāng)DSP芯片對I/O中的FIFO地址進(jìn)行讀操作時,CPLD對地址譯碼,與DSP芯片的讀寫(R/W#)信號、I/O空間選擇信號(IS)相或,并檢測FIFO的數(shù)據(jù)滿信號,若FIFO的數(shù)據(jù)已滿,則產(chǎn)生 FIFO的讀信號,如FIFO中的數(shù)據(jù)還未滿,則給 DSP芯片發(fā)等待信號。

6 信號處理模塊設(shè)計

我們選擇 TI(Texas Instruments)公司推出TMS320F2812DSP芯片來完成我們對信號的實時處理,它提供了強大的計算能力,集控制器和高性能DSP的特點于一身,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。

在較高信噪比情況下,可以通過 WVD最大值法完成差頻信號瞬時頻率的精確估計,因此我們在此討論WVD算法的 DSP實現(xiàn)[5]。

對于輸入無限長信號,不能直接進(jìn)行計算,對信號進(jìn)行離散化加窗后才能用于實時的處理。若我們想求t=ta時的WVD,則可利用h(t)對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,對頻率離散化 ωm=mπ/M,即一個周期內(nèi)取M點,窗函數(shù)為h(t),時域和頻域離散化的PWVD算法為:

圖8 DSP運算單元結(jié)構(gòu)

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

式(13)時域和頻域都是離散的,可以用DFT來實現(xiàn)。做DF T時,還應(yīng)將時域下標(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時的2的整數(shù)次冪,這時要在式(14)中間補零。將式(14)代入式(13),得

圖9 WVD算法的實現(xiàn)步驟

7 結(jié)語

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

[1]張雄偉,陳亮.DSP芯片的原理與開發(fā)應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003

[2]牛燕煒.有源低通濾波器的設(shè)計與仿真[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2007(12):181～183

[3]李良榮.EWB9電子設(shè)計技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007

[4]蘇小妹.軟件無線電調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的研究[D].長沙:湖南大學(xué),2005

[5]艾俊軼.毫米波高精度測距雷達(dá)信號處理及實現(xiàn)[D].成都:電子科技大學(xué),2006

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:信號處理。