航空通信设备检测系统跳频信号源的设计

航空通信设备包括短波通信、超短波通信设备，短波、超短波通信设备又分为常规通信方式和跳频通信方式，跳频通信因具有抗干扰性强、抗侦测能力好、频谱利用率高和易于实现码分多址等优点被称为无线电通信的“杀手锏”。跳频通信设备的不断装备极大提高了我军电子作战的能力。然而跳频通信设备却面临着维护、保障的难题。不同类型的通信设备对跳频的性能要求不同，为达到对众多跳频通信设备性能的测试，传统设计方法往往要设计多个跳频信号源，这样在使用时一方面给外场机务工作者增加了工作负担，另一方面也造成了资源的巨大浪费，再加上原来技术条件的限制，原跳频检测器所用信号源已不能满足新装备测试需要，为提高新装备维护、保障能力，急需研制一种宽频带、调速高、抗干扰能力强、可扩展性好的跳频通信检测系统。
    航空通信设备一旦脱离飞机，就失去正常工作所必需的信号环境，这就需要为航空通信设备设计检测控制器，一方面为通信设备施加必须的射频信号、跳频信号、音频、数字信号等激励信号；另一方面接收通信设备的发出响应信号进行相应的检测。在检测控制器设计中，最重要也是最难实现的就是跳频信号的实现，通过分析测试需求，提出了基于“DDS+PLL”来实现跳频信号源的设计方法，试验结果表明该信号源具有频率稳定度高、频率分辨率高、频率转换时间短、改变频率方便等优点。

1 硬件电路设计
    航空通信设备是一个快速发展的领域，通信设备存在着种类繁多、型号复杂的现状，为达到跳频测试系统的可靠性、抗干扰性、可移植性，尤其是可扩展性设计要求，在设计信号源时还要综合考虑不同跳速航空通信设备的测试问题，对于目前跳频信号源对两种常用的基于DDS和基于PLL的方案进行对比，基于DDS的跳频信号源具有频率分辨率高的优点，但是最高工作频率一般小于100 MHz，不能满足超短波通信的需要；而基于PLL的跳频信号源具有工作频率高的优点，但是频率分辨率却比较低，这两种方案都不能满足跳频信号源的测试需求，为达到测试要求，通过比较各种方案的优缺点。最终选择这两种方案的这种，采用基于“DDS+PLL”的方法来实现跳频信号源设计，跳频信号源电路原理如图1所示。

    跳频信号源主要由DDS合成器、2个PLL以及控制电路和滤波电路组成。其中DDS合成器与一个PLL形成第1本振信号，另一个PLL得到第2个本振信号。控制电路主要完成合成频率所需要的控制码和控制逻辑，滤波电路则滤除一本振和二本振的干扰，提高信号的频谱纯度。
1．1 工作原理
    由主控制器输入片选信号CS(低电平有效)、模式控制信号MDl～MD4，这些信号通过74HC573得到相应的控制信号，包括波段控制码、第一本振数据载入、第二本振数据载入以及DDS控制码。
    第一本振振荡器用来提供信道所需要的混频信号。该部分由DDS和锁相环构成，锁相环采用MCl45158，其内部由选择参考分频比、可编程频率分频电路、相位检测器和数字式分频器组成，相位检测器输出的信号分别为φr，和φv，它们反映已分频的标准信号和已分频的VCO频率之间的相位关系，当2个信号频率相等时，即本地处于锁定状态，φr和φv都有很窄的负脉冲出现；如果VCO的输出频率fv大于参考频率fr，或者相位超前，φv出现负脉冲；如果VCO频率小于参考频率，或者相位滞后，φr输出负脉冲。当两者的频率和相位相同时，φr、φv输出同为高电平，这时环路达到稳定，也称环路的锁定状态，φr、φv与fr、fv之间的关系如图2所示。

1．2 跳频控制码
    跳频码信号是控制通信设备工作频率的信号，某通信设备在100～400MHz频率范围内工作，而在跳频方式下工作时，某一时刻只能工作在某一工作频道上，频率码就是控制通信设备工作频道的信号。不同的频道需要通信设备内部的频率合成器提供不同的频率，要想完成对通信设备跳频性能的检测，就需要产生相应的频率控制码。在本设计中，频率合成采用了“DDS+PLL”为核心来实现跳频信号源的设计，锁相环采用MCl45158，DDS采用AD9850，根据锁相环输出频率的关系，可以得出一本振输出频率f1
   
式中，R1、N1、A1为分频系数，通过三线串行码来实现频率码的改变；fDDS_O为DDS的输出频率，fDDS_i为DDS晶振振荡频率。该频率控制通信设备的工作频率实际上就是控制通信设备内部的频率合成器输出相应的频率。
    二本振信号的产生和一本振有所不同，它的产生主要由MCl45158锁相环实现，其参考频率和DDS的参考频率相同，这样保证了整个频率合成器频率稳定度，由于锁相环采用与锁相环路I的锁相环相同，因此当环路达到稳定时，第二本振输出频率为：
   
式中，N2、R2、A2为锁相环路Ⅱ的分频系数，fDDS_i是DDS的晶体振荡器的频率。
    一本振和二本振输出的高频信号经过混频后得到某一时刻跳频信号的输出，该信号经过射频信号调理电路处理后输出到待测设备，实现待测设备所需要的激励信号。

2 软件设计
    如果说基于“DDS+PLL”硬件实现方式是跳频信号源的“骨架”，那跳频信号源的“血肉”就是软件；只有在软件的配合下才有可能把跳频信号源的作用发挥到最大。软件系统采用模块化编程，包括主程序、系统控制模块、数据处理模块以及通信模块。以系统控制模块中频率合成流程图为例简要说明软件流程，如图3所示。

    频率合成模块监测频率控制中心的频率码是否发生变化，如果发生变化则把数据送到DDS和PLL单元，否则则返回控制中心继续扫面；然后等待PLL达到锁定，如果没有达到锁定，则失锁计数增加l，对此信号进行判断，如果该信号小于6，则控制中心再一次发送频率码到DDS和PLL单元，如果失锁计数信号大于等于5，则发出失锁告警信号显示合成器故障。一本振和二本振的信号经过混频器后形成跳频通信所需要的某一时刻的频率。在不同时刻就会产生不同的频率，频率合成器产生的频率最后送到调理电路进行处理。

3 测试结果分析
    把跳频信号源输出端接到频谱分析仪上，通过设置跳频的跳速，利用安泰信公司的频谱分析仪来测试输出信号的频谱纯度、频谱精度，可以得到如图4所示的波形。

    从图4可以看出，某一时刻，该跳频信号信号源频输出了个跳频频率，如果通过软件设置跳频信号的跳速和PN码序列，可以实现对通信设备的检测。改变跳频信号源工作方式，还可以作为多种通信设备的信号源，在施加跳频激励信号的情况下，通过通信设备灵敏度、音频响应等主要技术指标的测试，对照通信设备技术指标可看出测试结果满足设备技术要求。

4 结束语
    跳频通信在现代航空通信设备的应用越来越多，基于“DDS+PLL”实现的某通信设备检测仪的信号源克服了跳频通信设备测量的难题，该信号源充分利用了频率合成中DDS产生频率分辨率高和锁相环输出频率高的优点，克服DDS输出频率低和锁相环频率分辨率低的缺点，实现了对通信设备的检测与控制，该信号发生器可以推广到多种通信设备检测仪的信号源的设计，具有极大的军事经济效益。