一种具有温度补偿的瞬时测频接收机的设计与实现

摘要：本文通过研究和分析温度对瞬时测频接收机测频误差的影响，改变了传统电缆恒温处理设计方案，在测频接收机中加入一温度补偿模块，实现对温度引起的测频误差的校正。并在硬件上实现了该测频系统。其中测频范围为2 GHz，通过测试，精度达到≤1 MHz(r.m.s)，完全满足设计要求。

在现代战争中，雷达的地位日趋重要。频率作为雷达信号的重要参数，是雷达信号分选和威胁识别的重要依据。瞬时测频(IFM)法是变化法测频的一种，它根据不同频率信号经过同一电缆相位变化不同的原理，将频率测量转换为测量相位信息，再将相应相位信息转换为频率，从而间接实现测频。

由于温度变化对延迟线电缆长度的影响使相位测量产生较大误差，导致测频精度降低，严重时甚至系统无法工作。本文设计了一种基于温度补偿方法的瞬时测频接收机，有效的解决了温度变化对IFM接收机的影响。通过实验验证，该设计具有良好的测频性能。

1 温度补偿原理

1.1 温度变化对IFM接收机影响分析

文中使用图1所示微波鉴相器完成频向转换，它首先由一功分器将射频信号分为相等的两路，再经过两条长度不等的传输线(延迟线)形成相应的相位差，而此相位差正比于信号频率和两传输线的电长度差。

其中，当延迟线长度为△l，输入信号频率为f时，其电长度差为

。由此造成两路信号的相位差为

。通过对微波鉴相器输出信号进行量化处理并采样，计算后我们将得到其相位差φ，从而可以通过上述公式计算出相应的频率值。

通过上述原理及过程分析，可以得知，测频误差主要来源于相位测量精度和延迟线长度的精度。延迟线精度可通过调节使其忽略。通过分析和测量，温度变化引起延迟线电缆物理长度的变化，虽然其变化量级较小(毫米级)，但它引起的相应相位变化(电长度)较大。所以由环境温度变化就成为了制约瞬时测频接收机测频精度的主要原因。

1.2 传统电缆恒温处理方法

在以往的瞬时测频接收机处理方法中，主要是对延迟线进行恒温处理。将电缆部分放置在一有保温功能的恒温盒内。对恒温盒内的温度实时监控，并通过对加热装置的控制，使恒温盒内的温度保持在测频接收机的工作温度上限。此方法已在多型测频接收机上得到实际应用，并取得较为优秀的效果。

然而该方法也存在明显的缺陷：首先，构造复杂，需要一套完整的温度保持系统，增大了系统体积，增加了制作成本;其次，温度的恒定需要预热时间，且恒温效果取决于保温系统的设计水平和制造工艺，使不确定性因素增加;最后，保温系统的加入，大大增加了测频接收机的功耗，不利于小型化、低功耗的设计趋势。

1.3 温度补偿修正法

由于传统恒温处理方法存在的种种缺陷，因此本文提出了通过测量温度，并对相应温度的影响做出补偿的方法。由于电缆长度在某一固定温度状态下是相对稳定的。所以可以通过测量电缆温度，并根据当时温度，对测频结果作相应补偿，从而克服温度对测频的影响。

文中采用建立标准温度，在相应标准温度下采样得到补偿数据，建立该温度下的补偿表。应用中通过监测实时温度，调取相应温度补偿表对测试数据实现补偿。补偿表的建立方法是将测频接收机置于恒温箱中由高温到低温逐次降温，温度间隔约为，在每一设定温度达到平衡后用标准信号源产生信号得到对应的温度补偿数据查找表。这样设置的优势有3点：

其一，通过恒温测试可以使测频接收机各个部分温度充分均衡，使产生的查找表有足够的精度和稳定性;

其二，快速扫描解决了扫描时间过长，期间温度小幅变化对测频结果的影响。在测试时，使用线性扫频(Ramp)模式，可在短时间内完成对频段的扫描。但由于其扫频精度较差，在实际应用中还应对其进行一次步进扫频(Step)，并通过步进扫频结果对线性扫频结果进行修正。

其三，较小的温度间隔使得系统稳定度大大提升，当间隔稳定为时，其对应的延时线精度将可以满足要求精度。

应用中随着温度的变化，根据温度码选择不同的表格，再根据量化编码的输出进行查表，得到补偿后的频率数据。

2 带温度补偿的IFM接收机硬件实现

文中为兼顾测频精度与测频范围，我们选用多通道方案进行测频。输入信号经过鉴相器后由量化器进行量化采样，并将数据输入至CPLD中进行处理形成未校正的频率码，最后通过查表完成频率校正后输出，整个系统由FPGA芯片控制。在此FPGA芯片采样Xilinx公司的Spartan2该器件价格便宜且能满足IFM接收机巨大的运算量。

2.1 软件处理设计

首先，对频率信息建立ROM查找表，使用微波信号发生器产生标准信号，对其信号进行处理得到标准数据的ROM查找表;其次，在实际工作中先将量化器输出的区间码转换为相应的二进制码，得到12bit二进制码，将其作为地址在ROM查找表中进行查找，得到相应频率。

2.2 温度补偿修正

温度补偿的关键就是对环境温度的测量和量化编码。本文中应用的是ADI公司的AD7814测温芯片(如图2所示)。它是ADI公司推出的一款10bit数字测温芯片，具有应用简便，数据通信简单，测温范围广(-55～+125℃)，测温精度较高(±2℃)等优点。该芯片是通过串行通信进行数据交换，本设计中与CPLD直接相连进行数据采集和处理。设计电路如图3所示。

将测温芯片AD7814输出的温度码作为高位地址，再使用量化器输出的未校正的频率码作为低位地址进行联合查表，得到最终输出频率，如图4所示。

2.3 实际电路实现

IFM接收机实物图如图5所示。由于温度主要影响的是鉴相器模块中延迟线，所以将温度监测模块固定于与四根延迟线相临近的位置。

3 测试结果

测试是在室温情况下进行，通过微波信号源产生标准信号，幅度为-20 dBm，步进频率为0.5 MHz。经过测试，测频误差为0.520 MHz(]RMS)，误差平均值为-0.094 MHz。图6为测频误差，图7为测频输出。从测试结果我们可以看出，本文设计的测频接收机具有很高的测频精度(≤1 MHz(r.m.s))。通过调整输入信号大小，测试得到接收机灵敏度达到-75 dBm。

可以看出，该设计方案很好的解决了温度变化对鉴相器延迟线的影响。通过温度补偿电路的加入，提高了系统工作的稳定性及其适用范围，改进了传统电缆恒温处理方法中系统体积大，功耗大的缺点。通过测试，该IFM测频接收机在精度和灵敏度等参数上均达到了相当高的水平。

4 结论

本文通过对电缆恒温处理方法的分析，根据温度对电缆物理特性的影响特点，设计了基于温度补偿法的IFM接收机。实验结果表明，通过建立温度、频率的查找表的方式对结果进行温度补偿不但简化了系统设计，还具有优秀的测频效果。