一种短波跳频靶标

樊长虹，迟海军，宋瑞

（南京模拟技术研究所，江苏南京，210016）

0 引言

短波跳频电台是战场上实施通信指挥的重要设备。在实战化军事训练中，对蓝方短波跳频电台设备进行模拟，能为参训部队实施电子侦察、干扰和实弹射击训练等提供的模拟目标。早期通常采用改造废旧通信电台来模拟蓝方短波跳频电台，存在模拟信号不逼真、废旧部件故障率高等问题。

本文设计了一种低成本短波跳频靶标，能按蓝方典型短波跳频电台的工作频率、辐射功率、跳频序列等射频信号参数进行远程编程设置，以模拟蓝方短波跳频指挥通信载波信号特征，并能自动检测实弹命中信号。

1 组成和原理

如图1，短波跳频靶标（简称：靶标）由4G 通信部件、综合控制器、跳频控制器、跳频频率合成器、功率放大器、短波天线等组成。

图1 短波跳频靶标体系结构图

1.1 4G 通信

当前靶场主要使用定制频段4G 通信。4G 通信模块负责接收靶场总控系统的指令，并将靶标的状态上传给靶场总控系统。

1.2 综合控制器

根据靶场总控系统下达的工作指令，综合控制器通过串口对跳频控制器进行控制；同时，综合控制器采集报靶检测信号，判别是否被命中，并将命中事件上传给靶场综合控制系统。

1.3 跳频控制器

跳频控制器接收综合控制器控制信号，解调出来自靶标总控制系统的跳频控制图案，并将该跳频图案预置给跳频频率合成器，并控制功率放大器开关和输出功率等，同时检测功放的驻波是否正常。

跳频控制器工作模式分为自动和手动两种。当处于自动状态时，靶标的一切参数由总靶标控制系统设置；手动状态时，靶标输出默认频点，工作人员可以通过模式开关设置靶标的输出功率，分为0W/10W/20W/MAX 四档。

1.4 跳频频率合成器

跳频频率合成器接收跳频控制器的相位控制和频率控制数据信息，对数据信息解析后以指定的方式产生相应的频率。

1.5 功率放大器

图2 跳频频率合成器框图

考虑到工作效率、抗炮弹爆炸冲击振动要求，选用固态功率放大器，通过功率控制部分驱动功率输出。同前所述，手动模式分为4 级，分别对应功率输出为0W/10W/20W/MAX；自动模式按dB 为分辨率控制输出功率。

图3 功放单元示意图

1.6 天馈线单元

靶标天馈线采用低损耗高可靠馈线和短波高增益天线。为防止训练时靶标主机被实弹射击损毁，通过长馈线可将靶标主机部署在相对安全的掩体内，而天线部分与模拟指挥所目标进行组合，供实弹射击使用。

1.7 报靶检测

靶标支持振动式和阻抗式两种命中检测方式。

振动式命中检测能与模拟指挥所实体目标组合使用。如图4，振动传感器信号先经过信号采集（阻抗变换和信号放大）、信号滤波（高通滤波和低通滤波）等处理，再经比较输出（门限比较触发和接口电平转换）产生有效命中事件，送给综合控制器。

图4 振动式报靶处理电路

阻抗式命中检测与木板制成的模拟目标组合使用。训练使用前先在木板上绕制闭环导线，在综合控制器检测闭环导线阻抗接近为0；训练时，当炮弹摧毁木板后，闭环导线亦被打断而变为开路，在综合控制器检测相应阻抗变跳变为高阻状态，认为模拟目标被命中摧毁。

2 跳频控制器设计

跳频控制器根据协议解析出需要输出的频率、频率跳变周期以及输出功率的等信息，通过串口将相关数据转换后送给频率合成器，实现定频、跳频、循环扫频等工作方式，模拟主要短波跳频电台的载波特性。

定频控制：频率合成器输出单一频点。

跳频控制：通信处理单元发送跳频图案、输出功率、跳频时间间隔给等跳频控制器，跳频控制器控制DDS 数字直接频率合成器，按照跳频图案输出跳频信号和相应的信号功率。

扫频控制：综合控制器将某一频段的最低频点和最高频点、输出功率、跳频时间间隔、频率跳频步长等信息发送给跳频控制器，由跳频控制器控制频率合成器，按照跳频时间对该频段进行扫描。

图5 跳频控制器功能框图

跳频控制器控制频率合成器的同时，根据输出功率要求，采用高精度电压控制芯片TLV5623 控制功率放大器单元输出功率。

3 频率合成器设计

3.1 合成器方案选择

通常实现跳频频率合成器的方案有传统的锁相环混频方案和直接数字（DDS）合成方案。

标准短波频率范围为3MHz～30MHz，但为了充分发挥短波通信特点，实际短波电台经常选用频率范围1.5MHz～30MHz，也即频率覆盖系数为20。如果采用单锁相环直接频率合成，必须采用多频段的压控振荡器和多锁相环路，系统将会变得很复杂。为简化系统的复杂程度，提高可靠性，选择DDS 直接数字合成方案。

由于本系统要求DDS 具有扫频功能，而且要求DDS 芯片低功耗，选用ANALOG DEVICE 公司AD9954[1]。

3.2 频率合成

跳频控制器将解析出的跳频图案等信息经串口送给频率合成系统的FPGA 处理，FPGA 产生相应的控制信号给DDS芯片AD9954，控制AD9954 输出跳频信号。通过FPGA 控制AD9954 三种工作模式见图6。

图6 FPGA 控制流程图

当输出单个频点信号时，只需要配置相位控制字寄存器和频率控制字寄存器以及初始化寄存器。输出跳频信号只要循环设置单个频点的寄存器。输出频段循环扫描信号时，由于AD9954 内部自带线性扫频功能，因此只需要在设置单频点寄存器的基础上对频率步进、驻留时间进行设置即可。输出跳频信号时，在输出单个频点的基础上进行频率点跳变即可。

4 固态功率放大器

图7 中上面部分为功放单元的推动及末级功放管，从跳频频率合成器的跳频信号经过两级推动后给末级功放管完成功率的最后放大，并经过隔离器输出；下面部分为馈电、检测、报警及控制等。

图7 功放单元示意图

为保护功率放大器，提高全系统可靠性，在功放单元增加了功率检测和功率控制，功率检测部分主要检测功放的正反向功率，并将检测结果送至面板显示单元，便于在面板上直观的显示功放单元的工作状态。在显示面板上设置故障告警灯提供告警。

推动1 是小信号放大器，由频率合成系统输出信号0dBm，接到RF 输入端口，其增益为15dB。

推动2 考虑到功率可调，因此采用增益可控放大器，本放大器的控制电压由0～5V 连续可调，控制电压与增益具有良好的线性度。

在控制电压为0V 时，此放大器具有9dB 增益。当控制电压5V 时，此放大器具有20dB 增益。

末级功放采用高功率、高增益GaAs FET 放大器，放大器增益13dB，输出功率50dBm。考虑到信号在介质中损耗和馈线损耗及放大器随温度的升高增益下降，留有余量4dB，经天线输出最大为46dBm。

5 综合性能评估

5.1 主机输出功率

跳频频率合成器输出信号为0dBm，功率放大器的推动1增益为15dB，推动2 增益最大为20dB，末级功放的增益为13dB，因此功率放大器输出的最大功率为Pmax=0+15+20+13=48dBm，能模拟典型短波跳频电台功率特征。

5.2 最高跳频速率

因为AD9954 频率锁定时间＜1ms，FPGA 对AD9954 寄存器的控制时间＜1ms，最高跳频速率500hop/s 以上（即每跳最小间隔为2ms），已覆盖典型短波跳频电台的跳频速率。

5.3 频率调整步长

6 结语

本文提出了一种低成本短波跳频发信靶标方案，能模拟复杂训练靶场上蓝方典型短波跳频电台的通信特征，并支持实弹射击命中检测，为复杂电磁环境下开展实战化训练提供支撑手段。