0 引言
调频法测距可用于连续波雷达，也可用于脉冲雷达。该高度跟踪系统以ADSP-BF533为核心，结合调频法测距，来完成跟踪空中炮弹飞行轨迹的任务，同时可实现对地面的预报警功能。
1调频测距法
调频测距系统中的发射频率一般按周期性三角波的规律变化，如图1所示。图中，f1是发射机的高频发射频率，ft0是它的平均频率，Tm是ft0变化的周期，fr从目标反射回来的回波频率，它和发射频率的变化规律相同，但在时间上滞后tR(tR=2R／c)。其中R为目标到发射机的距离，c为光速。发射频率调制的最大频偏为±△f，fb为发射和接收信号间的差拍频率，差拍的平均值用fbav表示。
如将图1中的发射频率ft和回波频fr写成以下表达式：
上式中的△f、Tm均为已知，因此，本系统只需提取中频差拍信号频率fbav，便可估算出炮弹离地面的距离。
2系统功能简介
高度跟踪系统是由射频天线和中频控制板两部分组成。本文主要介绍中频控制板部分，其数字化信号处理原理图如图2所示。
该系统安装在运行炮弹上面，先是接收外部收发控制脉冲触发的发送三角波，然后经信号处理器处理为脉内调制信号，再通过射频模块将所接收的中频差拍信号进行放大、采样、提取频率，最后估算出距离，若该距离超过门限值，则输出报警信号，以实现系统的自动报警功能。
3系统硬件设计
该系统中的频控制板部分主要包括电源转换芯片TPS5430和TPS70302、放大器芯片AD2613和两片AD746、A／D转换芯片AD9223、DSP芯片ADSP-BF533、D／A转换芯片AD9762、以及两片驱动芯片74ACT11244。其电路连接如图3所示。
该系统的系统电源为±12 V，可以直接供给运放AD746。可通过电源转换芯片TPS5430将+12V电平转换为+5 V电平来满足A／D转化芯片、D／A转换芯片、驱动芯片及前前级放大器供电的需要。另外，还可通过TPS70302电源转换芯片将5V电平转换为3.3 V和1.2 V电平来为DSP和FLASH供电。电源转换芯片TPS5430输出电流上门限为3A，可满足系统要求。
该系统输入中频信号为3～10 mV的微小差频信号，因此需将它们放大到可满足A／D转换芯片的输入电平2Vpp左右，需放大40～60 dB。该系统所采用的AD2613为四级放大器，增益分别为25dB、40dB、25 dB、40dB，其中第一级和第三级采用硬件控制其放大倍数，可利用三个放大倍数控制管脚LNP1、LNP2、LNP3，通过不同的相互连通方式，来控制这两级放大器的放大倍数。而第二级和第四级则采用软件控制其放大倍数的方式，通过三个增益控制管脚MGS1、MGS2、MGS3分别与DSP的PF4、PF5、PF6相连，利用软件来控制PF4、PF5、PF6，从而使这两级放大器可以实现8个不同的放大倍数。考虑到放大器实际增益的损耗，文中该系统选用其中的第一级、第二级和第四级，而第三级悬空，这样的放大倍数(25 dB+40 dB+40 dB=105 dB)可充分满足系统要求。另外，因为输入中频信号幅度太小，很容易被淹没在噪声中，因此，放大器每级之间都应加入滤波电路，以保证信号的准确性。
本系统采用的A／D、D／A转换芯片，均为12位高速芯片，可保证系统的实时性和精度。
该系统的数据处理选用Blackfin533，处理器内核包括2个16位乘法器，2个40位的累加器，2个40位的ALU，4个视频ALU和1个40位移位器。处理器内核时钟最高可达600 MHz，片上存储容量为148 kB。本系统采用10 M的晶振，可将内核时钟倍频至400 MHz，其系统时钟为100 MHz。
系统中ADSP-BF533所使用的资源包括2个定时器、DMA控制器、PPI端口和PF端口。系统初始化后，ADSP-BF533首先设置PLL、倍频输入时钟、产生内核时钟和系统外设时钟。然后初始化内部总线和各个需要的端口，其中定时器TIMER0为D／A转换芯片AD9762提供工作时钟，定时器TIMER1为A／D转换芯片AD9223提供工作时钟。
ADSP-BF533处理器可实现以下功能：
(1)中频信号放大：通过PF4、PF5、PF6端口来控制AD2613第二级和第四级的放大倍数。
(2)收发时间控制：产生收发开关控制信号，其宽度为3 ms，重复周期为80～120 ms随机变化；
(3)调制信号产生：通过PPI端口产生三角调制信号，并将其放大到特定幅度及偏置然后做为脉内调制信号传送给天线。
(4)测高处理：完成调频信号差频信号的频谱分析、杂波抑制和输出测高指示信号。
两片AD746为运算放大器，一片用来将D／A产生的三角波放大至7 V，一片用来将预报警开关信号放大至9 V。
4系统软件设计
本系统DSP软件使用C语言编写，采用3个中断来完成系统功能。系统初始化后，由PF2端口响应系统发出的收发控制信号，触发PF2中断，在PF2的中断服务程序EX_INTERRUPT_HAN-DLER(PF2_Isr)中使能PPI端口发数，并使能DMA控制3 ms发数时间。其中PPI所发的数是由MATLAB产生两个周期的三角波数据，并归一化使之成为0-4096之间的无符号整数，然后放人提前声明的缓存sPPI_TxBuffer中。一旦DSP接收到了数据就触发TIMER1中断，在TIMER1的中断服务程序EX_INTERRUPT_HANDLER(TIMER1_Isr)中将所接收到的数据写入TIMER1_RxBuffer1，当接收满1024个点时，就触发软中断，然后在软中断的中断服务程序EX_INTERRUFT_HANDLER(FFT_Isr对该1024个点的数据进行FFT运算，估计其频谱，最后由频谱估算出距离。若测算出的距离小于200 m，则将PF3至高，信号再经放大后，可作为输出预报警开关电平。图4所示是发送连续波时的DSP软件流程图。
5 结束语
本系统以处理器ADSP-BF533为中心，结合外部电源转换芯片、放大器芯片、A／D、DSP、驱动及放大器等外围电路，来实现调频法测距用以跟踪空中炮弹的飞行轨迹，同时可完成对地面的预报警功能。本系统的测试数据及报告分析准确，测试精度达±15 m，可应用于实际测绘。