一種小型數(shù)字化測向設(shè)備的研究

李越嶺，黎仁剛

（船舶重工集團(tuán)公司723所，揚(yáng)州225001）

0 引 言

在現(xiàn)代電子戰(zhàn)中，確定雷達(dá)方位是偵察接收最重要的任務(wù)之一［1］。傳統(tǒng)的測向裝備設(shè)備量大、價(jià)格昂貴，難以實(shí)際應(yīng)用于大批量、小載荷類平臺(tái)中。對(duì)此，在本設(shè)計(jì)中利用數(shù)字化技術(shù)研制出一種小型數(shù)字化測向接收機(jī)，不僅能夠有效地解決同時(shí)到達(dá)信號(hào)問題，提高測向精度；而且體積小，重量輕，接口更靈活，成本更低，適裝于各類平臺(tái)。

1 數(shù)字式寬帶信道化技術(shù)優(yōu)勢(shì)

在傳統(tǒng)的模擬信道化體制接收機(jī)中，大量微波件的體積、重量和昂貴的成本制約著技術(shù)的發(fā)展和場合的應(yīng)用。例如假設(shè)希望覆蓋2～8GHz頻段，分析的窄脈沖200ns，理論上就需要1 200個(gè)帶寬為5MHz的濾波器，這樣硬件量明顯很龐大［2］。即使隨著工藝水平的提高，微波單片集成電路（MMIC）、聲表面波（SAW）技術(shù)日趨成熟，但是在某些特殊應(yīng)用場合，如對(duì)小型化要求苛刻的導(dǎo)彈平臺(tái)、無人機(jī)、干擾吊艙等，模擬體制無論是體積或是量產(chǎn)成本上都有著先天不足。

而在數(shù)字信道化體制接收機(jī)中，隨著高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）采樣芯片的出現(xiàn)，特別是1～2GHz多通道采樣芯片的普遍使用，使數(shù)字采樣過程在接收機(jī)中的位置不斷“前移”，能夠用數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)部分微波設(shè)計(jì)。目前ADC芯片采樣頻率已經(jīng)接近射頻信號(hào)的頻率，因此小型化0.5～1GHz瞬時(shí)帶寬范圍的數(shù)字接收機(jī)在工程上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)模擬體制相比，數(shù)字化體制的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在如下幾點(diǎn)：

（1）數(shù)字信道化中的數(shù)字多相濾波器可設(shè)計(jì)成線性相位，所有信道間有統(tǒng)一幅度增益，更加有利于實(shí)現(xiàn)指標(biāo)，提高精度。

（2）數(shù)字信道化中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字多相濾波器、數(shù)字下變頻、數(shù)字信道化后端處理，在一兩塊大規(guī)?？删幊碳呻娐分芯涂梢酝耆珜?shí)現(xiàn)，更利于在小型化設(shè)備中使用；同時(shí)與大量使用微波器件相比，設(shè)備成本大為降低。

（3）數(shù)字化技術(shù)可以大幅提高電子戰(zhàn)設(shè)備的運(yùn)算復(fù)雜度和處理能力，提供更多、更精確的測量參數(shù)，滿足日益發(fā)展的電子戰(zhàn)領(lǐng)域需求。

（4）數(shù)字化接收技術(shù)使得設(shè)備的設(shè)計(jì)更加靈活可變，可編程器件的使用讓產(chǎn)品的更新升級(jí)更簡單，無需改動(dòng)硬件，通過下載更新軟件程序就能實(shí)現(xiàn)各種新的需求、新的功能。

2 小型數(shù)字化測向接收機(jī)的設(shè)計(jì)

本文闡述的數(shù)字接收機(jī)硬件設(shè)計(jì)帶寬為500MHz，可實(shí)現(xiàn)最大帶寬700MHz。數(shù)字信道化前端變頻設(shè)計(jì)采用外差混頻技術(shù)，通過鎖相環(huán)技術(shù)產(chǎn)生本振頻率，下變頻至零中頻附近（50～550MHz），在工程上能滿足小型化設(shè)計(jì)要求；在500MHz帶寬內(nèi)信道化處理完全數(shù)字實(shí)現(xiàn)，主要包括數(shù)字多相濾波器、信道監(jiān)測和信道判決、瞬時(shí)相位計(jì)算、相位差計(jì)算及測向等。以下分別介紹小型數(shù)字信道化接收機(jī)設(shè)計(jì)、工程中遇到的問題以及最終測試結(jié)果。

2.1 小型數(shù)字信道化接收機(jī)的設(shè)計(jì)

在小型化設(shè)備中，能夠在非常受限的空間里完成對(duì)敵方雷達(dá)頻率、脈寬、幅度、到達(dá)時(shí)間、方位角5個(gè)基本參數(shù)的測量是件極具挑戰(zhàn)而富有意義的事情，5個(gè)參數(shù)中方位角是唯一不變的參數(shù)，并為信號(hào)分選提供最為直接的依據(jù)［3］。本設(shè)計(jì)采用多通道數(shù)字接收、并行數(shù)據(jù)處理技術(shù)，采用多基線、二維干涉儀比相法，不僅有效測向，精度也大為提高。

2.1.1 數(shù)字化接收機(jī)測向效果的理論限制

在接收機(jī)中偵測到的脈沖信號(hào)的幅度、相位和頻率一般都是未知量，而在噪聲環(huán)境中的參數(shù)估計(jì)結(jié)果精度并非可以無限制提高，而是受到一定的理論約束，這就是C－R下限理論［4］。同時(shí)又因?yàn)樗械奶幚矶荚跀?shù)字域完成，所以C－R下限使用離散數(shù)據(jù)計(jì)算。例如對(duì)于500MHz帶寬的信號(hào)，不考慮前端濾波器造成的通帶起伏和過渡帶，這樣保證采集的噪聲為白色的，采樣頻率為1GHz，C－R下限的討論依此采樣率為基準(zhǔn)，對(duì)于形如下式的信號(hào)：

式中：n（t）為白噪聲。

在以上假設(shè)下，其角頻率的估計(jì)值＾θ和相位估計(jì)值＾ω的均方誤差的C－R下限為：

式中：SNR為信號(hào)的信噪比；N為離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)；T為采樣間隔時(shí)間。

假設(shè)脈沖寬度0.2μs，信噪比0dB，由公式（3）可以得到相位差估計(jì)值Δ＾θ的均方誤差的最小值11.416°，在實(shí)際情況中保證通道間的相位差控制在20°之內(nèi)，都能夠正確測量方位角。

2.1.2 小型數(shù)字信道化接收機(jī)的硬件、軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，數(shù)字信道化接收機(jī)采用的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要由4片雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）芯片和3片現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）芯片組成。ADC的最高采樣率為1.5Gsps；FPGA邏輯規(guī)模較大，內(nèi)部乘法器較多，適合于此類應(yīng)用。

圖1 數(shù)字信道化接收機(jī)硬件結(jié)構(gòu)圖

數(shù)字信道化接收機(jī)的軟件工作是在FPGA中完成的，信道化軟件流程如圖2所示，整個(gè)算法由數(shù)字信道化、信道監(jiān)測、相位計(jì)算、頻率計(jì)算、相位差計(jì)算以及測向等組成。

圖2 數(shù)字信道化接收機(jī)軟件結(jié)構(gòu)圖

圖2中數(shù)字信道化模塊將每路輸入的數(shù)字信號(hào)分成16個(gè)信道，每個(gè)信道帶寬37.5MHz，其中0信道和16信道處于過渡帶內(nèi)，認(rèn)為無信號(hào)，所以實(shí)際有效信道數(shù)為14。信道濾波器的基帶原型的幅頻和相頻響應(yīng)如圖3，頻率作了歸一化處理，各信道的幅頻特性如圖4所示。

圖3 基帶原型濾波器的頻率、相位響應(yīng)

圖4 信道形成濾波器的頻率響應(yīng)

為了避免噪聲造成的信道邊緣的頻率模糊，信道化過程提高了1倍的采樣率，即實(shí)際的采樣率為75MHz。雖然這樣增加了1倍的硬件資源消耗，但可以從根本上杜絕頻率模糊現(xiàn)象的產(chǎn)生。信道監(jiān)測使用簡單的平滑門限檢測或者小波變換方法檢測，在指標(biāo)要求中的信噪比范圍均能較好完成信號(hào)檢測，而且可以實(shí)時(shí)完成。如果有信道過門限，避開信號(hào)的上升沿后，對(duì)應(yīng)信道的信道監(jiān)測通知各信號(hào)選取部件選擇對(duì)應(yīng)的信道，送往下一級(jí)相位計(jì)算。相位計(jì)算采用Cordic算法，在FPGA中采用流水模式計(jì)算，效率較高，此方法已比較成熟，此處不再贅述。后端的頻率計(jì)算和相位差計(jì)算均在此基礎(chǔ)上采用一定的積累方式完成。以上軟件設(shè)計(jì)程序經(jīng)Modelsim仿真、Synplify布局布線，最終在FPGA中實(shí)現(xiàn)數(shù)字信道化功能。

2.2 設(shè)計(jì)中遇到的問題

（1）多通道、高速率信號(hào)傳輸問題

本設(shè)備中每個(gè)測向通道的輸出數(shù)據(jù)率為9.6Gbit／s，共7路數(shù)據(jù)，并行總線的數(shù)據(jù)傳輸方式無法滿足設(shè)計(jì)需要。同時(shí)，印制板和發(fā)送、接收端口的阻抗失配造成信號(hào)畸變，大幅提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率，影響設(shè)計(jì)的可靠性，所以在設(shè)計(jì)中采用LVDS串行／解串器技術(shù)，將并行數(shù)據(jù)變成串行高速數(shù)據(jù)，然后通過差分線來傳輸，可明顯提高信號(hào)質(zhì)量；LVDS的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送采用ALTERA公司提供的altlvds＿rx和altlvds＿tx模塊來實(shí)現(xiàn)，并打開發(fā)送、接收模塊阻抗匹配電路，有效改善信號(hào)質(zhì)量。

（2）多通道數(shù)據(jù)同步問題

本設(shè)計(jì)采用多片F(xiàn)PGA互連方式，所有數(shù)據(jù)需傳輸至主控FPGA計(jì)算。因?yàn)樵O(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)性較高，無法使用異步先進(jìn)先出（FIFO）方式，因此需要各通道數(shù)據(jù)嚴(yán)格保持同步。數(shù)據(jù)同步包括2個(gè)方面，即位同步和幀同步。為了保證在環(huán)境變化的條件下能夠穩(wěn)定運(yùn)行，本設(shè)計(jì)中未使用固定相位取樣方法保證位同步，而是采用了動(dòng)態(tài)相位對(duì)準(zhǔn)（DPA）方法確保位同步。對(duì)于幀同步問題，在FPGA軟件設(shè)計(jì)上采用自適應(yīng)訓(xùn)練方法，動(dòng)態(tài)維持幀邊界對(duì)準(zhǔn)。因?yàn)榫捎昧藙?dòng)態(tài)對(duì)準(zhǔn)的方法，可以保證多通道嚴(yán)格同步的傳輸數(shù)據(jù)。

（3）“兔耳效應(yīng)”的改善

“兔耳效應(yīng)”來源于信號(hào)突變時(shí)產(chǎn)生的頻譜展寬，本文采用延時(shí)檢測的方法去除，以增加處理時(shí)延為代價(jià)換取檢測的準(zhǔn)確度。依據(jù)信道寬度所對(duì)應(yīng)的兔耳形狀，通過判斷輸入脈沖的形狀和寬度，確定輸入的信號(hào)是否為兔耳，如為兔耳則在信號(hào)中將該段剔除。

（4）測向中遇到的問題

保證多路相位差數(shù)據(jù)穩(wěn)定是測向的前提，在各種測向設(shè)備中相位差不穩(wěn)定是影響測向的關(guān)鍵問題。

在設(shè)備中微波前端各個(gè)通道相位誤差、多路數(shù)據(jù)所采用的時(shí)鐘不同步、脈沖穩(wěn)定時(shí)間的不確定性等都是引起相位差不穩(wěn)的因素，多路相位差在解模糊邊界上隨機(jī)產(chǎn)生的解模糊錯(cuò)誤也會(huì)使得測向結(jié)果發(fā)生較大偏差。本設(shè)備工程設(shè)計(jì)中在微波前端中使用溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備的微波前端環(huán)境溫度，在數(shù)字化后處理時(shí)對(duì)每個(gè)脈沖根據(jù)微波前端的環(huán)境溫度、測得的信號(hào)功率和頻率值對(duì)各路相位差做出相應(yīng)補(bǔ)償，從而提高測向精度。

2.3 測試結(jié)果

本設(shè)計(jì)中小型數(shù)字信道化接收機(jī)在暗室條件下，成功實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)指標(biāo)，接收機(jī)輸入信噪比為0dBc的情況下，測頻精度小于0.5MHz，整機(jī)測向精度在工作頻段內(nèi)小于0.6°。

3 結(jié)束語

小型數(shù)字化接收機(jī)的研制成功為數(shù)字化技術(shù)在苛刻條件下的應(yīng)用提供可能，但仍需在動(dòng)態(tài)范圍、高靈敏度指標(biāo)上進(jìn)一步研究。將來，此類接收機(jī)需要遵循發(fā)達(dá)國家相關(guān)產(chǎn)品模塊化、系列化發(fā)展思路，使數(shù)字接收機(jī)可覆蓋多頻段，并能應(yīng)用于雷達(dá)、電子戰(zhàn)、通信、遙感技術(shù)、導(dǎo)航定位、GPS等諸多領(lǐng)域。

［1］James Tsui.寬帶數(shù)字接收機(jī)［M］.楊小牛譯.北京：電子工業(yè)出版社，2002.

［2］施萊赫D C.信息時(shí)代的電子戰(zhàn)［M］.成都：信息產(chǎn)業(yè)部電子第二十九所，2000.

［3］張明友.數(shù)字陣列雷達(dá)和軟件化雷達(dá)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

［4］張明友，呂明.近代信號(hào)處理理論與方法［M］.北京：國防出版社，2005.