采用全數(shù)字接收機的航管二次雷達系統(tǒng)研究

馮華平

摘 要：全數(shù)字接收機技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，本文給出了一種采用全數(shù)字接收機技術(shù)的航管二次雷達系統(tǒng)方案，對系統(tǒng)中全數(shù)字接收機部分進行了重點論述。經(jīng)實際使用，證明了全數(shù)字接收機技術(shù)應(yīng)用于航管二次雷達系統(tǒng)中是可行的。

關(guān)鍵詞：航管二次雷達 全數(shù)字接收機 直接數(shù)字合成

中圖分類號：TN959.2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（b）-0010-01

航管二次雷達是應(yīng)用于傳統(tǒng)空中交通管制系統(tǒng)中的重要設(shè)備，可對空中合作目標進行有效監(jiān)視，能夠向管制中心提供目標的方位、距離、A代碼和氣壓高度等信息，具有S模式的二次雷達與普通A/C模式的二次雷達相比，不僅可以提供更好的監(jiān)視能力，還可以提供空中和地面的數(shù)據(jù)鏈接能力[1]，增強地面與空中目標的信息交互。

航管二次雷達工作于L波段，最初采用的是視頻采樣技術(shù)。隨著雷達接收機技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了數(shù)字中頻采樣技術(shù)，該技術(shù)已經(jīng)十分成熟，因此視頻采樣技術(shù)逐漸被數(shù)字中頻技術(shù)替代。近年來，雷達接收機的數(shù)字化水平越來越高，超高速數(shù)字電路技術(shù)迅速發(fā)展，目前L波段的全數(shù)字化接收機技術(shù)已經(jīng)逐步成熟。本文介紹了采用全數(shù)字化接收機技術(shù)的航管二次雷達系統(tǒng)的組成和原理，重點介紹了系統(tǒng)中的全數(shù)字接收機部分，并在實際的項目中對該系統(tǒng)進行了驗證。

1 航管二次雷達系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)組成

航管二次雷達一般由天線系統(tǒng)（包括天線、天線座和伺服系統(tǒng)）、饋線系統(tǒng)、發(fā)射機、接收機、信號處理器、數(shù)據(jù)處理器和顯示與控制單元組成。

1.2 系統(tǒng)工作原理

（1）二次雷達詢問信號的產(chǎn)生。

在航管二次雷達的顯示與控制單元界面上可以對二次雷達的工作模式進行設(shè)置，該設(shè)置命令發(fā)給二次雷達的數(shù)據(jù)處理器，數(shù)據(jù)處理器將命令轉(zhuǎn)發(fā)給信號處理器的定時模塊，由定時模塊產(chǎn)生詢問脈沖序列，送往接收機的激勵模塊進行調(diào)制，產(chǎn)生的激勵信號送發(fā)射機進行功率放大，得到大功率的射頻信號，該射頻信號經(jīng)饋線系統(tǒng)傳輸至天線，由天線向空間輻射。

（2）二次雷達對應(yīng)答信號的接收與處理。

飛機上的應(yīng)答機接收到詢問信號后，會對詢問信號進行模式判別，然后根據(jù)詢問模式產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)答脈沖序列，再對應(yīng)答脈沖序列進行調(diào)制和功率放大，形成大功率射頻信號，送往應(yīng)答機天線，由天線向空間輻射。

二次雷達的天線接收到應(yīng)答信號后，通過饋線系統(tǒng)將應(yīng)答信號送入接收通道，根據(jù)系統(tǒng)方案的不同，接收通道可以輸出射頻信號，也可以輸出中頻信號或視頻信號，送入信號處理器做應(yīng)答預(yù)處理、應(yīng)答處理，處理形成的應(yīng)答報告送往數(shù)據(jù)處理器進行點、航跡處理，最終形成航跡報告，送往顯控終端或管制中心進行顯示。

2 采用全數(shù)字接收機的航管二次雷達系統(tǒng)設(shè)計

2.1 全數(shù)字接收機與信號處理器功能模塊劃分

全數(shù)字接收機由模擬部分和數(shù)字部分兩部分組成。

（1）模擬部分。

模擬部分對天線來的射頻應(yīng)答信號進行濾波和低噪聲放大，對數(shù)字部分產(chǎn)生的D/A輸出信號進行濾波和放大，另外還產(chǎn)生系統(tǒng)所需的時鐘。

（2）數(shù)字部分。

數(shù)字部分對定時模塊產(chǎn)生的基帶信號進行數(shù)字上變頻和D/A轉(zhuǎn)換，對模擬部分輸出的放大后的射頻應(yīng)答信號進行射頻A/D采樣和數(shù)字下變頻。

與全數(shù)字接收機相匹配的信號處理器的組成及模塊劃分與傳統(tǒng)的航管二次雷達信號處理器相同：均由定時模塊、應(yīng)答預(yù)處理模塊和應(yīng)答處理模塊組成，完成詢問序列的產(chǎn)生和應(yīng)答處理功能。其不同之處在于定時模塊產(chǎn)生的詢問序列的信號形式不同：傳統(tǒng)的定時模塊產(chǎn)生的是脈沖框架，采用DDS方式的定時模塊產(chǎn)生的是數(shù)字化的I/Q序列。

2.2 全數(shù)字接收機與信號處理器硬件設(shè)計

本系統(tǒng)中將接收機模擬部分的功能合并為一個模塊，接收機數(shù)字部分與信號處理器集成在一塊印制板上。

接收機模擬部分由濾波和放大電路、激勵放大電路和時鐘源組成；數(shù)字部分由兩塊FPGA、DAC和射頻ADC組成[3]。（在FPGA中完成數(shù)字上變頻、數(shù)字下變頻、定時和應(yīng)答處理功能）。

數(shù)字上變頻的功能包括濾波、內(nèi)插和混頻，即將數(shù)字I/Q序列分別通過FIR內(nèi)插成型濾波器，將數(shù)據(jù)的采樣頻率提高到射頻采樣頻率，NCO產(chǎn)生兩路完全正交的數(shù)字離散載波，保證調(diào)制時I、Q兩路數(shù)據(jù)完全正交[4]。合成后的信號送DAC，產(chǎn)生模擬的激勵信號。

數(shù)字下變頻的功能包括混頻、濾波和抽取，即將射頻數(shù)字信號變成零中頻數(shù)字信號，通過濾波器將需要的信號濾出來，通過抽取將數(shù)據(jù)速率盡可能降低[3]。

2.3 全數(shù)字接收機與信號處理器的工作過程

全數(shù)字接收機的工作過程為：

定時器產(chǎn)生正交調(diào)制的I/Q數(shù)據(jù)，然后進行數(shù)字上變頻、D/A轉(zhuǎn)換、帶通濾波、放大，形成1030MHz的激勵信號送發(fā)射機；

天線來的應(yīng)答信號經(jīng)過接收通道的濾波和放大后，輸出1090MHz的射頻信號進行射頻A/D采樣，然后進行數(shù)字下變頻，輸出基帶的I/Q信號送信號處理器做應(yīng)答預(yù)處理和應(yīng)答處理。

2.4 接收機技術(shù)指標要求

（1）接收靈敏度：優(yōu)于-90 dBm。（2）接收帶寬：8 MHz±1 Hz。（3）接收動態(tài)范圍：不小于80 dB。要達到指標，接收通道及ADC的動態(tài)范圍均需達到80dB，ADC的位數(shù)至少需要14位。（4）接收通道增益.由于射頻ADC的噪聲相對中頻ADC的噪聲要大一些，因此采用射頻ADC的接收通道增益應(yīng)比采用中頻ADC的接收通道增益適當大一些，以減小系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，保證系統(tǒng)靈敏度能夠達到設(shè)計要求。

3 實驗結(jié)果

實測的全數(shù)字接收機指標如下。

（1）接收靈敏度達到了-95dBm。（2）接收帶寬8MHz。（3）接收動態(tài)范圍為81dB。

將該采用全數(shù)字接收機的航管二次雷達接入天、饋線及伺服系統(tǒng)平臺，在外場進行實驗。

經(jīng)過實際觀測，雷達的作用距離不小于400 km，目標的距離精度為43 m，方位精度為0.08°，航跡平滑、連續(xù)。

4 結(jié)語

本文首先介紹了航管二次雷達的系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理，然后給出了采用全數(shù)字接收機的航管二次雷達系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計方案，詳細論述了系統(tǒng)中的全數(shù)字接收機部分，最后給出了采用全數(shù)字接收機的航管二次雷達系統(tǒng)的實驗結(jié)果。

本文涉及的全數(shù)字接收機已應(yīng)用于航管二次雷達上。經(jīng)工程實踐證明，采用全數(shù)字接收機的航管二次雷達方案是可行的，后續(xù)還需對雷達的測量精度做進一步的優(yōu)化，以滿足實際使用的要求。

參考文獻

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[2] 楊小牛，樓才義，徐建良.軟件無線電原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.

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[4] 王洋聰，朱冬.DDS技術(shù)在軟件無線電中的應(yīng)用[J].山西電子技術(shù)2005（5）.endprint