中頻采樣數(shù)字下變頻脈沖壓縮處理研究

【摘 要】中頻采樣數(shù)字下變頻脈沖壓縮處理技術(shù)在雷達(dá)信號(hào)處理中發(fā)揮著重要的應(yīng)用，文章首先對(duì)其系統(tǒng)原理進(jìn)行分析；再進(jìn)行了高速A/D采樣電路設(shè)計(jì)；然后完成了數(shù)字下變頻及脈沖壓縮處理原理框圖的設(shè)計(jì)；提出了一種針對(duì)不同脈沖寬度信號(hào)的多通道時(shí)域和頻域脈沖壓縮處理算法。最后，對(duì)非線性調(diào)頻信號(hào)用負(fù)調(diào)制斜率完成了頻域脈沖壓縮加hamming窗的matlab仿真，并對(duì)其進(jìn)行分析，得出了一些有價(jià)值的結(jié)論。

【關(guān)鍵詞】中頻采樣 數(shù)字下變頻 非線性調(diào)頻 脈沖壓縮處理仿真

一、引言

隨著器件水平的不斷發(fā)展，原來(lái)在基帶完成的低速采樣已經(jīng)可以向前推進(jìn)到中頻完成高速采樣；同時(shí)，對(duì)中頻信號(hào)的下變頻也由模擬方式轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字下變頻方式；脈沖壓縮處理也已經(jīng)從過(guò)去使用的多片DSP依靠鏈路口傳輸信號(hào)到現(xiàn)在主要由大規(guī)?？删幊踢壿嬰娐返腇PGA器件來(lái)完成。中頻采樣能夠提高信號(hào)的信噪比，數(shù)字下變頻技

術(shù)能夠較好的保證兩路正交信號(hào)的幅度和相位平衡。

本文通過(guò)中頻采樣后把信號(hào)分為I、Q兩路信號(hào)進(jìn)行數(shù)字下變頻、低通濾波和抽取，然后再對(duì)兩路正交信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮處理。提出了一種針對(duì)不同脈沖寬度信號(hào)的多通道時(shí)域和頻域脈沖壓縮處理算法。

二、系統(tǒng)原理分析

圖 1中頻采樣數(shù)字下變頻脈沖壓縮處理原理圖

由圖1可知，該中頻采樣數(shù)字下變頻脈沖壓縮處理原理圖輸入模擬中頻信號(hào)，通過(guò)高速A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生數(shù)字中頻信號(hào)，再進(jìn)行數(shù)字下變頻產(chǎn)生I、Q兩路正交的數(shù)字信號(hào)，依次通過(guò)低通濾波器，并進(jìn)行1/2抽取來(lái)降低數(shù)據(jù)率。最后，在脈沖壓縮處理系統(tǒng)中根據(jù)信號(hào)的不同脈沖寬度采用相應(yīng)的脈壓處理算法，從而產(chǎn)生所需的脈壓輸出信號(hào)。

在圖1中，要完成輸入信號(hào)的中頻采樣數(shù)字下變頻，其采樣頻率與數(shù)字下變頻NCO的輸出頻率應(yīng)滿足以下條件[1]。

在上式中，選取適當(dāng)?shù)闹担?dāng)滿足式（1）-（2）時(shí)，兩路數(shù)字中頻信號(hào)就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字下變頻。然后再完成后面的脈沖壓縮處理工作。

三、高速A/D采樣電路設(shè)計(jì)

將模擬中頻信號(hào)分兩路輸入到AD6645，其中一路為原模擬中頻信號(hào)，另一路為其補(bǔ)碼信號(hào)，AD6645原理圖如圖2所示[2] [3]。

在圖2中，模擬輸入信號(hào)ANALOG SIGNAL經(jīng)過(guò)4：1變壓器耦合后分兩路差分輸入到和，差分輸入不僅能完全抑制共模噪聲，還能抵消掉兩線之間的電場(chǎng)干擾信號(hào)。同時(shí)，AD時(shí)鐘源經(jīng)過(guò)1：4變壓器耦合后分兩路送到輸入端和。分別為編碼輸入和差分編碼輸入。VREF作為參考電壓接2.4V， OVR為溢出位，DMID為輸出電壓的中值，DRY為數(shù)據(jù)準(zhǔn)備輸出。D13到D0為并行輸出的14位2進(jìn)制補(bǔ)碼數(shù)據(jù)，其中，D0為低位D13為高位。其14位輸出信號(hào)各串接100是為了降低輸入端的電壓，防止器件的損壞，為了消除不同電源間的串?dāng)_，5V和3.3V電源分別采用不同的接地方式，同時(shí)，數(shù)字地和模擬地根據(jù)需要和10mH的電感相連接。和AD9445相比，AD6645的SFDR高10dB、SNR高2dB、功耗低0.8W。

四、數(shù)字下變頻及脈沖壓縮處理設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)高速采樣電路以后，14位數(shù)字中頻信號(hào)分成I、Q兩路進(jìn)行數(shù)字下變頻和脈沖壓縮處理，其原理圖如圖3所示。

數(shù)字下變頻的實(shí)現(xiàn)是根據(jù)選擇控制模塊提供的地址對(duì)數(shù)字中頻信號(hào)以及通過(guò)反相器后的進(jìn)行輸出。數(shù)字中頻信號(hào)和均采用補(bǔ)碼輸出，根據(jù)選擇控制模塊的不同地址進(jìn)行輸出，其中，的輸出在這里只是一種近似計(jì)算，負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼為其原碼取反加1，同時(shí)，考慮到信號(hào)最低位噪聲的干擾，在計(jì)算中，最低位可以不作為有效位，因此，這種近似運(yùn)算是可行的。在進(jìn)行脈沖壓縮處理之前I、Q兩路信號(hào)還要進(jìn)行低通濾波和降低數(shù)據(jù)率所進(jìn)行相應(yīng)的抽取。

對(duì)進(jìn)入脈沖壓縮處理系統(tǒng)的信號(hào)，其時(shí)寬為T，帶寬為B，其時(shí)寬帶寬積為TB，當(dāng)TB<時(shí)，通過(guò)FIR濾波器進(jìn)行時(shí)域脈壓處理，當(dāng)TB>時(shí)，通過(guò)FFT以及IFFT進(jìn)行頻域脈壓處理，依據(jù)一般性原則，這里定為30，通過(guò)地址控制，分通道完成時(shí)域和頻域脈壓處理能夠提高系統(tǒng)的處理能力和實(shí)時(shí)性。最后，脈沖壓縮處理的輸出信號(hào)由雙端口RAM輸出。

五、脈沖壓縮處理實(shí)驗(yàn)與仿真

下面對(duì)脈沖寬度T=100us，帶寬B=5MHz的中頻信號(hào)進(jìn)行脈壓處理，考慮到AD6645的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換率，本次MATLAB仿真采樣頻率=80MHz，由于BT=500遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于30，因此，脈沖壓縮處理采用頻域脈壓來(lái)完成。這里對(duì)非線性調(diào)頻信號(hào)在頻域下完成脈沖壓縮處理，同時(shí)，采用負(fù)調(diào)制斜率進(jìn)行調(diào)制，如圖4所示；產(chǎn)生的負(fù)調(diào)制斜率調(diào)頻信號(hào)如圖5所示。

非線性調(diào)頻信號(hào)設(shè)計(jì)的原則就是使產(chǎn)生的信號(hào)具有窗形頻譜，這樣就能既避免失配損失又能得到較低的距離旁瓣。最終使其輸出頻譜的形狀由窗函數(shù)決定[4]。

由于hamming窗旁瓣抑制效果較好，而且實(shí)現(xiàn)較為容易，因此，本次非線性調(diào)頻信號(hào)所使用的窗函數(shù)用hamming窗函數(shù)來(lái)完成，其函數(shù)表達(dá)式如下式所示。

采用負(fù)調(diào)制斜率的非線性調(diào)頻信號(hào)脈沖壓縮仿真圖如圖6所示，由其仿真圖可知，其主副瓣抑制比可以達(dá)到40.08 dB。考慮到各種損耗和誤差，實(shí)際的主副瓣抑制比也應(yīng)該能達(dá)到38 dB。因而，采用非線性調(diào)頻的脈沖壓縮處理方法，雖然通過(guò)加窗使信噪比損失，同時(shí)，由于主瓣展寬使分辨率有一定的降低，但就總體而言，它還能使其整體的性能得到改善和提高。

六、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)前面的系統(tǒng)原理圖對(duì)中頻采樣數(shù)字下變頻脈沖壓縮處理的理論進(jìn)行了分析，完成了高速A/D采樣電路設(shè)計(jì)、數(shù)字下變頻及脈沖壓縮處理設(shè)計(jì)并且對(duì)非線性調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行了脈沖壓縮處理的仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)加窗使非線性調(diào)頻信號(hào)脈沖壓縮處理的旁瓣抑制比得到了很大的提高，其缺點(diǎn)就是使其主瓣得到了一定的展寬，經(jīng)過(guò)對(duì)其比較分析，該脈沖壓縮處理仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚴狗蔷€性調(diào)頻信號(hào)處理的整體性能得到改善和提高，下一步的工作就是將數(shù)字下變頻及脈沖壓縮處理部分放在FPGA中去實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]龔翠玲，吳超，宋萬(wàn)杰，吳順君.非理想中頻信號(hào)帶通采樣及數(shù)字正交檢波器設(shè)計(jì)[J].電子科技，2008，（1）：1-2。

[2]林相波，姚遠(yuǎn)程，趙裕民 .AD6645型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器在軟件無(wú)線電中的應(yīng)用[J].國(guó)外電子元器件，2006，（3）：71-72。

[3]AD6645數(shù)據(jù)手冊(cè).AD公司。

[3賀知明.“多波形頻域脈壓并行處理機(jī)的設(shè)計(jì)及相關(guān)技術(shù)研究”，成都，電子科技大學(xué)博士論文，2003：44-47。

作者簡(jiǎn)介：

薛衛(wèi)東（1977-），男，工程師，碩士，主要研究方向：信號(hào)處理軟硬件設(shè)計(jì)。

李博（1978-），男，工程師，主要研究方向：信號(hào)處理軟硬件設(shè)計(jì)。

武軍鋒（1980-），男，工程師，主要研究方向： 信號(hào)處理及電磁兼容設(shè)計(jì)。

秦光明（1947-），男，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向：雷達(dá)總體設(shè)計(jì)。