電離層探測(cè)系統(tǒng)模擬接收前端設(shè)計(jì)

張?zhí)忑?/p>

介紹了一種電離層探測(cè)系統(tǒng)模擬接收端的實(shí)現(xiàn)方法，由兩級(jí)VGA及跟蹤濾波器組成，能夠適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境系的電離層探測(cè)并驅(qū)動(dòng)后級(jí)ADC。VGA電路設(shè)計(jì)兼顧低噪小信號(hào)放大和抗飽和能力，電調(diào)諧跟蹤濾波器有效抑制帶外干擾。

【關(guān)鍵詞】電離層 探測(cè)系統(tǒng) 設(shè)計(jì)

短波是重要的戰(zhàn)略頻率資源，在戰(zhàn)略通信、超視距探測(cè)等應(yīng)用中擁有無(wú)可替代的作用。短波由于其電離層反射傳播的傳播方式帶來(lái)的抗打擊能力和超視距傳播能力被人們重視，新的短波技術(shù)快速涌現(xiàn)。這些技術(shù)依賴于良好的信道建模和信道參數(shù)，因此對(duì)電離層進(jìn)行探測(cè)和研究也受到重視。電離層探測(cè)系統(tǒng)通過(guò)向電離層發(fā)射脈沖調(diào)制信號(hào)進(jìn)行頻率掃描，并對(duì)電離層回波的信號(hào)的時(shí)延、振幅、多普勒頻移等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

天線感生到的回波信號(hào)的電平變化幅度很大，需要模擬接收端具有增益控制功能以便使ADC能夠有效的對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行采樣。與一般的短波接收機(jī)不同，電離層探測(cè)需要對(duì)回波信號(hào)的幅度進(jìn)行測(cè)量以便得到電離層對(duì)電波的衰減特性，因此增益需要受到系統(tǒng)的具體控制。短波波段有大量的干擾信號(hào)，干擾信號(hào)可能遠(yuǎn)大于測(cè)量信號(hào)，使放大器無(wú)法對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行有效放大，需要接收前端能與發(fā)射頻率相協(xié)調(diào)進(jìn)行窄帶跟蹤濾波來(lái)抑制帶外干擾。

1 接收前端功能與結(jié)構(gòu)

電離層探測(cè)系統(tǒng)的接收天線接收到的0.6～32MHz的回波信號(hào)先經(jīng)過(guò)位于天線附近的預(yù)處理電路后的50歐信號(hào)傳遞給模擬接收前端進(jìn)行處理，在模擬端接收前端進(jìn)行放大濾波處理后再經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換（76MHz）、數(shù)字下變頻、 數(shù)字濾波等數(shù)字化處理后將接收數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。電離層探測(cè)系統(tǒng)模擬接收前端電路由第一VGA、跟蹤電調(diào)諧濾波電路、第二VGA以及控制電路組成。

第一級(jí)VGA為低噪放大器，的增益范圍為-32dB～23dB，較低的噪聲系數(shù)和較大的前級(jí)增益可以提高系統(tǒng)的噪聲特性，但第一級(jí)VGA的輸出不宜過(guò)大，一是第一級(jí)輸入為寬帶信號(hào)，大增益輸出時(shí)放大器的非線性會(huì)產(chǎn)生大量的互調(diào)干擾，而在惡劣的電磁環(huán)境下，強(qiáng)干擾進(jìn)入放大器會(huì)使放大器出現(xiàn)飽和，影響對(duì)有用信號(hào)的處理能力。另一方面，由于后級(jí)的跟蹤濾波電路特性，過(guò)大的輸入信號(hào)會(huì)對(duì)其性能造成影響。而在惡劣的電磁環(huán)境下，第一VGA會(huì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行衰減來(lái)穩(wěn)定跟蹤濾波器的特性。

信號(hào)先經(jīng)過(guò)第一VGA進(jìn)行放大后進(jìn)入跟蹤濾波器抑制帶外干擾信號(hào)，消除干擾信號(hào)對(duì)第二VGA影響。跟蹤濾波的重點(diǎn)在于提供精準(zhǔn)的中心頻點(diǎn)和較窄的帶寬，更進(jìn)一步濾波由數(shù)字系統(tǒng)完成。跟蹤濾波器為分波段的電調(diào)諧窄帶濾波器，采用分波段結(jié)構(gòu)，各波段中心頻點(diǎn)電控可調(diào)，而電離層探測(cè)中會(huì)以線性步長(zhǎng)進(jìn)行脈沖頻率掃描，因此期望跟蹤濾波的絕對(duì)帶寬保持不變。

經(jīng)過(guò)濾波的窄帶信號(hào)進(jìn)入第二VGA進(jìn)行放大，此時(shí)由于信號(hào)變?yōu)檎瓗盘?hào)且對(duì)帶外干擾進(jìn)行了有效抑制，第二VGA的增益可以比較大，增益范圍設(shè)為17～48dB。跟蹤濾波器和低通濾波器存在約5dB的衰減，考慮設(shè)計(jì)指標(biāo)及設(shè)計(jì)余量，系統(tǒng)使用的增益范圍設(shè)為-18～63dB。

模擬接收前端的增益、跟蹤濾波的中心頻點(diǎn)等參數(shù)由電離層探測(cè)系統(tǒng)通過(guò)通信接口傳遞給控制電路并由微控制器負(fù)責(zé)具體控制。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 VGA電路

第一VGA需要直接處理天線感生信號(hào)，在強(qiáng)干擾情況下可能使放大器產(chǎn)生飽和，而在良好電磁環(huán)境下又希望其擁有良好的噪聲特性，因此第一VGA采用分路設(shè)計(jì)，分別為直接衰減通路和放大衰減通路，由兩個(gè)HMC545模擬開關(guān)配合選擇輸入信號(hào)進(jìn)入放大器后通過(guò)衰減器還是直接通過(guò)衰減器。放大器采用GaL-74單片式放大器，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用方便，在提供25dB的固定增益，1dB壓縮點(diǎn)高達(dá)19dBm，能夠在較強(qiáng)干擾下不出現(xiàn)飽和，噪聲系數(shù)低達(dá)2.7dB，很適合作為前級(jí)低噪聲放大器。衰減器采用HMC307程控衰減器，它在短波波段擁有良好的特性和較小的誤差，插入損耗約為1.7dB提供0～31dB步長(zhǎng)為1dB的程控衰減。因此兩個(gè)通路共同形成了-32～23dB的增益范圍。

第二VGA與第一VGA相似，采用相同的芯片，不同的是VGA結(jié)構(gòu)采用了放大衰減放大結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)既保證了較小的噪聲系數(shù)又減小了輸入過(guò)載輸出飽和的幾率。

2.2 跟蹤濾波電路

電調(diào)諧濾波器采用分波段結(jié)構(gòu)，將0～32MHz頻帶分為6個(gè)波段，頻帶覆蓋率為1.94。進(jìn)行再帶濾波考慮諧振濾波的電路，以電容為可變電抗。耦合諧振回路矩形系數(shù)較好，帶外能力較強(qiáng)，但是耦合系數(shù)會(huì)隨電抗的改變而變，且等品質(zhì)因數(shù)下帶寬較大，因此采用單諧振回路。單諧振回路的帶寬BW=f0/QL其中f0=為諧振頻率，QL為帶負(fù)載品質(zhì)因數(shù)，并聯(lián)諧振QL=ω0 C/g，，串聯(lián)諧振QL=ω0 L/R因此并聯(lián)、串聯(lián)諧振灰度的帶寬分別為g/2πC和R/2πL，其中g(shù)、R分別為折合到諧振回路電導(dǎo)和電阻。為了使絕對(duì)帶寬保持不變，以電容作為可變電抗時(shí)應(yīng)采用串聯(lián)諧振電路。

可變電容通過(guò)頭對(duì)頭的變?nèi)荻O管實(shí)現(xiàn)，控制電路DA輸出控制電壓經(jīng)高壓運(yùn)放反向作用于變?nèi)莨埽瑸榱耸棺內(nèi)莨芄ぷ髟诶硐雲(yún)^(qū)域，-5V的電壓作用于變?nèi)荻O管的正向。為了得到較窄帶寬需要提高諧振回路的品質(zhì)因數(shù)，在兩端采用4：1和1：4匝數(shù)比的理想變壓器降低諧振回路的等效電阻。根據(jù)BW=R/2πL選擇電感，使帶寬占所在段的3%左右。輸入信號(hào)由變壓器直接耦合至6個(gè)波段，各波段輸出分別使用變壓器耦合并用PIN管開關(guān)電路選擇輸出。

串聯(lián)諧振的電抗電壓較大，信號(hào)會(huì)改變變?nèi)莨軆啥说碾妷菏怪C振頻率發(fā)生漂移，產(chǎn)生寄生調(diào)制造成非線性壓縮，因此跟蹤濾波的輸入電壓不易過(guò)大，而這限制了第一VGA的增益。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)電路適用于小功率數(shù)字化電離層探測(cè)系統(tǒng)，能夠確保在存在大功率干擾對(duì)探測(cè)信號(hào)的有效接收，噪聲系數(shù)最低為2.9dB，配合滿量程2伏14位DAC靈敏度達(dá)-120dBm。

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作者單位

武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院 湖北省武漢市 430070