一種瞬時大帶寬DRFM系統(tǒng)的信道化設(shè)計(jì)

高 山，翟龍軍，曲洪東，姜志森

（1.海軍航空大學(xué)，山東煙臺264001；2.陸軍航空兵學(xué)院機(jī)載系，北京101123）

隨著現(xiàn)代雷達(dá)距離分辨率的提高，具有瞬時大帶寬發(fā)射信號的寬帶雷達(dá)應(yīng)用越來越廣泛。在針對寬帶雷達(dá)的性能測試和性能驗(yàn)證中，需要能夠產(chǎn)生與發(fā)射信號相參的瞬時大帶寬的雷達(dá)回波信號[1-4]。寬帶數(shù)字射頻存儲系統(tǒng)（DRFM）是一種采用廣泛的寬帶雷達(dá)回波實(shí)現(xiàn)方案。在DRFM系統(tǒng)中，通常采用信道化技術(shù)實(shí)現(xiàn)寬載頻范圍內(nèi)的雷達(dá)信號接收與回波模擬產(chǎn)生[5-11]，但是在瞬時大帶寬回波信號的模擬產(chǎn)生過程中，往往需要實(shí)現(xiàn)跨信道信號處理。由于多信道濾波器組的非理想特性和可實(shí)現(xiàn)階數(shù)限制，對于處于濾波器過渡帶的窄帶信號和跨多個信道的大瞬時帶寬信號，難以實(shí)現(xiàn)信號帶寬全覆蓋，容易出現(xiàn)頻譜混疊或頻譜缺失[11-13]。

本文提出了一種DRFM的信道化劃分和濾波器優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，在此基礎(chǔ)上，給出了瞬時大帶寬DRFM系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。仿真結(jié)果表明，本文提出的設(shè)計(jì)方案可以實(shí)現(xiàn)Nyquist采樣帶寬內(nèi)任意帶寬信號的射頻存儲和模擬轉(zhuǎn)發(fā)，且具有較小的幅度失真，可以滿足瞬時大帶寬雷達(dá)回波信號的模擬需求。

1 寬帶信道化DRFM的基本結(jié)構(gòu)

1.1 數(shù)字濾波器組及信道化

信道化的基本思想是采用數(shù)字濾波器組把整個采樣頻帶[0,fs]劃分為若干個并行的信道輸出，使得信號無論何時在哪個信道出現(xiàn)，都可以進(jìn)行處理。濾波器組是包括一個共同輸入和若干輸出端的一組濾波器，如圖1所示。圖1中，hk(n)(k=0,1,…,D-1)為D個濾波器的沖激響應(yīng)，其共同輸入復(fù)信號為S(n)，有D個輸出信號yk(n)。如果D個濾波器組的功能是把寬帶信號S(n)均勻分成D個子頻帶信號輸出，則該濾波器組稱為信道化濾波器組[14]。

假定低通濾波器原型為：

則圖1中K個濾波器的沖激響應(yīng)為：

復(fù)信號濾波器組可以等效理解為把第D個子頻帶的信號頻率搬移到基帶（零中頻），然后通過后接的低通濾波器hLP(n)濾出對應(yīng)的子頻帶。由于濾波后的信號帶寬為2π/D，故可對其進(jìn)行D倍抽取，以獲得D路低采樣率的信號，便于后續(xù)信號處理。

在DRFM系統(tǒng)中，通過信道化接收得到雷達(dá)發(fā)射信號D個子頻帶的基帶信號，后續(xù)還需要進(jìn)行延時處理、幅度調(diào)制和多普勒頻率調(diào)制，然后將D個經(jīng)過調(diào)制的子頻帶的基帶信號經(jīng)過內(nèi)插后搬移到對應(yīng)信道的載頻上，然后合并為1路信號輸出。D個子頻帶的基帶信號經(jīng)D倍抽取后采樣頻率為fs/D，經(jīng)過調(diào)制后的D個子頻帶的信號為mk(m)，k=0,1,2,…,D-1，內(nèi)插與頻譜搬移過程如圖2所示。為防止內(nèi)插與頻譜搬移過程中的頻譜混疊，通常需要在內(nèi)插之后對D個子頻帶的信號進(jìn)行低通濾波。

1.2 寬帶信道化DRFM的高效實(shí)現(xiàn)模型

1）寬帶信道化接收模型。信道化接收可以通過下變頻和低通濾波實(shí)現(xiàn)，如圖3a）所示，其中，低通濾波器原型為式（1）所示，下變頻本振頻率為：

第k路信道輸出為：

經(jīng)推導(dǎo)可得[14]：

據(jù)此，可以得到復(fù)信號信道化接收高效模型如圖3b）所示。

2）寬帶信道化發(fā)射模型。若k個子帶信號為m0(k),m1(k),…,mD-1(k)，分別經(jīng)過內(nèi)插、濾波和上變頻后合成為1路寬帶信號，如圖4a）所示。

經(jīng)k路信號合成后輸出為：

經(jīng)推導(dǎo)可得[14]：

據(jù)此，可以得到復(fù)信號信道化發(fā)射高效模型如圖4b）所示。

3）信道化DRFM高效實(shí)現(xiàn)模型。由上述討論，通常寬帶DRFM可以通過多相濾波及并行FFT等高效結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，D為偶數(shù)時其模型如圖5所示。

2 瞬時大帶寬DRFM實(shí)現(xiàn)方案

圖3所示的寬帶信道化DRFM的高效實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中，采用圖1b）所示的信道劃分方案時，濾波器阻帶必需滿足式（1）要求，否則會產(chǎn)生頻譜混疊。由于濾波器階數(shù)限制，通帶與阻帶間存在過渡帶，通常會使得位于濾波器組過渡帶位置處的頻率分量經(jīng)過濾波器組后產(chǎn)生幅度失真。嚴(yán)重時，會造成頻率分量缺失。

2.1 瞬時大帶寬DRFM的信道劃分

為實(shí)現(xiàn)瞬時大帶寬DRFM系統(tǒng)，采用相鄰信道頻率有50%交疊的信道劃分方法，如圖6所示。采用圖6a）所示的信道劃分方法時，信道數(shù)量增加一倍，可以避免圖1b）中由于濾波器組阻帶造成的頻率分量缺失。圖6a）所示的信道化分方案，可以看成兩組無混疊信道化劃分方案的疊加，如圖4b）、c）所示，即采用兩組無混疊濾波器組分別按圖5所示的高效實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，然后在輸出端疊加，確保輸出無頻譜混疊。

2.2 濾波器組設(shè)計(jì)

由圖4b）、c）可知，2組濾波器可以由同一個低通濾波器原型經(jīng)過移相得到。兩組濾波器頻率響應(yīng)之間的關(guān)系為：

低通濾波器原型可以采用FIR濾波器實(shí)現(xiàn)，然后，把式（10）作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化過程中濾波器階數(shù)、阻帶頻率是固定的，通帶邊緣頻率可以調(diào)整。當(dāng)D=8時，優(yōu)化得到的兩組濾波器組的頻率響應(yīng)如圖7a）所示，目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化結(jié)果如圖7b）所示。

2.3 瞬時大帶寬DRFM的高效實(shí)現(xiàn)

根據(jù)2.1、2.2節(jié)的分析，瞬時大帶寬DRFM的高效實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖8所示。其中，信道化濾波器為優(yōu)化后的低通濾波器原型H1(ejω)的多相分量，為優(yōu)化后的低通濾波器原型的多相分量。

3 仿真驗(yàn)證

仿真場景為fs=400 MHz，輸入信號為I、Q正交的復(fù)信號。圖9a）、b）分別是輸入信號為200 MHz、225 MHz的固定頻率信號時輸出信號頻譜；圖9 c）、d）、e）分別為輸入信號 200 MHz，B=350 MHz線性調(diào)頻信號時的各子頻帶輸出信號和最終輸出信號的頻譜。圖9a）、b）可見位于濾波器組阻帶邊緣處的頻率分量沒有發(fā)生頻率缺失；圖9 c）、d）、e）可見對跨信道的大瞬時帶寬線性調(diào)頻信號具有很好的幅度一致性，幅度失真很小。

4 結(jié)束語

本文通過有頻帶交疊的信道化劃分方法和信道化濾波器組優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了一種瞬時大帶寬DRFM系統(tǒng)的信道化設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。該方案以增加一倍子信道數(shù)量的代價，可實(shí)現(xiàn)復(fù)信號Nyquist采樣帶寬內(nèi)任意帶寬信號的射頻存儲和模擬轉(zhuǎn)發(fā)，且具有較小的幅度失真，可以滿足瞬時大帶寬雷達(dá)回波信號的模擬需求。

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