高集成度多波段外輻射源雷達(dá)接收機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

謝簡策+萬顯榮+劉玉琪+方高

摘 要： 針對現(xiàn)階段外輻射源雷達(dá)多波段軟件無線電（SDR）系統(tǒng)集成度低，體積大和硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜的不足，設(shè)計(jì)了一種高集成度、多波段、小型化、低成本的外輻射源雷達(dá)SDR接收機(jī)系統(tǒng)。系統(tǒng)由高集成度的AD9361射頻芯片、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）和USB 3.0傳輸模塊組成，目的是利用調(diào)頻（FM）廣播、中國移動多媒體廣播（CMMB）和數(shù)字電視地面多媒體廣播（DTMB）第三方機(jī)會照射源實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的探測。實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)Χ嗖ǘ涡盘栠M(jìn)行正確的采集，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。外場實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性以及良好的目標(biāo)探測性能。

關(guān)鍵詞： 外輻射源雷達(dá)； 多波段； 軟件無線電； AD9361

中圖分類號： TN957?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）19?0018?04

Design and experiment of high?integration multiband receiver for passive radar

XIE Jiance， WAN Xianrong， LIU Yuqi， FANG Gao

（School of Electronic Information， Wuhan University， Wuhan 430072， China）

Abstract： For the current software defined radio （SDR） system of passive radar has the disadvantages of low integration， large size and complex hardware structure， a high?integration， multiband， minimum and low?cost SDR receiver system of passive radar is designed. The system is composed of the high?integration AD9361 RF chip， FPGA and USB 3.0 transmission module. The third?party opportunity illuminator including FM broadcasting， CMMB and DTMB is used to detect the target. The measured data shows that the system can acquire the multiband signals correctly and transmit the data to the host computer. The reliability and high target detection performance of the system are verified with outfield experiment.

Keywords： passive radar； multiband； SDR； AD9361

0 引 言

外輻射源雷達(dá)是一種利用第三方發(fā)射的電磁信號來探測目標(biāo)的新體制雷達(dá)系統(tǒng)[1]。外源雷達(dá)具有無需頻率分配、隱蔽性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)引起了越來越多研究者的關(guān)注[2]?，F(xiàn)階段，外源雷達(dá)可利用的第三方輻射源非常廣泛，其中包括FM廣播[3]、數(shù)字音頻廣播（DAB）[4]、DVB?T（Digital Video Broadcast?Terrestrial）[5]、DTMB[6]、CMMB[7]、LTE[8]、WiFi[9]等波段。不同照射源在距離覆蓋、分辨率性能和地域上的獨(dú)特優(yōu)勢使得它們在某些特定場景下具有更好的應(yīng)用價(jià)值。因此，兼容多波段的雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生[10?11]。但是，現(xiàn)階段的SDR雷達(dá)系統(tǒng)往往存在硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、集成度低和體積龐大的不足，與真正意義上的SDR平臺還存在一定的差距。因此，針對目前SDR雷達(dá)系統(tǒng)存在的不足，本文提出一種高集成度、小型化、低成本、多波段的軟件無線電通用接收機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)直接與天線連接，通過簡單的配置就能將感興趣的射頻信號下變頻至基帶信號，并將基帶數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)。現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)利用FM頻段中國數(shù)字音頻廣播（CDR）、CMMB和DTMB信號對該系統(tǒng)進(jìn)行測試。實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)果表明，本接收機(jī)系統(tǒng)能夠完成雷達(dá)多波段信號正確接收的功能，根據(jù)合作目標(biāo)探測的實(shí)測結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性。該系統(tǒng)的小型化和低成本等優(yōu)勢為多頻段雷達(dá)的組網(wǎng)提供了一定的參考意義[12]。

1 外輻射源雷達(dá)系統(tǒng)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是根據(jù)實(shí)際目標(biāo)探測的需要可以靈活地選取相應(yīng)的照射源而不必受限于系統(tǒng)的硬件平臺。本節(jié)描述了FM，CMMB，DTMB波段照射源的優(yōu)勢和不足，并且針對他們的特點(diǎn)給出系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1.1 第三方照射源

FM音頻是被全世界廣泛應(yīng)用的一種廣播標(biāo)準(zhǔn)。FM頻段廣播發(fā)射功率大，覆蓋范圍很廣，是外輻射源雷達(dá)遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測最常用的照射源信號。但調(diào)頻廣播信號帶寬小，而且?guī)挼拇笮∵€受到廣播內(nèi)容的影響，因此目標(biāo)探測的精度和距離分辨率不夠優(yōu)良，探測的性能還呈現(xiàn)出不穩(wěn)定性[13]。目前，多調(diào)頻廣播外輻射源雷達(dá)通過利用多調(diào)頻信號增加調(diào)頻廣播帶寬的方式可以提高距離分辨率的性能。

CMMB是廣播電視總局基于我國國情推出的視頻廣播行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。CMMB采用正交頻分復(fù)用（OFDM）的調(diào)制技術(shù)。上層數(shù)據(jù)流經(jīng)編碼、字節(jié)交織、低密度奇偶校驗(yàn)（Low Density Parity Check，LDPC）碼和比特交織共同構(gòu)成了CMMB物理層信道編碼部分，隨機(jī)化后的比特流使得信號探測性能不隨廣播內(nèi)容變化。信號帶寬為8 MHz，帶寬穩(wěn)定。CMMB信號相比FM頻段能夠提供更好的探測精度和距離分辨率。目前該信號已經(jīng)覆蓋了絕大多數(shù)的大中小城市，為研究和利用CMMB信號提供了良好的條件。endprint

DTMB是我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)字地面電視廣播標(biāo)準(zhǔn)。DTMB采用的也是正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)，信號帶寬也為8 MHz。DTMB信號與CMMB在信號結(jié)構(gòu)、探測精度、距離分辨率性能和發(fā)射站覆蓋范圍上具有很大的相似度。根據(jù)上述內(nèi)容，表1總結(jié)了本次實(shí)驗(yàn)利用的第三方照射源的特征。

1.2 系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

針對表1所述CDR、CMMB和DTMB第三方照射源的頻率、信號帶寬和發(fā)射功率的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并完成了本系統(tǒng)的硬件部分。該系統(tǒng)由天線、系統(tǒng)板和上位機(jī)軟件組成。其中系統(tǒng)板包括AD9361、FPGA和USB 3.0芯片EZUSB3014。系統(tǒng)的參考時(shí)鐘由外部穩(wěn)定的時(shí)鐘源提供。AD9361有兩個(gè)接收通道，接收通道直接通過電纜與天線連接，每個(gè)通道搭載兩個(gè)高動態(tài)范圍ADC，先將收到的I信號和Q信號進(jìn)行數(shù)字化處理，通過數(shù)字下變頻后以相應(yīng)的采樣率生成12位輸出信號?；鶐?shù)據(jù)由FPGA進(jìn)行緩沖并送往USB 3.0芯片，最后通過USB線纜送往上位機(jī)接口，供上位機(jī)采集和后續(xù)處理。該系統(tǒng)具有很高的集成度，AD9361內(nèi)部集成RF前端與靈活的混合信號基帶部分為一體，集成頻率合成器，為處理器提供數(shù)字配置接口，支持可編程和靈活配置。該系統(tǒng)的工作頻率范圍為70 MHz～6.0 GHz，支持的通道帶寬范圍小于200 kHz～56 MHz。系統(tǒng)最大的實(shí)時(shí)傳輸速率可達(dá)到380 MB/s。在實(shí)際試驗(yàn)中，可以將多個(gè)AD9361組成一個(gè)多波段系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)多個(gè)照射源的目標(biāo)探測應(yīng)用。2 實(shí)驗(yàn)場景

本次實(shí)驗(yàn)利用本系統(tǒng)的雙通道接收結(jié)構(gòu)，接收站位于武漢大學(xué)電子信息學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心樓頂，發(fā)射站位于武漢龜山電視塔（CDR信號中心頻率為102.6 MHz，帶寬為400 kHz；DTMB信號中心頻率為8 MHz，帶寬為8 MHz）。系統(tǒng)包括用于接收參考信號的參考天線和用于接收目標(biāo)回波信號的監(jiān)測天線兩個(gè)部分。其中，CDR波段天線為6單元高增益、高方向性的八木天線，CMMB和DTMB信號均屬于UHF頻段，因此參考和監(jiān)測天線均由高增益、高方向性的12單元八木天線組成。為了測試系統(tǒng)的性能，分別采集了各個(gè)波段的照射源信號并驗(yàn)證了實(shí)測數(shù)據(jù)的有效性。系統(tǒng)利用CMMB和DTMB波段照射源完成了合作目標(biāo)的探測實(shí)驗(yàn)。監(jiān)測天線和參考天線分別指向合作目標(biāo)的飛行區(qū)域和龜山廣播電視發(fā)射站的位置。合作目標(biāo)沿監(jiān)測天線的延長線方向以最大速度遠(yuǎn)離或靠近接收站。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 FM波段實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1展示了武漢地區(qū)FM頻段CDR信號實(shí)測數(shù)據(jù)的頻譜結(jié)構(gòu)。此調(diào)頻信號為模數(shù)混播結(jié)構(gòu)，頻譜中間代表模擬部分，帶寬150 kHz，旁邊兩個(gè)數(shù)字邊帶各50 kHz。為了驗(yàn)證該系統(tǒng)接收到的CDR信號的正確性，從頻譜中提取出了數(shù)字邊帶，并對其進(jìn)行解調(diào)，參考通道數(shù)字邊帶解調(diào)后的系統(tǒng)信息映射如圖2所示。從圖2中可以看出，星座映射為4QAM，且各點(diǎn)比較聚焦，顯示出了良好的解調(diào)效果。同時(shí)證明了該接收系統(tǒng)能正確接收CDR波段信號。

3.2 CMMB波段實(shí)驗(yàn)結(jié)果

參考外輻射源雷達(dá)的信號處理流程，來自參考天線的CMMB信號與監(jiān)測信號進(jìn)行雜波對消、0距離元抑制和匹配相關(guān)處理，得到的實(shí)測數(shù)據(jù)信號處理結(jié)果如圖3，圖4所示，分別展示了CMMB波段的矩形頻譜和互相關(guān)檢測器連續(xù)檢測后輸出的距離多普勒譜，從圖中可以看出疑似目標(biāo)點(diǎn)跡連續(xù)。目標(biāo)所在的負(fù)多普勒單元表明目標(biāo)正遠(yuǎn)離接收站。

3.3 DTMB波段實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用DTMB波段實(shí)施目標(biāo)探測實(shí)驗(yàn)的信號處理流程與CMMB的處理流程一致。圖5顯示了DTMB波段矩形頻譜，根據(jù)目標(biāo)檢測理論對該目標(biāo)進(jìn)行了連續(xù)的檢測，得到如圖6所示的點(diǎn)跡圖，由圖6可以明顯地看出目標(biāo)的點(diǎn)跡連續(xù)，因此確定該疑似目標(biāo)為合作目標(biāo)。目標(biāo)所在的正多普勒單元表明目標(biāo)正勻速地靠近接收站。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)并成功實(shí)現(xiàn)了高集成度、小型化的外輻射源雷達(dá)多波段軟件無線電系統(tǒng)。經(jīng)過現(xiàn)場測試驗(yàn)證，該系統(tǒng)能夠正確采集各個(gè)波段的射頻信號以及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)有效地傳輸和存儲。此外，該系統(tǒng)利用CMMB和DTMB信號實(shí)施的目標(biāo)探測結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性和良好的目標(biāo)探測性能。與傳統(tǒng)的外輻射源雷達(dá)接收機(jī)相比，該系統(tǒng)集成度更高，成本更低。依靠多波段和便攜的優(yōu)勢，該系統(tǒng)能夠在外場實(shí)驗(yàn)的前期起到推進(jìn)實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行的先導(dǎo)作用。該系統(tǒng)的成功實(shí)現(xiàn)也為研究者探索新的雷達(dá)接收機(jī)解決方案提供了指導(dǎo)方向。

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