基于多波束網(wǎng)絡(luò)的寬帶陣列接收系統(tǒng)

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( 1.中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088； 2.孔徑陣列與空間探測安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 安徽合肥 230088； 3.安徽省天線與微波工程實(shí)驗(yàn)室， 安徽合肥 230088)

0 引言

現(xiàn)代電子戰(zhàn)環(huán)境日益復(fù)雜，具有輻射源數(shù)量多、工作頻帶寬、信號參數(shù)多變等特點(diǎn)，要求接收機(jī)不僅要具有大帶寬、高動態(tài)、高靈敏度，而且要對同時(shí)到達(dá)的多個(gè)信號具有高截獲概率[1]。傳統(tǒng)接收機(jī)如晶體視頻接收機(jī)、瞬時(shí)測頻接收機(jī)、壓縮接收機(jī)和布拉格盒式接收機(jī)等已經(jīng)不能滿足上述需求。

寬帶陣列接收系統(tǒng)輔以多波束形成技術(shù)，具有如下特點(diǎn)：1)接收同時(shí)多波束處理，減少系統(tǒng)對多個(gè)方向到達(dá)信號的截獲時(shí)間；2)多通道陣列化接收信號，提高系統(tǒng)的靈敏度；3)采用寬帶數(shù)字化接收并進(jìn)行窄帶數(shù)字處理，進(jìn)一步改善接收系統(tǒng)的靈敏度；4)相比單通道接收機(jī)，對單元故障的容忍度提高。因此，該類系統(tǒng)能夠在很寬的頻帶范圍內(nèi)對電磁環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，對多個(gè)信號進(jìn)行快速、高效的測量和分析，可以滿足上述需求。

本文提出的基于多波束網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)寬帶陣列信號接收的解決方案采用寬帶模擬多波束接收、高速數(shù)字化及信道化處理等技術(shù)，相比數(shù)字陣列多波束接收的方案，可顯著減少設(shè)備量，降低研發(fā)成本，在低成本寬帶信號偵察系統(tǒng)的應(yīng)用中更具優(yōu)勢。本文論述了系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)及信號處理基本流程，對包含多波束網(wǎng)絡(luò)的接收鏈路噪聲系數(shù)及系統(tǒng)級靈敏度指標(biāo)進(jìn)行重點(diǎn)分析，并通過實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

圖1 寬帶陣列接收系統(tǒng)框圖

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

寬帶陣列接收系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。主要包括16個(gè)射頻前端、1個(gè)多波束網(wǎng)絡(luò)、16個(gè)寬帶變頻和16個(gè)寬帶數(shù)字接收機(jī)。各單元接收通道的射頻前端完成寬帶射頻信號的放大、濾波、延時(shí)；多波束網(wǎng)絡(luò)完成各單元通道輸出寬帶信號的相干合成，同時(shí)輸出16個(gè)接收波束信號；寬帶變頻將合成后的波束信號搬移到合適的中頻信號；寬帶數(shù)字接收機(jī)采用模數(shù)轉(zhuǎn)化器(Analog to Digital Converter, ADC)對中頻信號進(jìn)行數(shù)字化，并使用現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)實(shí)現(xiàn)寬帶信號的預(yù)處理，輸出脈沖描述字。

1.2 信號處理基本流程

該系統(tǒng)中，寬帶數(shù)字接收機(jī)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字信號預(yù)處理基本流程如圖2所示，包括數(shù)字下變頻、信道化、門限檢測和參數(shù)測量[2]。

圖2 信號處理流程圖

2 噪聲系數(shù)分析

根據(jù)接收鏈路增益分配設(shè)計(jì)，陣列接收系統(tǒng)的噪聲系數(shù)取決于寬帶變頻之前的部分，其與單通道接收的主要區(qū)別在于多波束網(wǎng)絡(luò)的影響。以下展開分析射頻前端與多波束網(wǎng)絡(luò)的級聯(lián)噪聲系數(shù)。

文獻(xiàn)[3-4]給出了有源電路與合成器級聯(lián)的噪聲系數(shù)分析結(jié)論以及測試方法。若所有的有源電路增益相同、噪聲系數(shù)也相同，式(1)用于計(jì)算有源電路與合成器級聯(lián)的噪聲系數(shù)：

NF=NFea+(L-1)/G

(1)

式中，NF為級聯(lián)噪聲系數(shù)，L為合成器的有功損耗，NFea為有源電路的噪聲系數(shù)，G為有源電路的增益。

該系統(tǒng)使用的多波束網(wǎng)絡(luò)損耗模型如圖3所示。N為單元輸入個(gè)數(shù)，M為波束輸出個(gè)數(shù)，Sij為第i(i=1,2,…，N)個(gè)單元輸入到第j(j=1,2,…，M)個(gè)波束輸出的傳輸系數(shù)，Ckj為第k(k=1,2,…，M)個(gè)波束輸出與第j個(gè)波束輸出之間的耦合系數(shù)。

圖3 多波束網(wǎng)絡(luò)損耗模型

(2)

將等效后的多波束網(wǎng)絡(luò)(第j個(gè)波束輸出)與射頻前端級聯(lián)，其噪聲系數(shù)分析模型如圖4所示。仍假定射頻前端輸入端的噪聲溫度為T0，各個(gè)射頻前端增益G相同、噪聲系數(shù)NF也相同。根據(jù)噪聲系數(shù)定義[5]，式(3)給出級聯(lián)噪聲系數(shù)，nT，Ge分別為噪聲輸出總功率和級聯(lián)等效增益[6]：

NF=nT/n0·Ge=

(3)

式中，k為玻耳茲曼常數(shù)，T0為標(biāo)準(zhǔn)溫度290 K，B為等效噪聲帶寬。

圖4 級聯(lián)噪聲系數(shù)模型

3 靈敏度分析3.1 模擬接收的靈敏度

靈敏度是接收機(jī)接收微弱信號能力的度量。當(dāng)接收機(jī)輸出端達(dá)到預(yù)定的最小可檢測信噪比時(shí)，接收機(jī)輸入端注入的信號功率稱為接收機(jī)靈敏度[5]。通常，最小可檢測信噪比設(shè)置為0 dB，單通道模擬接收機(jī)的靈敏度Smin由式(4)給出：

Smin=kT0NFB=-114+NF+10lgB

(4)

式中，k為玻耳茲曼常數(shù)，T0為標(biāo)準(zhǔn)溫度290 K，NF為單通道接收機(jī)噪聲系數(shù)，B為接收機(jī)等效噪聲帶寬(MHz)。

理想情況下，相比單通道模擬接收機(jī)，模擬陣列接收機(jī)的靈敏度可以改善10lgN(dB)，N為單元通道數(shù)。這一結(jié)論可以從模擬陣列接收的噪聲特性和信噪比的角度進(jìn)行理解。相比單通道模擬接收機(jī)，模擬陣列接收機(jī)輸出的噪聲系數(shù)(NF)array基本不變，而輸入和輸出信噪比都改善N倍[6]。因此，若可檢測信噪比設(shè)置仍為0 dB，則模擬陣列接收的靈敏度信號(Smin)array可由式(5)給出:

(Smin)array=-114+(NF)array+

10lgB-10lgN

(5)

3.2 ADC的影響

ADC的噪聲功率對整個(gè)接收鏈路的噪聲系數(shù)有貢獻(xiàn)，引入ADC后，整個(gè)接收鏈路的噪聲系數(shù)由式(6)給出，其中(NF)array為模擬接收陣列的噪聲系數(shù)，M為模擬陣列接收機(jī)輸出的噪聲功率與ADC的噪聲功率之比[7]：

(NF)total=(NF)array+10lg(M+1)-10lgM

(6)

因此，整個(gè)接收鏈路的靈敏度可以結(jié)合式(5)和式(6)計(jì)算，結(jié)果如式(7)所示：

(Smin)total=-114+(NF)total+10lgB-10lgN

(7)

3.3 信道化處理得益

ADC輸出信號在FPGA中進(jìn)行數(shù)字信道化處理，信道帶寬越窄，信道內(nèi)噪聲能量越低，輸出信噪比越高[8]。式(8)表示信道化處理得益，也即寬帶數(shù)字信號經(jīng)過信道化后，輸出信噪比進(jìn)一步改善。因此，系統(tǒng)的靈敏度得到進(jìn)一步提升。

G=10lg(Bi/Bw)

(8)

式中，Bi為輸入帶寬，也即前述的接收機(jī)等效噪聲帶寬，Bw為信道帶寬(MHz)。

在寬帶偵察系統(tǒng)應(yīng)用中，信道化輸出進(jìn)行門限檢測及參數(shù)測量，為了提高參數(shù)測量的精度，要求被檢測信號的信噪比達(dá)到14 dB[9]。綜上所述，寬帶陣列接收機(jī)的系統(tǒng)靈敏度(Smin)system可以根據(jù)式(7)、式(8)和檢測信噪比要求計(jì)算得到，如式(9)所示。主要與噪聲系數(shù)、信道帶寬以及系統(tǒng)的單元數(shù)有關(guān)。

(Smin)system=-100+(NF)total+

10lgBw-10lgN

(9)

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及測試4.1 模塊實(shí)物

系統(tǒng)中的多波束網(wǎng)絡(luò)為16個(gè)單元輸入、16個(gè)波束輸出的無源網(wǎng)絡(luò)；寬帶變頻和寬帶數(shù)字接收機(jī)均采用聯(lián)合標(biāo)準(zhǔn)化航空電子架構(gòu)協(xié)會(Allied Standard Avionics Architecture Council, ASAAC) 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，模塊的供電和控制通過背板實(shí)現(xiàn)，各個(gè)模塊依次裝配到液冷機(jī)箱中，圖5為多波束網(wǎng)絡(luò)和寬帶變頻模塊的實(shí)物。

(a) 多波束網(wǎng)絡(luò)

(b) 寬帶變頻模塊圖5 模塊實(shí)物

4.2 噪聲系數(shù)測試

分別測試了單通道等效鏈路和陣列接收鏈路的噪聲系數(shù)，其中，單通道等效鏈路包括1個(gè)射頻前端、1個(gè)固定衰減器(衰減值與多波束網(wǎng)絡(luò)的損耗相當(dāng))和1個(gè)寬帶變頻。陣列接收鏈路的噪聲系數(shù)測試使用1個(gè)噪聲源進(jìn)行1∶16功分，所有射頻前端都加電工作，在寬帶變頻輸出測試波束9的噪聲系數(shù)，再扣除功分器的損耗。測試結(jié)果如表1所示。

陣列接收鏈路波束9的指向?yàn)?°，其在0°方向的合成損失理論值為1.5 dB，而陣列接收鏈路噪聲系數(shù)相對單通道等效鏈路噪聲系數(shù)惡化也在1.5 dB左右，與前述噪聲系數(shù)分析結(jié)論吻合。

4.3 靈敏度測試

使用1∶16功分器從射頻前端注入射頻信號，在FPGA中采集波束9對應(yīng)的信道化輸出數(shù)據(jù)，并使用Matlab軟件計(jì)算系統(tǒng)的靈敏度。根據(jù)接收鏈路設(shè)計(jì)，模擬接收機(jī)輸出的噪聲功率比ADC輸出噪聲功率大13 dB，參照式(6)，ADC引起的噪聲系數(shù)惡化約為0.2 dB。修正后的總噪聲系數(shù)、使用式(9)計(jì)算得到的計(jì)算靈敏度以及實(shí)測靈敏度結(jié)果如表2所示。

從測試結(jié)果看，實(shí)測靈敏度與計(jì)算靈敏度基本吻合，誤差在±0.3 dB以內(nèi)。

4.4 瞬時(shí)動態(tài)范圍測試

測試時(shí)，從射頻前端注入射頻信號，在FPGA中采集波束9對應(yīng)的信道化輸出數(shù)據(jù)，并使用Matlab軟件計(jì)算系統(tǒng)輸出信號功率。瞬時(shí)動態(tài)范圍測試結(jié)果如表3所示，在同一接收增益條件下，最小信號功率為靈敏度，最大信號功率為系統(tǒng)輸出壓縮1 dB時(shí)的輸入信號功率。

表3 瞬時(shí)動態(tài)范圍測試結(jié)果

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于多波束網(wǎng)絡(luò)的寬帶陣列信號接收方案及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，給出了多波束網(wǎng)絡(luò)損耗模型及級聯(lián)噪聲系數(shù)模型，并從系統(tǒng)的角度分析了靈敏度指標(biāo)，結(jié)合系統(tǒng)的指標(biāo)測試結(jié)果，驗(yàn)證了噪聲系數(shù)與靈敏度分析結(jié)論。噪聲系數(shù)分析結(jié)果擴(kuò)展了包含合成器的陣列接收系統(tǒng)噪聲系數(shù)結(jié)論，可直接應(yīng)用于包含多波束網(wǎng)絡(luò)的陣列接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)；系統(tǒng)級靈敏度指標(biāo)的分析也對同類工程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有參考意義。而且該系統(tǒng)具有很高的靈敏度和較大的瞬時(shí)動態(tài)范圍，設(shè)備量適中，具有很好的應(yīng)用前景。