一種單比特測頻接收機的設(shè)計與仿真

楊一鳴，向海生

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引 言

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭的發(fā)展，戰(zhàn)場上各種先進體制、多平臺雷達并存，電子戰(zhàn)接收機面臨重大挑戰(zhàn)，需要具有大瞬時帶寬、快速測頻、同時到達多信號測量等能力，并趨于小型化、高集成、低功耗、易維護等方向。在這一背景下，單比特接收機走入了電子戰(zhàn)領(lǐng)域。單比特接收機極大地降低了數(shù)據(jù)率，易于實現(xiàn)超高速采樣和實時信號處理。與瞬時測頻(IFM)接收機相比，單比特接收機除了具備同樣的處理帶寬和靈敏度外，還具有同時到達多信號測量能力。

本文介紹了一款20 Gsps采樣率的單比特高效測頻接收機的原理樣機，有效解決了信號處理帶寬、處理速度與測頻精度的矛盾。實測表明，能夠?qū)崿F(xiàn)10 GHz帶寬內(nèi)信號的瞬時測頻。

1 單比特接收機的原理和應(yīng)用

1.1 單比特接收機的基本原理

最早提出單比特接收機的目的是消除快速傅里葉變換(FFT)的乘法運算，降低FFT運算的復(fù)雜性[1]，最終減少信號處理的硬件資源。信號的離散傅里葉變換表達式如下：

(1)

1.2 單比特接收機測頻技術(shù)國外研究現(xiàn)狀

國外取得最大成果的是美國空軍實驗室(AFRL)。AFRL 已經(jīng)在該領(lǐng)域的研究上發(fā)表了大約10篇文獻,有3項專利授權(quán),成功設(shè)計并生產(chǎn)出2種型號的產(chǎn)品，分別是 MONOBITⅠ和 MONOBITⅡ[7]。其中，MONOBITⅠ把3個同樣具有2.5 Gsps采樣速率的模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)芯片連接到一起進行工作，具有 8 bit 的有效采樣位數(shù)，通過軟件將有效采樣位數(shù)降低到2 bit，ASIC電路實現(xiàn)核函數(shù)的運算。MONOBITⅡ作為升級版，現(xiàn)場可編程門陳列(FPGA)代替MONOBITI中的ASIC電路，完成了高度的數(shù)字化結(jié)構(gòu)，提高了算法的復(fù)用性和可維護性；在有效采樣位數(shù)方面，將原來的2 bit位數(shù)提高到4 bit，運用12點的近似核運算提高實時處理速度，進一步加強了接收機的數(shù)字化；在測頻方法方面，應(yīng)用了補償矩陣等新技術(shù)對原有的單比特FFT算法進行修改，減小了單比特傅里葉變換后頻譜上無用諧波分量的數(shù)值，顯著增大了系統(tǒng)的動態(tài)范圍。

表1 AFRL的2型單比特接收機性能對比

2 單比特高效測頻接收機的技術(shù)實現(xiàn)

2.1 單比特接收機的組成

單比特數(shù)字接收機的基本組成見圖1，包括單比特ADC、多路選擇器、FFT和頻率編碼等4 個部分。由單比特ADC 完成射頻信號的采樣及量化，多路選擇器實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)流的串并轉(zhuǎn)換，在FPGA 中進行快速并行的FFT 運算，并給出頻率編碼信息。

圖1 單比特數(shù)字接收機的組成

之前我們設(shè)計了一款4 GHz瞬時帶寬、最大采樣率為12 Gsps的超寬帶單比特數(shù)字接收機,如圖2所示[8]。

圖2 最大采樣率為12 Gsps的單比特采集板

在原有成果的基礎(chǔ)上，進行了進一步的優(yōu)化設(shè)計和升級，實現(xiàn)了20 Gsps采樣的單比特接收機。硬件如圖3所示。

圖3 20 Gsps單比特數(shù)字接收機的硬件

2.2 高效測頻算法

FFT 運算是單比特接收機的核心部分，設(shè)計中要兼顧處理時間、測頻精度和接收機靈敏度3項指標(biāo),選擇合理的參數(shù)。

對于一個單音信號而言，其測頻精度的克拉美羅下限與σSNR、FFT點數(shù)N滿足如下關(guān)系:

(2)

式中：fs為采樣率;σSNR為射頻信號FFT之前的信噪比;N為FFT點數(shù)。

如式(2)所示，當(dāng)射頻信噪比為0 dB、FFT點數(shù)為512、采樣率為20 Gsps時，單音信號的測頻精度蒙特卡洛下限為0.952 MHz。

對于單比特接收機而言，由于量化位數(shù)為1位，在進行FFT測頻運算時，即使選取的核函數(shù)為16位浮點數(shù)，仍會因為數(shù)據(jù)的有效位數(shù)過少而造成測頻精度的下降。

先后通過3種不同的測頻算法進行了512點單比特FFT、1 000次蒙特卡洛仿真。為了反映測頻算法對不同載頻結(jié)果的適應(yīng)性，我們對0 dB信噪比下不同載頻進行了仿真分析，下面列舉了部分頻點的仿真結(jié)果，如圖4～圖6所示。由仿真結(jié)果可見，算法3的測頻適應(yīng)性最佳，測頻精度為3 MHz(均方根誤差)。

圖4 載頻5.85 GHz信號測頻仿真(左：整體顯示；右：局部放大)

圖5 載頻8.3 GHz信號測頻仿真(左：整體顯示；右：局部放大)

圖6 載頻9.95 GHz信號測頻仿真(左：整體顯示；右：局部放大)

3 測試結(jié)果

本接收機的測試主要包括接收機硬件信號波形測試以及輸入信號頻譜測試。主要測試儀表是安捷倫DSA-X 93 204 A數(shù)字信號分析儀。圖7顯示的是20 Gsps單比特采集板對10 GHz輸入信號量化后的波形和頻譜。其中，峰值信號在10 GHz，幅度比20 GHz諧波高7.5 dB。

試驗中，還將接收機量化后的數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Matlab進行分析,分析結(jié)果如圖8所示。

4 結(jié)束語

本文介紹了單比特接收機的原理和應(yīng)用，著重介紹了一款20 Gsps采樣率的單比特高效測頻接收機原理樣機。該接收機有效解決了信號處理帶寬、處理速度與測頻精度的矛盾，分別通過仿真分析和功能實測，驗證了該款原理樣機的主要功能和測頻能力。

圖7 20 Gsps單比特采集板對10 GHz輸入信號量化后的波形和頻譜

圖8 輸入信號6.8 GHz、9.9 GHz采樣后的數(shù)據(jù)頻譜