尹升誠(chéng)，吳 健

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十一研究所，上海 201802)

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高溫超導(dǎo)壓縮EW接收機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

尹升誠(chéng)，吳 健

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十一研究所，上海 201802)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，為了滿足未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)對(duì)雷達(dá)信號(hào)的接收和處理需求，設(shè)計(jì)了一種基于高溫超導(dǎo)濾波器的電子戰(zhàn)(EW)接收機(jī)，對(duì)高溫超導(dǎo)壓縮EW接收機(jī)的頻譜分析功能進(jìn)行了原理分析，根據(jù)原理分析結(jié)果給出了EW接收機(jī)完整設(shè)計(jì)方案，對(duì)該設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了主要性能的分析。通過(guò)系統(tǒng)測(cè)試對(duì)設(shè)計(jì)方案的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明該接收機(jī)在實(shí)時(shí)處理、帶寬擴(kuò)展、靈敏度提升等方面較傳統(tǒng)接收機(jī)優(yōu)勢(shì)明顯。

電子戰(zhàn)；高溫超導(dǎo)濾波器；壓縮接收機(jī)

0 引 言

在電子戰(zhàn)系統(tǒng)中，接收機(jī)被用來(lái)偵收敵方雷達(dá)信號(hào)，并對(duì)敵雷達(dá)輻射源信號(hào)進(jìn)行分析和識(shí)別。目前接收機(jī)主要有晶體視頻、瞬時(shí)測(cè)頻、超外差或直接模/數(shù)(A/D)變換數(shù)字處理等幾種體制。隨著信息技術(shù)和電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)用于電子戰(zhàn)的接收機(jī)也提出了更高的要求，它要求接收機(jī)能實(shí)時(shí)、寬頻帶、高靈敏、高動(dòng)態(tài)范圍接收處理戰(zhàn)場(chǎng)密集重疊的信號(hào)環(huán)境，給出實(shí)時(shí)頻譜分析和參數(shù)測(cè)量。基于上述背景研究了一種超導(dǎo)壓縮電子戰(zhàn)接收機(jī)，在分析超導(dǎo)壓縮接收機(jī)工作原理的基礎(chǔ)上，給出了接收機(jī)完整設(shè)計(jì)方案，最后通過(guò)系統(tǒng)測(cè)試對(duì)設(shè)計(jì)方案的可行性和先進(jìn)性進(jìn)行了驗(yàn)證[1]。

1 超導(dǎo)壓縮接收機(jī)工作原理

超導(dǎo)壓縮接收機(jī)的基本原理是采用高溫超導(dǎo)濾波器把輸入射頻信號(hào)壓縮成一窄脈沖。也可把它稱為“微掃接收機(jī)”，那是因?yàn)檫@類接收機(jī)采用了快速掃頻本振，把輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成線性調(diào)頻信號(hào)，采用超導(dǎo)濾波器完成對(duì)輸入信號(hào)的傅里葉變換，它可使同時(shí)到達(dá)的信號(hào)在時(shí)域上分離開(kāi)，從而測(cè)量每個(gè)輸入信號(hào)的頻率。由于檢測(cè)的壓縮脈沖非常窄,而且在時(shí)域上又靠得很緊，因此，要用高速邏輯電路來(lái)處理。對(duì)壓縮接收機(jī)的研制，主要集中在高溫超導(dǎo)濾波器、微掃源和高速數(shù)字電路處理器(得出輸入信號(hào)的脈沖描述字)[2]上。圖1給出了壓縮接收機(jī)基本原理框圖。

在圖1中，當(dāng)接收機(jī)輸入信號(hào)(脈沖或連續(xù)波)后，由混頻器的輸出加到超導(dǎo)濾波器的信號(hào)為一線性調(diào)頻信號(hào)，可以表示為：

(1)

式中：ω0為超導(dǎo)濾波器的中心角頻率；t為時(shí)間；u為掃頻速率，u=2πB1/T。

為了便于數(shù)學(xué)運(yùn)算，式(1)可以寫(xiě)成指數(shù)形式：

(2)

超導(dǎo)濾波器的轉(zhuǎn)換函數(shù)可以表示為：

(3)

超導(dǎo)濾波器的頻域輸出：

G(ω)=H(ω)S(ω)

(4)

式中：S(ω)為式(2)中S(t)的傅里葉變換，有：

(5)

式中:ω為角頻率。

超導(dǎo)濾波器的時(shí)域輸出是把式(4)的G(ω)做傅里葉逆變換：

(6)

將式(2)～式(5)代入到式(6)，得到:

(7)

式中:w(τ)表示加權(quán)函數(shù)的作用。

然而，加權(quán)濾波器也可寫(xiě)作時(shí)間的函數(shù)。因?yàn)榛祛l器把一個(gè)連續(xù)波(脈沖)信號(hào)變換為一線性調(diào)頻信號(hào)[3]。其中，頻率與時(shí)間成正比關(guān)系?？梢园咽?7)的積分重新表示為：

(8)

式(8)中的H(ω)用式(3)來(lái)替換，則積分式可寫(xiě)作：

(9)

對(duì)式(9)作進(jìn)一步的變換可得：

(10)

已知：

exp(jx)=cosx+jsinx

(11)

(12)

對(duì)式(10)的積分求解，并得結(jié)果為：

(13)

把式(13)代入式(8)，可得：

(14)

式中:τ為啞變量。

輸出信號(hào)的幅度可用函數(shù)的積分得到，如下式所示：

(15)

式(15)表示從超導(dǎo)濾波器輸出的幅度是權(quán)函數(shù)的傅里葉變換。對(duì)于不加權(quán)信號(hào)，W(τ)=1，R(t)的積分表示為：

(16)

R(t)是-sinc函數(shù)和延遲時(shí)間T之積。假如這一輸出被對(duì)數(shù)視頻檢波器檢出，其輸出會(huì)有許多旁瓣。

2 超導(dǎo)壓縮接收機(jī)設(shè)計(jì)

在分析超導(dǎo)壓縮接收機(jī)工作原理的基礎(chǔ)上，完成了超導(dǎo)壓縮接收機(jī)的設(shè)計(jì)，超導(dǎo)壓縮接收機(jī)總體框圖如圖2所示。

在圖2中，外部接收到的信號(hào)經(jīng)低噪聲放大后下變頻至高中頻，然后進(jìn)入混頻器，同掃頻源輸出的掃頻信號(hào)進(jìn)行混頻，混頻后信號(hào)進(jìn)入高溫超導(dǎo)濾波器形成時(shí)域的射頻壓縮脈沖，經(jīng)放大和濾波后送到90°電橋，形成正交的I路和Q路信號(hào)。2路正交信號(hào)經(jīng)A/D采樣后形成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)送到現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)中進(jìn)行預(yù)處理及參數(shù)測(cè)量，形成脈沖描述字(PDW)，PDW數(shù)據(jù)送到主機(jī)進(jìn)行處理后顯示。

系統(tǒng)組成模塊包括：

(1) 微波模塊

微波模塊主要完成射頻信號(hào)的放大、變頻、混頻等功能。輸入雷達(dá)射頻信號(hào)，輸出正交的壓縮脈沖調(diào)制信號(hào)。

(2) 數(shù)據(jù)采集及處理模塊

數(shù)據(jù)采集及處理模塊主要完成正交脈壓調(diào)制信號(hào)的包絡(luò)形成、檢波、頻率測(cè)量、到達(dá)時(shí)間測(cè)量、幅度測(cè)量,最終形成脈沖描述字。該模塊同時(shí)還可以緩存采集的原始數(shù)據(jù)并通過(guò)PCI總線傳送到主機(jī)進(jìn)行更精細(xì)的分析和處理。

(3) 信號(hào)分選和信號(hào)跟蹤模塊

信號(hào)分選和信號(hào)跟蹤模塊接收數(shù)據(jù)采集處理模塊傳送的PDW數(shù)據(jù)，進(jìn)行信號(hào)的分選和跟蹤。

(4) 主機(jī)

接收信號(hào)分選結(jié)果，對(duì)分選結(jié)果進(jìn)行編批等處理,并通過(guò)PCI總線接收數(shù)據(jù)采集處理模塊緩存的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)分析和處理。

3 超導(dǎo)壓縮接收器性能分析

下面將對(duì)壓縮接收機(jī)的3個(gè)主要性能指標(biāo)進(jìn)行分析，壓縮接收機(jī)的3個(gè)主要性能指標(biāo)包括靈敏度、動(dòng)態(tài)和頻率分辨率[4]。

(1) 靈敏度分析

(17)

HTS色散延遲時(shí)間為td， 壓縮接收機(jī)壓縮時(shí)間帶寬積，BItd=2×109×100×10-9=200，Ps1=10lg(1.38×10-23×77×2×109)+15-10lg(2×109×100×10-9)=-94.7 dBm。

(2) 動(dòng)態(tài)范圍分析

考慮在壓縮接收機(jī)加入信號(hào)，在其輸出端的壓縮脈沖會(huì)出現(xiàn)許多旁瓣電平，其最大旁瓣電平為-13.5 dB，從而使不加權(quán)處理的壓縮接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍被限制在13 dB，這不適合電子戰(zhàn)環(huán)境中應(yīng)用。

提高動(dòng)態(tài)范圍的方法是選擇一窗函數(shù)對(duì)輸入信號(hào)作加權(quán)處理。由于電子戰(zhàn)的信號(hào)環(huán)境，輸入信號(hào)的結(jié)構(gòu)形式是未知的，故要選擇一個(gè)與輸入信號(hào)相匹配的方形窗口是做不到的。例如,要選擇一個(gè)與輸入信號(hào)周期一致的時(shí)間窗口的可能性極小。因此，常常可以設(shè)計(jì)多種特殊窗口函數(shù)來(lái)對(duì)輸入信號(hào)加權(quán)，這種特殊窗口函數(shù)通常在窗內(nèi)采集到的信號(hào)前、后沿衰減大，而在中心衰減很小，從而降低了輸出脈沖的旁瓣[5]。常用的窗口函數(shù)是a階滾降的余弦函數(shù)：

(18)

若a=2，將式(18)代入式(15)，由它產(chǎn)生的旁瓣電平可為-32 dB；而若選用a=0.54時(shí)，由它產(chǎn)生的旁瓣電平為-43 dB。還有一種可采用的加權(quán)窗口函數(shù)是高斯窗：

(19)

選用這種加權(quán)方式的好處是：在時(shí)域中的高斯函數(shù)，其傅里葉變換在頻域也是一個(gè)高斯函數(shù)。因此，在理論上講，高斯加權(quán)的輸出不應(yīng)該有旁瓣出現(xiàn)。但是，因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中，高斯窗口必須要截尾到一特定長(zhǎng)度，才會(huì)出現(xiàn)旁瓣，其輸出最大旁瓣將優(yōu)化到-69 dB。

雖然加權(quán)窗口函數(shù)的設(shè)計(jì)將有效降低壓縮接收機(jī)在超導(dǎo)濾波器輸出的壓縮脈沖的旁瓣電平，從而可提高壓縮接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍；但是也加寬了主瓣，造成對(duì)壓縮脈沖在時(shí)域位置的測(cè)量精度下降，即要降低測(cè)頻精度：所以，設(shè)計(jì)選用加權(quán)方案時(shí)要有折衷。

(3) 頻率分辨率分析

掃頻源必須與超導(dǎo)濾波器的頻率隨時(shí)間的斜率相匹配。掃頻速率為：

(20)

假如接收機(jī)輸入瞬時(shí)帶寬要求是BR，則掃頻帶寬為:

BT=BR+BI

(21)

因此，總的掃頻時(shí)間周期為：

(22)

接收機(jī)的分辨率Δf由壓縮脈沖主瓣寬度決定。也就是講，延遲時(shí)間越長(zhǎng)，主瓣寬帶越窄，接收機(jī)能得到更精細(xì)的頻率分辨率。頻率分辨率的一種簡(jiǎn)單表示方法為:

(23)

式中:k為一比例常數(shù)，對(duì)漢明加權(quán)濾波器，k=1.33。

在超導(dǎo)濾波器延遲時(shí)間為100 ns的情況下頻率分辨率近似為13.3 MHz。

4 主要測(cè)試結(jié)果

(1) 掃頻源

線性掃頻本振源是壓縮接收機(jī)中的一個(gè)重要組成部分。它與一般本振源的區(qū)別是：它的輸出頻率是在一段時(shí)間內(nèi)從某個(gè)頻率線性變化到另一個(gè)頻率后又再次回到起始頻率，繼而進(jìn)行周而復(fù)始的掃頻輸出。當(dāng)一個(gè)單頻信號(hào)與微掃源混頻，混頻后的輸出就會(huì)變成一個(gè)周期性的線性調(diào)頻信號(hào)。當(dāng)這個(gè)線性調(diào)頻信號(hào)通過(guò)一個(gè)相匹配的調(diào)頻濾波器時(shí)，就會(huì)輸出一個(gè)脈寬很窄的壓縮脈沖[6-7]。

在試驗(yàn)中，微掃源的掃描周期很短，為100 ns，在這短短的100 ns內(nèi)卻要掃頻寬度達(dá)到2 GHz，對(duì)器件和設(shè)計(jì)的難度還是很大的。圖3為采用100 Gsps示波器采集到的掃頻斜率曲線。圖4為輸入信號(hào)同微掃源混頻后輸出的掃頻信號(hào)。

(2) 超導(dǎo)濾波器輸出壓縮脈沖

圖5、圖6是輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)超導(dǎo)濾波器后輸出的壓縮脈沖信號(hào)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)超導(dǎo)壓縮接收機(jī)進(jìn)行了原理分析，并在此基礎(chǔ)上提出了一種壓縮接收機(jī)的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。試驗(yàn)中采用超導(dǎo)濾波器作為信號(hào)處理的核心器件，同傳統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)處理算法相比具有以下的優(yōu)勢(shì)：

處理時(shí)間極短，超導(dǎo)濾波器在幾十納秒量級(jí)即完成了信號(hào)時(shí)域到頻域的轉(zhuǎn)換。常規(guī)數(shù)字信號(hào)處理一般需要2 000 ns左右才能完成信號(hào)從時(shí)域到頻域的轉(zhuǎn)換運(yùn)算。

對(duì)同時(shí)到達(dá)信號(hào)，信號(hào)的頻率分辨率主要取決于壓縮脈沖的主瓣寬度，同時(shí)到達(dá)信號(hào)之間的相互影響比較小。數(shù)字信道化接收機(jī)頻率分辨率則取決于信道寬度，同時(shí)到達(dá)信號(hào)之間的影響比較大。

相同中頻帶寬的情況下，接收機(jī)靈敏度主要取決于超導(dǎo)濾波器的工作溫度以及系統(tǒng)的時(shí)寬帶寬積，目前超導(dǎo)濾波器的工作溫度控制技術(shù)比較成熟，大的時(shí)寬帶寬積的濾波器也能夠?qū)崿F(xiàn)，比較容易實(shí)現(xiàn)-90 dBm的靈敏度。傳統(tǒng)的數(shù)字接收機(jī)靈敏度取決于最小處理帶寬和輸入信噪比，一般情況下可以實(shí)現(xiàn)靈敏度-76 dBm左右。

超導(dǎo)濾波器的性能直接影響接收機(jī)的性能，目前由于技術(shù)水平的限制，在中頻比較高(大于10 GHz)、壓縮帶寬大于2 GHz的情況下，器件性能很難得到保證，這也在一定程度上影響了壓縮接收機(jī)的廣泛使用。隨著器件水平的不斷發(fā)展，超導(dǎo)壓縮接收機(jī)在很大程度上會(huì)取代傳統(tǒng)接收機(jī)。

[1] 何艾生，黎紅，何豫生,等.超導(dǎo)濾波器、超導(dǎo)衛(wèi)星接收機(jī)和超導(dǎo)氣象雷達(dá)的研究進(jìn)展[J].物理，2006，36(7)：486-492.

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DesignandRealizationofHTSCompressiveEWReceiver

YIN Sheng-cheng,WU Jian
(51st Research Institute of CETC,Shanghai 201802,China)

With the development of information technology,the future battlefield electromagnetic environment will become more and more complex,in order to meet the receiving and processing requirements of future battlefield to radar signal,this paper designs an electronic warfare (EW) receiver based on high-temperature superconducting (HTS) filter,performs principle analysis to the spectrum analysis function of HTS compressive EW receiver,presents full design plan of EW receiver according to the principle analysis results,analyzes the main performance of this design plan,validates the feasibility of design plan through system test.Results show that the receiver has obvious advantages in the aspects of real-time processing,bandwidth expansion and sensitivity improvement,etc.than traditional receivers.

electronic warfare;high-temperature superconducting filter;compressed receiver

2017-04-28

TN851

：A

：CN32-1413(2017)03-0078-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.03.019