魯長來 倪文飛 夏 丹

(安徽四創(chuàng)電子股份有限公司 合肥 230088)

0 引言

軟件無線電概念[1]的提出至今已經(jīng)二十多年了，經(jīng)過這些年的技術(shù)理論發(fā)展和電路器件水平提升，軟件無線電的工程化應(yīng)用研究也在深入推進(jìn)。當(dāng)前L波段一次航路監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)采用的是常規(guī)超外差兩次變頻接收機(jī)，在30MHz低中頻頻率進(jìn)行信號(hào)帶通采樣數(shù)字化接收處理，從長遠(yuǎn)來看，該雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)接收機(jī)設(shè)備存在升級(jí)換代、新技術(shù)推廣、可靠性進(jìn)一步提升、電路小型化高集成、配套功能多樣化、軟件化配置程度高等諸多新的應(yīng)用需求。借助于軟件無線電的設(shè)計(jì)思想，本文提出了在L波段200MHz工作帶寬內(nèi)實(shí)施直接射頻采樣數(shù)字化，然后再進(jìn)行基于大規(guī)模高速FPGA的功能可配置實(shí)時(shí)接收處理，形成雷達(dá)的全程I、Q數(shù)字回波信號(hào)，最后通過光纖接口傳輸給雷達(dá)系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行軟件化信號(hào)處理，基本可以達(dá)到接收機(jī)硬件平臺(tái)化、軟件可配置、功能可擴(kuò)展的軟件無線電目標(biāo)。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)

1)接收頻率范圍：1200MHz～1400MHz;

2)接收跳頻步進(jìn)：1MHz;

3)接收跳頻時(shí)間：小于2μs;

4)瞬時(shí)動(dòng)態(tài)：不小于65dB;

5)總動(dòng)態(tài)：不小于90dB；

6)信號(hào)帶寬：2MHz；

7)接收靈敏度：優(yōu)于-109 dBm。

2 設(shè)計(jì)思想

已經(jīng)在應(yīng)用的L波段一次航路監(jiān)視雷達(dá)接收系統(tǒng)中，采用的方案是傳統(tǒng)的模擬超外差兩次下變頻接收體制，見圖1，最前級(jí)采用了高增益的低噪放(約30dB)設(shè)計(jì)確保接收靈敏度指標(biāo)，利用STC電路提升接收機(jī)的動(dòng)態(tài)性能，采用鏡頻抑制濾波器抑制混頻電路的鏡像頻率干擾信號(hào)以及射頻帶外信號(hào)，兩級(jí)混頻電路將1200MHz～1400MHz的有用回波信號(hào)先下變至550MHz一中頻，再下變頻至30 MHz二中頻，系統(tǒng)采用30 MHz中頻帶通采樣、DDC至數(shù)字I、Q輸出。系統(tǒng)還包含產(chǎn)生1750MHz～1950MHz、步進(jìn)1MHz的一本振信號(hào)、520MHz的二本振信號(hào)以及80MHz、20MHz的采樣處理時(shí)鐘信號(hào)等電路，接收機(jī)的整體設(shè)備量較多，方案體制相對(duì)成熟。

得益于高速A/D器件技術(shù)的飛速發(fā)展，讓軟件無線電接收機(jī)在實(shí)現(xiàn)方案上也前進(jìn)了一大步，本文針對(duì)圖1的傳統(tǒng)L波段PSR接收機(jī)做了技術(shù)改進(jìn)設(shè)計(jì)，見圖2，重點(diǎn)采用基于1200MHz～1400MHz頻段內(nèi)射頻直接采樣技術(shù)的硬件平臺(tái)進(jìn)行接收機(jī)的軟件化處理，省去了復(fù)雜的頻率源電路和兩次模擬下變頻、濾波放大電路，采用低噪放1、STC、低噪放2、開關(guān)濾波器電路組成一個(gè)極其簡化的低噪聲射頻前端[4]，以確保接收機(jī)系統(tǒng)的靈敏度、動(dòng)態(tài)及抗干擾性能，這里把STC電路放置在兩級(jí)低噪放之間是為了便于合理分配系統(tǒng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)。

3 性能分析

3.1 射頻直采數(shù)字接收機(jī)工作機(jī)理

本案中的射頻直采數(shù)字接收機(jī)的硬件組成如圖2中虛線內(nèi)部分所示，依據(jù)帶通采樣原理，在信號(hào)帶寬為B時(shí)，當(dāng)采樣頻率fS和載頻f0之間滿足(1)式的關(guān)系時(shí)，就可不失真地恢復(fù)信號(hào)的信息。

(1)

這里取A/D的采樣頻率為950MHz，信號(hào)帶寬為2MHz，A/D器件內(nèi)部在硬件上將單組950MHz高采樣率的數(shù)字信號(hào)并行處理形成兩組475MHz低采樣率信號(hào)通過LVDS接口輸出，最終以475 MHz數(shù)據(jù)速率與FPGA對(duì)接，然后在FPGA中進(jìn)行軟件化接收處理[3]，軟件化功能框圖如圖3所示。

由采樣、抽取等經(jīng)典理論可知，1200MHz～1400MHz的射頻信號(hào)經(jīng)過950MHz采樣以及數(shù)據(jù)并行處理、多項(xiàng)濾波后，數(shù)字接收機(jī)可以直接解調(diào)頻譜變換后對(duì)應(yīng)的25MHz～225MHz搬移譜信號(hào)，這樣就極大降低了對(duì)數(shù)字下變頻(DDC)部分的處理速度要求。數(shù)字接收機(jī)通過軟件設(shè)置32位數(shù)控振蕩器(NCO)的頻控字值實(shí)現(xiàn)25MHz～225MHz、步進(jìn)1 MHz的工作頻點(diǎn)選擇功能，NCO的輸出頻率滿足式(2)的關(guān)系，從式(2)中推算可知，NCO的頻率分辨力可達(dá)到0.1Hz左右，完全滿足步進(jìn)1 MHz的跳變間隔需求。同時(shí)，NCO的輸出幅度采用16位量化值，以滿足數(shù)字接收機(jī)動(dòng)態(tài)截位要求，NCO的工作頻率通過FPGA內(nèi)部25MHz時(shí)鐘鎖相得到475MHz主時(shí)鐘。

(2)

其中，F(xiàn)TW為NCO的頻率控制字，fNCO為NCO的輸出頻率。

圖3中數(shù)字混頻之后的數(shù)字基帶I、Q信號(hào)依然是475MHz的高速率信號(hào)，軟件設(shè)計(jì)上采用19倍抽取率的CIC濾波器，一方面達(dá)到數(shù)據(jù)速率降至相對(duì)較低的25MHz的目的，另一方面也達(dá)到抑制信號(hào)帶外邊譜的效果。最后采用5倍抽取率的反辛格FIR濾波器既補(bǔ)償前級(jí)CIC濾波器的帶內(nèi)平坦度特性，又實(shí)現(xiàn)2MHz匹配濾波后I、Q信號(hào)的5MHz低速率基帶輸出要求，方便后續(xù)的信號(hào)傳輸與信號(hào)處理。

由器件參數(shù)得到，A/D的信噪比為50 dB，即A/D有效位數(shù)(ENOB)約為8.4位，輸入大信號(hào)為+5 dBm，而實(shí)際信號(hào)帶寬為2MHz，采樣頻率為950 MHz，相對(duì)于信號(hào)帶寬而言，高倍的過采樣率帶來了很大的信號(hào)比改善，由式(3)可以推算，射頻直采數(shù)字接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍將近74 dB，折算出小信號(hào)約-69 dBm。

(3)

DR為數(shù)字接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍，SNRAD為A/D信噪比，fs為采樣頻率，B為信號(hào)帶寬。

3.2 接收機(jī)靈敏度

作為數(shù)字接收機(jī)的低噪聲前端設(shè)備，圖2中低噪放1增益為30 dB、噪聲系數(shù)1.3 dB，低噪放2增益為24 dB、噪聲系數(shù)1.3 dB，STC電路控制范圍30 dB、插入損耗1 dB，開關(guān)濾波器采用GaAs開關(guān)組合LC濾波器組實(shí)現(xiàn)，單路濾波器帶寬設(shè)計(jì)為20MHz，插入損耗3 dB，相鄰兩路之間頻帶保留2.5 MHz交疊以保證接收機(jī)能全頻帶覆蓋，共計(jì)12路。由公式(4)可以估算接收機(jī)級(jí)聯(lián)電路噪聲系數(shù)約為1.5 dB。

(4)

F0為接收機(jī)前端總噪聲系數(shù)，F(xiàn)1…Fn為接收機(jī)前端各級(jí)噪聲系數(shù)，G1…Gn-1為前端各級(jí)增益；再由公式(5)計(jì)算得到接收機(jī)整體靈敏度功率電平為-109.5 dBm(帶寬BW為2 MHz，噪聲系數(shù)NF為1.5 dB)。

Psmin=-114+10lgBW+NF

(5)

從前面的指標(biāo)分配可算出低噪聲前端總增益為50dB，對(duì)于-109.5 dBm的靈敏度信號(hào)放大輸出為-59.5 dBm，而相對(duì)數(shù)字接收機(jī)輸入小信號(hào)-69 dBm，可以通過式(6)評(píng)估出數(shù)字接收機(jī)對(duì)接收機(jī)整機(jī)噪聲系數(shù)的惡化[2]約為0.4 dB，不影響系統(tǒng)-109 dBm的靈敏度指標(biāo)要求。

NFs=NF+10lgM-10lg(M-1)

(6)

NFs為系統(tǒng)總噪聲系數(shù)，M為前端噪聲功率輸出與數(shù)字接收機(jī)等效輸入噪聲功率比值。

3.3 接收機(jī)整體動(dòng)態(tài)范圍

L波段一次航路監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)要求接收機(jī)瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍不小于65dB，總動(dòng)態(tài)范圍不小于90dB，前面論證了射頻直采數(shù)字接收機(jī)的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍為74dB，滿足系統(tǒng)的要求，但要滿足總動(dòng)態(tài)90dB的要求，也就是前端最大輸入為-19 dBm，所以在前端兩級(jí)低噪放之間設(shè)計(jì)了30dB的STC電路抗大信號(hào)飽和，這樣接收機(jī)整體的動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)就能完全滿足系統(tǒng)要求。

3.4 接收機(jī)跳頻性能

雷達(dá)系統(tǒng)為了解決抗干擾等陣地適應(yīng)性功能要求接收機(jī)具備跳頻工作能力，具體指標(biāo)要求接收跳頻步進(jìn)1MHz，接收跳頻時(shí)間小于2μs。在用的雷達(dá)系統(tǒng)采用直接合成頻率源技術(shù)解決快跳頻和細(xì)步進(jìn)問題，而基于射頻直采的接收機(jī)根本沒有頻率源設(shè)備，它可以通過軟件設(shè)置NCO頻率和程序控制開關(guān)濾波器的方法來實(shí)現(xiàn)，在跳頻速度和頻率步進(jìn)上更具優(yōu)勢(shì)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

測(cè)試中采用儀表信號(hào)源饋送1200MHz～1400MHz的射頻信號(hào)給L波段直采數(shù)字接收機(jī)，信號(hào)功率、頻率參數(shù)可調(diào)，樣機(jī)實(shí)物見圖4，計(jì)算機(jī)給實(shí)驗(yàn)樣機(jī)加載配置工作軟件后，通過硬件JATAG接口從實(shí)驗(yàn)樣機(jī)采集I、Q數(shù)據(jù)至計(jì)算機(jī)，然后利用MATLAB分析軟件對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)參數(shù)與質(zhì)量分析，重點(diǎn)針對(duì)接收機(jī)的大信號(hào)特性、小信號(hào)特性、帶寬特性、A/D性能以及軟件DDC之后的I、Q處理性能進(jìn)行評(píng)估，具體參見圖5-圖9，能夠在線快速(約200ns)控制接收機(jī)工作頻率，通過對(duì)L波段直采數(shù)字接收機(jī)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證測(cè)試，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，表明在L波段采用基于軟件無線電的射頻直采數(shù)字接收機(jī)處理方法替代傳統(tǒng)模擬兩次變頻的方案是可行的，能夠滿足雷達(dá)整機(jī)系統(tǒng)的工程化應(yīng)用要求。

5 結(jié)束語

在軟件無線電設(shè)計(jì)思想的引領(lǐng)下，雷達(dá)收發(fā)設(shè)備數(shù)字化向天線前移的趨勢(shì)不可阻擋，當(dāng)前，硬件上采用低中頻或高中頻采樣數(shù)字化結(jié)合接收處理軟件化的方案及產(chǎn)品已經(jīng)在成熟應(yīng)用，而L波段及其以上頻段射頻直接采樣數(shù)字化結(jié)合軟件化接收處理的產(chǎn)品并不多，能夠真正得到工程化應(yīng)用的也較少，所以繼續(xù)推進(jìn)高頻段接收機(jī)的射頻直接采樣技術(shù)工程化應(yīng)用研究很有現(xiàn)實(shí)意義。在本方案的實(shí)驗(yàn)研究中，L波段直接采樣數(shù)字接收機(jī)的性能水平基本得到了全面驗(yàn)證，能夠達(dá)到雷達(dá)整機(jī)的使用技術(shù)要求，為后續(xù)雷達(dá)系統(tǒng)的改進(jìn)升級(jí)工作奠定了基礎(chǔ)。