楊一鳴，向海生

(中國電子科技集團(tuán)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(jìn)體制、多平臺雷達(dá)并存，電子戰(zhàn)接收機(jī)面臨重大挑戰(zhàn)，需要具有大瞬時帶寬、快速測頻、同時到達(dá)多信號測量等能力，并趨于小型化、高集成、低功耗、易維護(hù)等方向。在這一背景下，單比特接收機(jī)走入了電子戰(zhàn)領(lǐng)域。單比特接收機(jī)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(jī)相比，單比特接收機(jī)除了具備同樣的處理帶寬和靈敏度外，還具有同時到達(dá)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(jī)的原理樣機(jī)，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(jī)的原理和應(yīng)用

1.1 單比特接收機(jī)的基本原理

最早提出單比特接收機(jī)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(dá)式如下：

(1)

1.2 單比特接收機(jī)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(xiàn),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(jìn)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(hù)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(jìn)一步加強(qiáng)了接收機(jī)的數(shù)字化；在測頻方法方面，應(yīng)用了補(bǔ)償矩陣等新技術(shù)對原有的單比特FFT算法進(jìn)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(jī)性能對比

2 單比特高效測頻接收機(jī)的技術(shù)實現(xiàn)

2.1 單比特接收機(jī)的組成

單比特數(shù)字接收機(jī)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(jìn)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(jī)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(jī),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(jìn)行了進(jìn)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(jī)。硬件如圖3所示。

圖3 20 Gsps單比特數(shù)字接收機(jī)的硬件

2.2 高效測頻算法

FFT 運算是單比特接收機(jī)的核心部分，設(shè)計中要兼顧處理時間、測頻精度和接收機(jī)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(jī)而言，由于量化位數(shù)為1位，在進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)的測試主要包括接收機(jī)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(jī)量化后的數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Matlab進(jìn)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(jī)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(jī)原理樣機(jī)。該接收機(jī)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(jī)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