張吉辰

（中國西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

現(xiàn)代戰(zhàn)場中存在大量跳擴頻通信信號和雷達信號等寬帶信號。針對寬帶信號的偵察，利用相關(guān)干涉儀原理測量波達方向（Direction Of Arrival，DOA）是一種測向精度較高的方案。該方案使用多個天線組成天線陣，利用多通道信號處理計算DOA。使用前，為補償射頻前端和數(shù)字信號處理通道的差異，需要進行校準(zhǔn)。某機載寬帶測向系統(tǒng)在聯(lián)試時發(fā)現(xiàn)，其采用的梳狀譜校準(zhǔn)信號在某些情況下出現(xiàn)校準(zhǔn)失敗的情況。分析后獲知其根本原因是信號峰均比過高，瞬間電平超過了后級信號處理通道電路中模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC）的輸入范圍。通過初相優(yōu)化，壓縮信號峰均比，降低了校準(zhǔn)信號的峰值電平，可滿足后級電路的輸入要求，同時降低了對數(shù)模轉(zhuǎn)換器量化位數(shù)的要求。

1 校準(zhǔn)原理

某機載寬帶測向系統(tǒng)的天線陣由N個陣元組成，各陣元信號通過天線陣適配單元進行信號預(yù)處理和濾波放大，并輸出至某綜合航空電子系統(tǒng)。為滿足寬帶校準(zhǔn)要求，在天線陣適配單元內(nèi)部設(shè)計了數(shù)字校準(zhǔn)源，利用梳狀譜信號作為寬帶信號校準(zhǔn)源。它的輸出電平為-70 ～-40 dBm（功分器后），信號形式為點頻（連續(xù)波），梳狀譜帶寬為60 MHz（間隔為0.5 MHz）。

天線陣適配單元原理，如圖1 所示。存儲器存儲點頻和梳狀譜原始波形，在現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）內(nèi)部進行數(shù)字變頻，并輸出至16 位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（Digital to Analog Convertor，DAC）產(chǎn)生校準(zhǔn)信號。校準(zhǔn)信號經(jīng)過功分、選通、濾波、20 dB 放大，從RX 端口輸出至數(shù)字信號處理通道。

圖1 天線陣適配單元原理

在數(shù)字信號處理通道，輸入信號經(jīng)過20 dB 放大后，經(jīng)過不平衡—平衡轉(zhuǎn)換送入ADC 進行采集，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進行處理。

2 問題與排查

聯(lián)試過程中，當(dāng)梳狀譜校準(zhǔn)信號輸出電平較高時，會出現(xiàn)校準(zhǔn)失敗的情況。在數(shù)字信號處理通道觀察校準(zhǔn)信號的數(shù)字頻譜，發(fā)現(xiàn)當(dāng)校準(zhǔn)信號電平超過-50 dBm時，數(shù)字頻譜開始錯亂，系統(tǒng)因不滿足幅度平坦度要求而報錯。由于校準(zhǔn)信號源和數(shù)字信號處理通道內(nèi)部存在多個環(huán)節(jié)，為便于排查，以“數(shù)字頻譜錯亂”為頂事件構(gòu)建故障樹進行分析。故障樹如圖2 所示。

圖2 故障樹

2.1 梳狀譜輸入異常

將校準(zhǔn)信號引入頻譜儀，設(shè)置校準(zhǔn)信號電平以-50 dBm 為起點，1 dB 為步進，增加至最大要求值-40 dBm，觀察頻譜。測量發(fā)現(xiàn)，頻譜正常、平坦且無雜散，排除梳狀譜輸入異常的情況。

2.2 頻譜分析算法異常

一般采用快速Fourier 變換進行頻譜分析。若信號出現(xiàn)譜峰，可能會因截位選取不當(dāng)而出現(xiàn)頻譜數(shù)據(jù)溢出的情況，造成輸出頻譜異常。與梳狀譜相比，點頻信號更容易出現(xiàn)溢出問題。將校準(zhǔn)信號設(shè)置為點頻模式，以最大電平要求值-40 dBm 注入，輸出頻譜正常，排除頻譜分析算法異常的原因。

2.3 ADC 飽和

點頻和梳狀譜使用不同的信號樣式，兩者雖然電平相同，但是峰均比存在差異。當(dāng)信號峰均比較高時，可能導(dǎo)致ADC 瞬時飽和，此處不能排除。在數(shù)字信號處理通道增加數(shù)據(jù)抓取的測試點，抓取ADC時域數(shù)據(jù)，設(shè)置校準(zhǔn)信號電平為-40 dBm，發(fā)現(xiàn)ADC確實存在周期飽和情況。調(diào)整校準(zhǔn)信號使其逐步減小，當(dāng)ADC 不再飽和時，數(shù)字頻譜恢復(fù)正常，從而確認該環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題。

利用頻譜儀進一步排查，具體步驟如下：設(shè)置校準(zhǔn)信號電平為-40 dBm，將頻譜儀設(shè)置為零頻寬模式，此時頻譜儀相當(dāng)于固定頻率和固定帶寬的檢波器，盡可能將帶寬設(shè)置得寬一些，即可近似觀察梳狀譜信號的時域功率變化情況。

信號以2 μs 為周期，符合500 kHz 間隔梳狀譜的周期特性；信號的脈沖功率很高，達到了-20 dBm，但因信號占空比低，信號的平均功率只有-40 dBm；-20 dBm 脈沖功率經(jīng)過2 級共放大40 dB，在ADC 輸入端電平接近+20 dBm，遠超ADC 的飽和輸入電平+10 dBm，導(dǎo)致ADC 飽和。

測量表明，現(xiàn)有的梳狀譜信號樣式峰均比過高且未進行優(yōu)化，從而確定了校準(zhǔn)失敗的根本原因。

3 優(yōu)化過程

3.1 優(yōu)化理論

梳狀譜屬于多載波信號，而針對多載波信號峰均比的優(yōu)化已有大量研究。安坤等人針對干擾信號，在指定的限幅率約束條件下，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進一步優(yōu)化峰均比，但優(yōu)化過程中產(chǎn)生了雜散，應(yīng)用于校準(zhǔn)信號存在風(fēng)險[1]。杜謙等人指出，梳狀譜可優(yōu)化的參數(shù)為每個信號的初相，在Newman 方法和Narahashi方法計算初相序列近似公式的基礎(chǔ)上提出了快速搜索方法，進一步降低了峰均比[2]。

值得注意的是，文獻[1]和文獻[2]的優(yōu)化目標(biāo)是信號的功率有效性，因此對峰均比的定義是功率峰均比，即信號的峰值功率和該信號的平均功率的比值。在此定義下，單音信號的峰均比為0 dB。但是，對于校準(zhǔn)信號，需要關(guān)注信號的時域波形特性而非功率特性，故采用電壓峰均比更合適。在此定義下，單音信號的峰均比為3 dB。

3.2 優(yōu)化目標(biāo)

校準(zhǔn)信號屬于小信號應(yīng)用，對功率效率不敏感，因此只需要滿足在最大電平下不失真的要求[3]。根據(jù)排查情況，在梳狀譜最大電平-40 dBm 的條件下，只要峰值功率低于-30 dBm，經(jīng)過2 級放大就可以到達ADC 的峰值功率，即低于+10 dBm，不會飽和。因此，優(yōu)化目標(biāo)是將峰均比壓縮在10 dB 以內(nèi)。

3.3 優(yōu)化方法及仿真對比

根據(jù)文獻[2]，梳狀譜可優(yōu)化的參數(shù)僅為每個信號的初相。文章對優(yōu)化前、Newman 方法、Narahashi方法以及簡單隨機初相法進行仿真對比。由于隨機初相法的隨機次數(shù)存在差異，進行多次仿真繪制峰均比曲線，并利用峰均比均值衡量其優(yōu)劣。仿真條件采用實際參數(shù)如下：采樣間隔為500 kHz，梳狀譜信號的帶寬為60 MHz，包含121 個子載波數(shù)。為進一步貼近工程實際，考慮量化誤差，產(chǎn)生的信號需經(jīng)過歸一化和16 位量化處理并取整。

隨機初相優(yōu)化前后的時域波形如圖3 所示。結(jié)果表明：若不優(yōu)化初相，則峰均比高達20.83 dB。對于簡單隨機初相法，進行100 次仿真，峰均比的均值約為7.5 dB，最大值為10.09 dB，最小值為5.418 dB。同理，對Newman方法和Narahashi方法進行仿真對比，結(jié)果Newman 方法的峰均比為5.485 dB，Narahashi 方法的峰均比為4.743 dB，此處不再贅述過程。

圖3 隨機初相優(yōu)化前后的時域波形及峰均比

可見，在121 個載波的梳狀譜條件下，優(yōu)化方式按從優(yōu)到劣依次為Narahashi 方法、Newman 方法、簡單隨機初相法，但峰均比都遠低于原始信號。

3.4 進一步探討

大多數(shù)情況下，簡單隨機初相法已經(jīng)能夠滿足需求，若需要進一步優(yōu)化峰均比，則建議使用Narahashi 方法。仿真過程中可以看到，峰均比越高，梳狀譜的頻率平坦度越低。這是由于峰均比較高時，為避免削頂失真，在歸一化階段信號的平均值會被拉低，在量化階段會產(chǎn)生更嚴重的量化誤差[4,5]。

在一定的頻率平坦度要求下，以0.2 dB 為例繼續(xù)進行仿真，原始信號（初相隨機前）所需的量化位數(shù)為10 位，Narahashi 方法、Newman 方法、簡單隨機初相法所需的量化位數(shù)均為8 位?？梢?，隨機初相可以降低DAC 要求2 位，有助于降低成本。原設(shè)計采用16 位DAC，存在一定的過設(shè)計，在新設(shè)計中可以降低指標(biāo)要求。

3.5 測試驗證

將Narahashi 優(yōu)化方法產(chǎn)生的梳狀譜信號輸入校準(zhǔn)源進行測試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)校準(zhǔn)信號電平設(shè)置為最大值-40 dBm 時，校準(zhǔn)成功，監(jiān)測ADC 數(shù)據(jù)不再飽和，驗證成功。

4 結(jié) 論

針對某機載寬帶測向系統(tǒng)的校準(zhǔn)信號源在使用過程中校準(zhǔn)失敗的問題，找到其根本原因是信號峰均比過高，即瞬間電平超過了后級信號處理通道電路中ADC 器件的輸入范圍。通過初相優(yōu)化，壓縮信號峰均比，降低了校準(zhǔn)信號的峰值電平，可滿足后級電路的輸入要求，同時降低了對數(shù)模轉(zhuǎn)換器量化位數(shù)的要求。仿真結(jié)果表明：對于校準(zhǔn)類應(yīng)用，通過優(yōu)化多載波信號的峰均比，有助于降低校準(zhǔn)電路和數(shù)字處理通道的要求，同時可降低成本，減少系統(tǒng)集成的風(fēng)險。