一种高性能数字中频接收机的设计及实现

一种高性能数字中频接收机的设计及实现Ξ

王金础　杨正远

(潮流信息技术有限公司　成都610021)

【摘要】　采用中频回波和中频相参信号联合相干处理,现场采样,现场处理,远程传输的体系结构实现了高性能数字中频雷达接收机,其性能可以满足现代高性能雷达系统的需要。

【关键词】　数字中频,F I R滤波,线性动态范围,镜频抑制比

D esign and I m p lem en tati on of a H igh2p erfo rm ance D igital IF R eceiver

W ANG J i n-chu　YANG Zheng-yuan

(T ide Info r m ati on T echno logy Co.L td.　Chengdu610021)【Abstract】　A h igh perfo r m ance digital IF radar receiver w h ich uses IF echo and COHO j o int p rocess algo2 rithm,field samp ling,field p rocessing and remo te trans m issi on is introduced.Its perfo r m ance can m eet the require2 m ents of modern h igh2perfo r m ance radar system.

【Key words】　digital IF,F I R filter,linear dynam ic range,i m age supp ressi on rati o

1　引　言

随着高速AD变换和D SP技术的发展,数字中频接收技术将是提高现代雷达性能的重要技术之一。模拟正交接收机由于受模拟电路的限制,其I Q 的幅相误差较大,而I Q的幅相误差会严重影响雷达的整机性能〔1,2〕,为改善I Q的质量往往需要进行复杂的校正处理〔3〕。数字中频利用中频直接采样,通过数字信号处理获得视频I Q信号,具有I Q镜频抑制比高、线性动态范围大、体积小、重量轻、一致性好等优点,是现代高性能雷达的发展方向。

2　中频处理

2.1　常用方法

目前数字中频处理算法很多,工程实现主要采用无下变频的正交插值滤波法,低通滤波法,希尔伯特变换法,B essel或Sinc插值法等〔4,5〕以及采用类似模拟接收机结构的N CO+L PF方案等。数字中频处理利用雷达中频信号虽然频率较高,但是其有用信号的频谱分布并不充满整个频带,所以可欠采样而保证信号的有用频谱不产生混迭,从而得到正确的I Q信号。而无下变频中频处理同时还利用了频谱的混迭反射原理,将中频载频映射至零频,实现中频至视频的下变频,采用该方案的数字中频接收机其特点是AD采样速率和中频频率之间须满足〔4〕

f0=

2M-1

4f S

(1)式中:f0为中频频率,f S为AD采样率。同时,为满足频谱间隔要求,要求f S>2B(B为中频信号带宽),一般为了降低后续滤波的运算量,可选用4B 采样。采用该法的优点是运算量较小,实现较为方便,但其亦有许多不足之处。首先是无法抑制中频采样中的直流分量,影响了数字中频的低端性能。同时根据式1,AD的采样率和中频频率之间为等式,限制了中频频率和AD采样率的选择,而对中频频率较高的系统,很可能无法找到合适的AD采样率;同时这类方案只适用于全相参雷达系统而无法用于中频相参雷达。采用N CO+L PF的数字中频目前在通信系统中应用较多,但由于目前雷达系统中频综一般不提供数字相位码,若采用固定N CO频率设置,则没有充分利用COHO信息,N CO无法正确跟踪中频的漂移,从而会影响I Q的质量。

2.2　联合相干中频处理

由于采用式(1)采样的数字中频性能受到限制,因而我们采用了对中频回波和COHO信号进行联合采样及相干处理的方法。通过对COHO信号进行数字处理获得相干信息,对IF回波根据发射脉宽以及中频频率进行匹配滤波而得到回波信息,并对两者进行相干处理获得I Q。在匹配滤波中,为实现高镜频抑制比和宽带输出,匹配滤波采用四组可编程

2002年1月现代雷达第1期Ξ

线性相位F I R 滤波器实现,各滤波器的系数经过软件优化,以充分减小FPGA 定点运算的影响。由于采用了中频回波信号和COHO 进行联合相干处理,AD 的采样率和中频频率之间无需满足一定的关系,从而AD 变换器的速率和中频频率可以根据系统要求而定。数字中频的线性动态范围主要取决于AD 的采样率和分辨率,选用40M 12b it AD 在1Λs 脉宽下其理论动态范围可达87dB 。同时高采样率也是在不牺牲距离分辨率(带宽)条件下获得高镜频抑制比的手段。在一定的距离分辨率下,中频滤波器阶数的上限选择取决于采样速率,如40M 采样,发射脉宽为1Λs (距离分辨率为150M )时,实际每个距离单元能够采到40点,理论上选用40阶的滤波器可不造成相邻距离单元的重叠,但是为了改善F I R 滤波器的性能一般可以允许滤波器的长度略大于脉宽10%-25%,因而可选上限为50阶。根据计算机仿

真,在滤波器系数为12b it 时,选用48阶F I R 即可获得良好的性能,因而我们采用48阶F I R ,同时配合我们的线性动态范围扩展算法,系统理论动态范围可达92dB 。

3　中频接收机实现

3.1　系统结构

现有的数字中频处理系统往往和信号处理系统结合在一起,这样不必进行高速数据传输,信号处理系统对中频处理的控制也较为方便,其缺点是需要传输中频回波信号距离相对较长。和视频信号相比,中频信号在传输过程中受电缆的影响更大。为解决该问题,我们采用了现场采样现场处理,数字传输的系统结构。整个数字中频系统可安装于雷达的接收机柜内取代原来模拟接收机中前中以后的部件及A GC ,I A GC ,L og 通道等电路。采用该数字中频的雷达接收机系统如图1所示

。

图1　数字中频雷达接收系统框图

来自前置中频放大器的IF 回波信号和频综的中频相参信号COHO 分别接至数字中频的模拟输

入端,由AD 进行采样,采样值送入中频联合相干处理模块进行中频处理,包括匹配滤波,数字下变频等,最后得到16b it 的数字I Q 信号。I Q 信号分两路,其中一路由数字接口进行并串转换,通过下行电缆串行输出至信号处理系统,另一路送给D A 变换电路,通过模拟差分输出,用于系统调试和自检。数字口I Q 的最高速率为10M (16b it )。

由于通信速率很高,串行通信采用差分驱动,最大传输距离为50m 。而在信号处理端,相应的接口电路将串行I Q 信号转换为16b it 的并行I Q ,该值相当于传统信号处理器的AD 输出。同时数字中频的控制参数则通过上行串行通信电缆传送给数字中频接收机。每次上电初始化时,数字中频可以以缺省参数独立运行。3.2　硬件设计

为了获得大动态范围,我们选用了AD 公司40M 12b it 的AD 9042进行采样,模拟接口为508S M A 接头。对于中频处理部分,目前已有不少

专用芯片,如H arris 的H SP 50241B ,AD 公司AD 6620等,虽然它们可以实现数字接收机的全部处理,但都是面向窄带通信系统的,并不适合于脉冲雷达数字接收机设计,因而必须考虑自行设计。由于采用上述方案的数字中频接收机中频处理的数据量和运算量巨大,若采用通用D SP 实现硬件系统将会十分庞大,仅F I R 实时滤波所需要的乘法为:40M ×48×4=7680M ,即使采用目前最快的TM S 320C 6X D SP 也需30片左右,因而我们采用了A ltera 的EPF 10K 100大规模FPGA 实现数字中频

的核心处理。在高速运算下,FPGA 的时延不确定性对设计影响严重,所以FPGA 内部时序的设计和调试是整个系统的难点。同时由于整个数字中频处理系统密封在盒子中,对系统的热设计也提出了很高的要求,设计上一方面采用低功耗低电压芯片以降低发热量,同时合理布局以便于热量的均匀分布,并充分利用外壳进行散热。由于低端中频信号输入的幅度非常小,在灵敏度附近只有微伏的数量级,而数字系统的电源噪声往往高达数十毫伏,因而模拟电路和数字电路需要进行精心的隔离屏蔽设计。

4　性能

采用上述设计的数字中频接收机于2000年9

～11月在我国某新型雷达系统中进行了现场测试。测试采用射频信号源从接收机的场放处注入射频信号,在信号处理器输出端读出其处理结果,信号处理器采用自行研制的新一代天气雷达信号处理

27现代雷达24卷