采用全数字接收机的航管二次雷达系统研究

采用全数字接收机的航管二次雷达系统研究摘要：全数字接收机技术的应用越来越广泛，本文给出了一种采用全数字接收机技术的航管二次雷达系统方案，对系统中全数字接收机部分进行了重点论述。

经实际使用，证明了全数字接收机技术应用于航管二次雷达系统中是可行的。

关键词：航管二次雷达；全数字接收机；直接数字合成
0 引言
航管二次雷达是应用于传统空中交通管制系统中的重要设备，可对空中合作目标进行有效监视，能够向管制中心提供目标的方位、距离、A代码和气压高度等信息，具有S模式的二次雷达与普通A/C 模式的二次雷达相比，不仅可以提供更好的监视能力，还可以提供空中和地面的数据链接能力[1]，增强地面与空中目标的信息交互。

航管二次雷达工作于L波段，最初采用的是视频采样技术。

随着雷达接收机技术的发展，出现了数字中频采样技术，该技术已经十分成熟，因此视频采样技术逐渐被数字中频技术替代。

近年来，雷达接收机的数字化水平越来越高，超高速数字电路技术迅速发展，目前L 波段的全数字化接收机技术已经逐步成熟。

本文介绍了采用全数字化接收机技术的航管二次雷达系统的组成和原理，重点介绍了系统中的全数字接收机部分，并在实际的项目中对该系统进行了验证。

1 航管二次雷达系统概述
1.1系统组成
航管二次雷达一般由天线系统（包括天线、天线座和伺服系统）、馈线系统、发射机、接收机、信号处理器、数据处理器和显示与控制单元组成。

1.2系统工作原理
1)二次雷达询问信号的产生：
在航管二次雷达的显示与控制单元界面上可以对二次雷达的工作模式进行设置，该设置命令发给二次雷达的数据处理器，数据处理器将命令转发给信号处理器的定时模块，由定时模块产生询问脉冲序列，送往接收机的激励模块进行调制，产生的激励信号送发射机进行功率放大，得到大功率的射频信号，该射频信号经馈线系统传输至天线，由天线向空间辐射。

2)二次雷达对应答信号的接收与处理：
飞机上的应答机接收到询问信号后，会对询问信号进行模式判别，然后根据询问模式产生相应的应答脉冲序列，再对应答脉冲序列进行调制和功率放大，形成大功率射频信号，送往应答机天线，由天线向空间辐射。

二次雷达的天线接收到应答信号后，通过馈线系统将应答信号送入接收通道，根据系统方案的不同，接收通道可以输出射频信号，也可以输出中频信号或视频信号，送入信号处理器做应答预处理、应答处理，处理形成的应答报告送往数据处理器进行点、航迹处理，最终形成航迹报告，送往显控终端或管制中心进行显示。

2采用全数字接收机的航管二次雷达系统设计
2.1全数字接收机与信号处理器功能模块划分
全数字接收机由模拟部分和数字部分两部分组成。

1)模拟部分
模拟部分对天线来的射频应答信号进行滤波和低噪声放大，对数字部分产生的D/A输出信号进行滤波和放大，另外还产生系统所需的时钟。

2)数字部分
数字部分对定时模块产生的基带信号进行数字上变频和D/A转换，对模拟部分输出的放大后的射频应答信号进行射频A/D采样和数字下变频。

与全数字接收机相匹配的信号处理器的组成及模块划分与传统的航管二次雷达信号处理器相同：均由定时模块、应答预处理模块和
应答处理模块组成，完成询问序列的产生和应答处理功能。

其不同之处在于定时模块产生的询问序列的信号形式不同：传统的定时模块产生的是脉冲框架，采用DDS方式的定时模块产生的是数字化的I/Q 序列。

2.2全数字接收机与信号处理器硬件设计
本系统中将接收机模拟部分的功能合并为一个模块，接收机数字部分与信号处理器集成在一块印制板上。

接收机模拟部分由滤波和放大电路、激励放大电路和时钟源组成；数字部分由两块FPGA、DAC和射频ADC组成[3]。

（在FPGA 中完成数字上变频、数字下变频、定时和应答处理功能）。

数字上变频的功能包括滤波、内插和混频，即将数字I/Q序列分别通过FIR内插成型滤波器，将数据的采样频率提高到射频采样频率，NCO产生两路完全正交的数字离散载波，保证调制时I、Q两路数据完全正交[4]。

合成后的信号送DAC，产生模拟的激励信号。

数字下变频的功能包括混频、滤波和抽取，即将射频数字信号变成零中频数字信号，通过滤波器将需要的信号滤出来，通过抽取将数据速率尽可能降低[3]。

2.3全数字接收机与信号处理器的工作过程
全数字接收机的工作过程为：
定时器产生正交调制的I/Q数据，然后进行数字上变频、D/A转换、带通滤波、放大，形成1030MHz的激励信号送发射机；
天线来的应答信号经过接收通道的滤波和放大后，输出1090MHz的射频信号进行射频A/D采样，然后进行数字下变频，输出基带的I/Q信号送信号处理器做应答预处理和应答处理。

2.4接收机技术指标要求
1)接收灵敏度：优于-90dBm；2)接收带宽：8MHz±1Hz；3)接收动态范围：不小于80dB。

要达到指标，接收通道及ADC的动态范围均需达到80dB，ADC 的位数至少需要14位。

4)接收通道增益.由于射频ADC的噪声相对中频ADC的噪声要大一些，因此采用射频ADC的接收通道增益应比采用中频ADC的接收通道增益适当大一些，以减小系统的噪声系数，保证系统灵敏度能够达到设计要求。

3实验结果
实测的全数字接收机指标如下：
1)接收灵敏度达到了-95dBm；2)接收带宽8MHz；3)接收动态范围为81dB；
将该采用全数字接收机的航管二次雷达接入天、馈线及伺服系统
平台，在外场进行实验。

经过实际观测，雷达的作用距离不小于400km，目标的距离精度为43米，方位精度为0.08°，航迹平滑、连续。

4结束语
本文首先介绍了航管二次雷达的系统构成及工作原理，然后给出了采用全数字接收机的航管二次雷达系统系统设计方案，详细论述了系统中的全数字接收机部分，最后给出了采用全数字接收机的航管二次雷达系统的实验结果。

本文涉及的全数字接收机已应用于航管二次雷达上。

经工程实践证明，采用全数字接收机的航管二次雷达方案是可行的，后续还需对雷达的测量精度做进一步的优化，以满足实际使用的要求。

参考文献
[1] 张尉. 二次雷达原理[M]. 北京：国防工业出版社，2009
[2] 杨小牛，楼才义，徐建良. 软件无线电原理与应用[M]. 北京：电子工业出版社，2001
[3] 弋稳. 雷达接收机技术[M]. 北京：电子工业出版社，2005
[4] 王洋聪，朱冬. DDS技术在软件无线电中的应用[J]. 山西电子技术2005（5）。