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,FIR滤波,线性动态范围,镜频抑制比

DesignandImplementationofaHigh2performanceDigitalIFReceiver

WANGJin-chu　YANGZheng-yuan(TideInformationTechnologyCo.Ltd.　Chengdu610021)

【Abstract】　AhighperformancedigitalIFradarreceiverwhichusesIFechoandCOHOjointprocessalgo2rithm,fieldsampling,fieldprocessingandremotetransmissionisintroduced.Itsperformancecanmeettherequire2mentsofmodernhigh2performanceradarsystem.【Keywords】　digitalIF,FIRfilter,lineardynamicrange,imagesuppressionratio

1　引　言

随着高速AD变换和DSP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,Bessel或Sinc插值法等〔4,5〕以及采用类似模拟接收机结构的NCO+LPF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-14fS(1)

式中:f0为中频频率,fS为AD采样率。同时,为满

足频谱间隔要求,要求fS>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NCO+LPF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NCO频率设置,则没有充分利用COHO信息,NCO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收稿日期:2000—01—15　修订日期:2001—05—23 线性相位FIR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40M12bitAD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FIR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12bit时,选用48阶FIR即可

获得良好的性能,因而我们采用48阶FIR,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

AGC,IAGC,Log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16bit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(16bit)。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16bit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

40M12bit的AD9042进行采样,模拟接口为

508SMA接头。对于中频处理部分,目前已有不少专用芯片,如Harris的HSP50241B,AD公司

AD6620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DSP实现硬件系统将会

十分庞大,仅FIR实时滤波所需要的乘法为:40M×48×4=7680M,即使采用目前最快的

TMS320C6XDSP也需30片左右,因而我们采用了

Altera的EPF10K100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

图2　数字中频接收机外形

器〔6〕,因为天气雷达信号处理器具有对回波功率进行精确定量测量功能,测试在实时处理条件下进行,测得的指标为应用该数字中频的雷达接收机整机的

动态范围和灵敏度。其场放和前中的总增益为30dB(在场放处输入为-115dBm时数字中频的输入端为-85dBm),RF信号源以1dB为单位从低端向高端递增变化测得线性动态范围,而灵敏度则为可清

晰看到目标时的最小输入值。其主要指标如表1所

示。由表1可见,数字中频接收机IQ信号的相位误

差和幅度误差比一般传统模拟接收机小将近两个数

量级,镜频抑制比大于75dB,而一般的模拟接收机

只能达到30～40dB,同时直流偏移极低,保证了低

端的动态范围及信号质量。该数字中频在90dB的

动态范围内具有良好的线性,一般模拟接收机依靠

AGC的控制虽然能够有90dB以上的动态范围,但是其动态范围内的线性度并不理想,一些体积较小

的强目标仍可能饱和,同时AGC电路本身的误差表1　数字中频主要指标项 目参 数

I󰃗Q信号质量相位误差<0.015度幅度误差<0.024%镜频抑制比>75dB直流漂移<-85dBm

灵敏度-115dbm

线性动态范围低端:-113dBm高端:-23dBm　动态:90dBm中频范围1M～120MHz通信距离50m(Max)

也会影响系统的性能。同时由于数字中频取代了传

统模拟接收机中的大量电路,使接收机的体积大大

缩小,可靠性大大增加,同时调校和维护十分方便。

由于采用了数字远程通信的隔离设计,实现了雷达

信号处理系统和接收机的隔离,消除了信号处理系

统对前端的影响,提高了前端的指标,信号处理器的放置也十分灵活。

5　结　论

由于本数字中频采用了现场采样,现场处理以

及联合相干处理等技术,系统除了具有良好的指标

外,还具有广泛的适应性:既可用于全相参雷达,又

可用于中频相参雷达;既可用于新雷达系统,又可用

于原有雷达系统改造(只需用数字中频系统替换原

有系统前中以后至信号处理系统AD部分)。同时还

可以十分方便地实现数字脉压功能以及多波速处理

(目前单板可以实现四路波速的中频处理),从而大大提高多波束雷达接收机的集成度及各通道特性的

一致性。

现代高性能雷达系统,对雷达系统的接收机提

出了很高的要求,如机载或星载雷达,对系统的体

积,重量和可靠性要求极高;合成孔径雷达,其需要

大动态高质量的I󰃗Q;新一代天气雷达,对系统的动

态范围及线性度要求很高。采用传统模拟接收机,往

往很难达到这些系统的要求,而采用上述数字中频

接收机则是良好的解决方案。本数字中频接收机将

开始应用于某新型雷达,对于提高该雷达的整机性

能,缩小雷达体积等将起到很大的作用。

参　考　文　献

1　陈军.I󰃗Q通道幅相不平衡的影响及改善现代雷达.1999,21(5):100～1032　张兴敢,朱兆达.正交采样系统误差估计,数据采集与处理,2000,15(1):48～503　陆必应,周智敏,宋千等.用复系数FIR滤波器实现超宽带正交解调接收系统的幅相误差校正.电子学报,2000,28(9):59～614　孙晓兵,保铮.中频信号采样与正交相干系统.系统工程与电子技术,1993.55

　马炳钧.用二分项采样法实现直接中频采样的方法.现代雷达,2000,22(6):67～696　王金础,郑昌璇,余松煜.基于C30并行处理的气象雷达信号处理系统.数据采集与处理,1999,14(4):325～329

王金础　2000年毕业于上海交通大学,获通信与信息系统博士学位。现主要从事雷达信号处理、宽带数字中频接收、基于MPEG的实时音视频编解码系统、无线VoIP等系统的研究与设计。杨正远　1997年毕业于重庆邮电学院并获信息与信号处理硕士学位。现主要从事图像传输与信号处理,IP通信等的系统设计,Internet应用系统软件的设计与开发。37第1期 王金础等:一种高性能数字中频接收机的设计及实现