一种小型数字化测向设备的研究

李越岭，黎仁刚

（船舶重工集团公司723所，扬州225001）

0 引 言

在现代电子战中，确定雷达方位是侦察接收最重要的任务之一［1］。传统的测向装备设备量大、价格昂贵，难以实际应用于大批量、小载荷类平台中。对此，在本设计中利用数字化技术研制出一种小型数字化测向接收机，不仅能够有效地解决同时到达信号问题，提高测向精度；而且体积小，重量轻，接口更灵活，成本更低，适装于各类平台。

1 数字式宽带信道化技术优势

在传统的模拟信道化体制接收机中，大量微波件的体积、重量和昂贵的成本制约着技术的发展和场合的应用。例如假设希望覆盖2～8GHz频段，分析的窄脉冲200ns，理论上就需要1 200个带宽为5MHz的滤波器，这样硬件量明显很庞大［2］。即使随着工艺水平的提高，微波单片集成电路（MMIC）、声表面波（SAW）技术日趋成熟，但是在某些特殊应用场合，如对小型化要求苛刻的导弹平台、无人机、干扰吊舱等，模拟体制无论是体积或是量产成本上都有着先天不足。

而在数字信道化体制接收机中，随着高速模数转换器（ADC）采样芯片的出现，特别是1～2GHz多通道采样芯片的普遍使用，使数字采样过程在接收机中的位置不断“前移”，能够用数字方法实现部分微波设计。目前ADC芯片采样频率已经接近射频信号的频率，因此小型化0.5～1GHz瞬时带宽范围的数字接收机在工程上已经实现。与传统模拟体制相比，数字化体制的优势主要体现在如下几点：

（1）数字信道化中的数字多相滤波器可设计成线性相位，所有信道间有统一幅度增益，更加有利于实现指标，提高精度。

（2）数字信道化中设计实现的数字多相滤波器、数字下变频、数字信道化后端处理，在一两块大规模可编程集成电路中就可以完全实现，更利于在小型化设备中使用；同时与大量使用微波器件相比，设备成本大为降低。

（3）数字化技术可以大幅提高电子战设备的运算复杂度和处理能力，提供更多、更精确的测量参数，满足日益发展的电子战领域需求。

（4）数字化接收技术使得设备的设计更加灵活可变，可编程器件的使用让产品的更新升级更简单，无需改动硬件，通过下载更新软件程序就能实现各种新的需求、新的功能。

2 小型数字化测向接收机的设计

本文阐述的数字接收机硬件设计带宽为500MHz，可实现最大带宽700MHz。数字信道化前端变频设计采用外差混频技术，通过锁相环技术产生本振频率，下变频至零中频附近（50～550MHz），在工程上能满足小型化设计要求；在500MHz带宽内信道化处理完全数字实现，主要包括数字多相滤波器、信道监测和信道判决、瞬时相位计算、相位差计算及测向等。以下分别介绍小型数字信道化接收机设计、工程中遇到的问题以及最终测试结果。

2.1 小型数字信道化接收机的设计

在小型化设备中，能够在非常受限的空间里完成对敌方雷达频率、脉宽、幅度、到达时间、方位角5个基本参数的测量是件极具挑战而富有意义的事情，5个参数中方位角是唯一不变的参数，并为信号分选提供最为直接的依据［3］。本设计采用多通道数字接收、并行数据处理技术，采用多基线、二维干涉仪比相法，不仅有效测向，精度也大为提高。

2.1.1 数字化接收机测向效果的理论限制

在接收机中侦测到的脉冲信号的幅度、相位和频率一般都是未知量，而在噪声环境中的参数估计结果精度并非可以无限制提高，而是受到一定的理论约束，这就是C－R下限理论［4］。同时又因为所有的处理都在数字域完成，所以C－R下限使用离散数据计算。例如对于500MHz带宽的信号，不考虑前端滤波器造成的通带起伏和过渡带，这样保证采集的噪声为白色的，采样频率为1GHz，C－R下限的讨论依此采样率为基准，对于形如下式的信号：

式中：n（t）为白噪声。

在以上假设下，其角频率的估计值＾θ和相位估计值＾ω的均方误差的C－R下限为：

式中：SNR为信号的信噪比；N为离散的数据点个数；T为采样间隔时间。

假设脉冲宽度0.2μs，信噪比0dB，由公式（3）可以得到相位差估计值Δ＾θ的均方误差的最小值11.416°，在实际情况中保证通道间的相位差控制在20°之内，都能够正确测量方位角。

2.1.2 小型数字信道化接收机的硬件、软件设计

本设计中，数字信道化接收机采用的硬件结构如图1所示，系统主要由4片双通道模数转换（ADC）芯片和3片现场可编程门阵列（FPGA）芯片组成。ADC的最高采样率为1.5Gsps；FPGA逻辑规模较大，内部乘法器较多，适合于此类应用。

图1 数字信道化接收机硬件结构图

数字信道化接收机的软件工作是在FPGA中完成的，信道化软件流程如图2所示，整个算法由数字信道化、信道监测、相位计算、频率计算、相位差计算以及测向等组成。

图2 数字信道化接收机软件结构图

图2中数字信道化模块将每路输入的数字信号分成16个信道，每个信道带宽37.5MHz，其中0信道和16信道处于过渡带内，认为无信号，所以实际有效信道数为14。信道滤波器的基带原型的幅频和相频响应如图3，频率作了归一化处理，各信道的幅频特性如图4所示。

图3 基带原型滤波器的频率、相位响应

图4 信道形成滤波器的频率响应

为了避免噪声造成的信道边缘的频率模糊，信道化过程提高了1倍的采样率，即实际的采样率为75MHz。虽然这样增加了1倍的硬件资源消耗，但可以从根本上杜绝频率模糊现象的产生。信道监测使用简单的平滑门限检测或者小波变换方法检测，在指标要求中的信噪比范围均能较好完成信号检测，而且可以实时完成。如果有信道过门限，避开信号的上升沿后，对应信道的信道监测通知各信号选取部件选择对应的信道，送往下一级相位计算。相位计算采用Cordic算法，在FPGA中采用流水模式计算，效率较高，此方法已比较成熟，此处不再赘述。后端的频率计算和相位差计算均在此基础上采用一定的积累方式完成。以上软件设计程序经Modelsim仿真、Synplify布局布线，最终在FPGA中实现数字信道化功能。

2.2 设计中遇到的问题

（1）多通道、高速率信号传输问题

本设备中每个测向通道的输出数据率为9.6Gbit／s，共7路数据，并行总线的数据传输方式无法满足设计需要。同时，印制板和发送、接收端口的阻抗失配造成信号畸变，大幅提高数据传输的误码率，影响设计的可靠性，所以在设计中采用LVDS串行／解串器技术，将并行数据变成串行高速数据，然后通过差分线来传输，可明显提高信号质量；LVDS的数据接收和发送采用ALTERA公司提供的altlvds＿rx和altlvds＿tx模块来实现，并打开发送、接收模块阻抗匹配电路，有效改善信号质量。

（2）多通道数据同步问题

本设计采用多片FPGA互连方式，所有数据需传输至主控FPGA计算。因为设计的实时性较高，无法使用异步先进先出（FIFO）方式，因此需要各通道数据严格保持同步。数据同步包括2个方面，即位同步和帧同步。为了保证在环境变化的条件下能够稳定运行，本设计中未使用固定相位取样方法保证位同步，而是采用了动态相位对准（DPA）方法确保位同步。对于帧同步问题，在FPGA软件设计上采用自适应训练方法，动态维持帧边界对准。因为均采用了动态对准的方法，可以保证多通道严格同步的传输数据。

（3）“兔耳效应”的改善

“兔耳效应”来源于信号突变时产生的频谱展宽，本文采用延时检测的方法去除，以增加处理时延为代价换取检测的准确度。依据信道宽度所对应的兔耳形状，通过判断输入脉冲的形状和宽度，确定输入的信号是否为兔耳，如为兔耳则在信号中将该段剔除。

（4）测向中遇到的问题

保证多路相位差数据稳定是测向的前提，在各种测向设备中相位差不稳定是影响测向的关键问题。

在设备中微波前端各个通道相位误差、多路数据所采用的时钟不同步、脉冲稳定时间的不确定性等都是引起相位差不稳的因素，多路相位差在解模糊边界上随机产生的解模糊错误也会使得测向结果发生较大偏差。本设备工程设计中在微波前端中使用温度传感器实时监测设备的微波前端环境温度，在数字化后处理时对每个脉冲根据微波前端的环境温度、测得的信号功率和频率值对各路相位差做出相应补偿，从而提高测向精度。

2.3 测试结果

本设计中小型数字信道化接收机在暗室条件下，成功实现各项指标，接收机输入信噪比为0dBc的情况下，测频精度小于0.5MHz，整机测向精度在工作频段内小于0.6°。

3 结束语

小型数字化接收机的研制成功为数字化技术在苛刻条件下的应用提供可能，但仍需在动态范围、高灵敏度指标上进一步研究。将来，此类接收机需要遵循发达国家相关产品模块化、系列化发展思路，使数字接收机可覆盖多频段，并能应用于雷达、电子战、通信、遥感技术、导航定位、GPS等诸多领域。

［1］James Tsui.宽带数字接收机［M］.杨小牛译.北京：电子工业出版社，2002.

［2］施莱赫D C.信息时代的电子战［M］.成都：信息产业部电子第二十九所，2000.

［3］张明友.数字阵列雷达和软件化雷达［M］.北京：电子工业出版社，2008.

［4］张明友，吕明.近代信号处理理论与方法［M］.北京：国防出版社，2005.