基于数字中频存储的雷达中频目标模拟

蒋路华，李 鹏

（船舶重工集团公司723所，扬州 225001）

0 引 言

为了有效地考核雷达的探测概率以及跟踪精度，对于窄带雷达系统，可以在中频采用数字储频的方案来模拟雷达目标回波、假目标以及干扰和杂波信号，以考核中频接收机及信号处理机等终端设备的性能。在模拟雷达目标时，可以直接利用雷达频率合成器输出的中频信号或者经过耦合的雷达中频信号作为样本信号进行采集和存储。由于中频信号保留了相位信息，对于大多数相参系统来说，能够保证相位相参。同时由于中频信号相对射频信号的采样率要低得多，采集的样本数据也就小得多，因此目标延时可以更长。更为重要的就是中频采集位数较高，因此能获得较高的信号动态范围和较好的信号杂散指标。

1 数字中频存储

数字中频存储和数字射频存储的基本原理是一致的，使用高速模数转换器（ADC）对信号进行采集，将采集后的数据进行处理和存储，然后读取存储的数据，利用数模转换器（DAC）将信号恢复。在模拟雷达目标时，数字中频存储一般将存储的频率放在60 MHz左右的中频，利用中频欠采样的方式对样本信号进行采集，可以直接对采集后的数据进行存储，也可以对采集的中频样本信号进行时域抽取和频谱搬移，以数字下变频的方式将中频信号降至基带信号来存储。在信号的恢复方式上也有2种，其一是直接读取存储的中频样本信号，用数模转换器恢复为中频信号；其二是将存储的基带信号进行数字上变频调制，再变为模拟中频信号［2］。数字中频存储的2种方式分别见图1、图2。

方式2相对于方式1，将中频样本信号降至基带来进行存储，存储的样本信号将更少，能够获得更大的信号延时，同时能够在基带对信号进行解调和调制，应用更广泛、更灵活，本文主要就方式2进行讨论。

图1 数字中频存储方式1

图2 数字中频存储方式2

2 样本信号的采集和目标模拟通道

为了保证雷达系统相位相参和严格的时序同步，在雷达目标模拟当中需要采集的信号包括雷达频率合成器输出的中频信号或经过耦合的雷达中频信号、零距离脉冲包络信号、雷达定时信号、正北脉冲信号（搜索雷达）。在模拟时，以雷达定时信号作为同步信号。雷达目标模拟包括目标回波（含假目标）模拟、杂波模拟以及干扰和噪声的模拟。模拟通道包括和路中频信号通道、方位差路中频信号通道、俯仰差路中频信号通道以及其它2个中频信号模拟通道。其系统框图见图3。

图3 雷达目标模拟系统框图

3 雷达目标模拟

3.1 概述

在获得了基带样本信号后，需要对样本信号进行调制来获得基带雷达目标回波信号、杂波信号以及噪声和干扰信号，然后对基带信号进行合成、调制来获得相应的中频目标回波信号、杂波信号以及噪声和干扰信号。

3.2 基带目标回波模拟

基带目标回波模拟包括脉冲压缩和非脉冲压缩雷达目标回波的模拟，在基带以I、Q 2路进行模拟。对于脉冲压缩雷达，需要进行匹配滤波，在相应的目标位置上产生1个目标回波信号。匹配滤波实际上就是对样本信号在时域进行卷积计算，或者在频域进行有限冲激响应（FIR）滤波。对于非脉冲压缩雷达，直接对样本信号进行延时、多普勒以及天线方向图调制即可获得目标回波信号。其目标回波模拟原理框图见图4。

图4 目标回波模拟框图

基带样本信号分2路，其中一路为I通道，另一路为Q通道。I、Q通道分别经过多普勒调制通道和距离衰减通道的调制送入到目标回波基带波形产生器当中。数字控制振荡器（NCO）用于非脉冲压缩雷达目标回波模拟，FIR用于脉冲压缩雷达目标回波模拟。

3.3 基带杂波模拟

杂波模拟也是以存储的基带信号为样本信号，对基带样本信号进行高斯杂波谱的扩展以及海杂波的模拟，高斯杂波谱扩展主要用于模拟干扰、气象和地杂波。杂波模拟框图见图5。

3.4 基带干扰和噪声模拟

干扰和噪声信号主要包括接收机热噪声以及有源噪声干扰信号。由于热噪声和雷达信号相关性很差，为白噪声信号，有源噪声干扰信号主要以功率压制为主，因此，干扰和噪声信号不采取基带样本信号调制的方式产生，而直接采用基带高斯噪声展宽的方式产生。

图5 基带杂波模拟框图

3.5 信号合成

在基带将目标回波信号、杂波信号以及噪声和干扰信号进行合成。首先使用干扰和噪声对杂波信号进行调制，形成杂波和干扰信号，然后I、Q通道分别和目标回波信号叠加，实现基带功率合成。其功能框图见图6。

图6 基带功率合成框图

基带信号合成之后输出给数字上变频器（DUC），将基带信号上变频至中频信号，然后再通过DAC变为模拟中频信号［3］。

对于天线不同通道的基带信号合成，基本原理都是一致的，只是在基带信号产生上略有不同，这里不再详述。

4 信号带宽和动态范围分析

采用数字中频存储的方式进行雷达目标模拟最关心的问题，其一是相位是否相参，其二是所模拟信号的带宽和动态范围如何。对于前者，由于目标模拟本身就是以雷达中频信号或者经过耦合的中频信号作为样本信号而获得的，所以解决了系统相参性问题；对于后者，下面作一些简要分析。

对于1个60 MHz的中频样本信号，根据中频欠采样定理：

式中：f s为信号的采样率；B为信号带宽；f0为信号载频；n为自然数。

若ADC的采样率最高可达105 MHz（当n＝2时，实际运行80 MHz），信号带宽理论值最高为40 MHz，为了降低存储数据率，可以对采集的数据在时域基2进行数据抽取，根据式（2）：

式中：B0为采集后的信号带宽；B为抽取后的信号带宽；D为数据抽取率，取自然数。

信号带宽则变为20 MHz，再乘以损耗系数0.8（经验值），信号带宽变为16 MHz；若处理器性能足够高，存储容量足够大，可以不进行时域抽取，信号带宽理论值最高为40 MHz，加上损耗，信号带宽可达到32 MHz。对于窄带雷达系统，中频信号带宽一般小于15 MHz，因此在信号带宽上，数字中频存储是满足要求的。对于带宽较宽的雷达系统，可以增加采集通道来增加带宽，即采用多个储频通道并行采集和存储。

对于信号的动态范围，若采用12位的ADC和DAC，根据香农定理可知，信号的动态范围理论值为72 d B，考虑到带宽、噪声和杂散的影响，信号实际动态范围应该可达60 dB［4］。若采用14位的ADC和DAC，实际动态范围应该在85 d B左右。

5 结束语

采用数字中频存储的方式来进行雷达中频目标模拟，特别适合于相参雷达系统的模拟，能够很好地解决目标相位相参性问题、大延时问题；另外一方面，由于中频存储采样位数较高，因此也能获得较高的动态范围和较好的杂散指标。

［1］宗孔德.多抽样率信号处理［M］.北京：清华大学出版社，1996.

［2］Interactive Circuits ＆ Systems Ltd.Software Defined Radio（SDR）Products for Radio and Radar［EB／OL］.http：／／www.ics.com，2000－03－26.

［3］Interactive Circuits ＆Systems Ltd.Digital IF Processing［EB／OL］.http：／／www.ics.com，1999－09－26.

［4］杨小牛，楼才义，徐建良，等.软件无线电原理与应用［M］.北京：电子工业出版社，2001.