一种高性能数字中频接收机的研究

程博 强小英 黄中

摘要：数字中频接收机能够直接对中频信号进行采集，其信道化功能能够利用数字正交下变频器、数字滤波器进行实现。利用中频回波、中频相参信号联合起来进行处理，做好现场采样、处理，能够实现高性能数字中频雷达接收机体系的建设，使现代高性能雷达系统的需要得以满足。本文就对高性能数字中频接收机的中频处理、数字中频接收机实现等情况进行分析和研究。

关键词：数字中频接收机 数字下变频 FIR滤波 数字滤波器

中图分类号：TN851 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）08-0071-01

随着超高速数字电路科学技术迎来了良好的发展时期，要使现代雷达性能得到有效、稳步的提升就应积极使用数字中频接收技术，这也是雷达性能提升的重要标准。在模拟电路的影响下，模拟正交接收机中的I、Q幅之间存在着较大的差异，其误差会对雷达的整体性能产生影响。为了使I、Q的质量得到提高和改进就需要做好校正工作，利用中频做好数字中频接收机的采样工作，对信号进行科学的加工处理，得到高质量的I、Q信号。这种方法有着十分明显的优势，应用范围广、重量和体积都比较小，与当前高性能雷达发展需要相适应。

1 中频处理

1.1 常用的数字中频处理方法

当前有很多数字中频处理的方法，要实现工程设计应该使用Bessel或Sinc插值法、希尔伯特变换法、低通滤波法和类似于模拟接收机结构的NCO+LPF方案，利用雷达中频信号度中频进行处理的频率比较高，但是并不是整个频带中都有信号，为了防止出现信号频谱出现混淆的问题可以通过可欠采样进行，使I/Q信号得准确、可靠性得到提升。通过频谱混迭反射还能够处理无下变频中频，使中频载频变为零频，实现下变频。数字中频接收机的AD采样速率需要与中频频率满足

f0=×fs （1）

其中：中频频率用f0表示，AD采样率用fs表示。要使频谱间隔得到满足，需要保证fs是中频信号带宽的2倍，要减少后续滤波运算量得以减少，可以使用4倍的中频信号带宽采样。这种方法的运算量比较小，实现起来也比较便利，但是可能也会存在不足。首先中频采样中的直流分量无法得到有效的控制，使得数字中频低端的性能受到影响。此外，如果中频的频率系统比较高，可能就无法找到合适的AD采样率。当前通信系统中，NCO+LPF数字中频是使用比较广泛的，但是由于目前的雷达系统中不会提供数字相位码，要使设置相对固定的NCO频率，NCO没有办法对中频变化进行准确的跟踪分析，会使得I/Q信号的整体质量提升受到限制。

1.2 联合相干中频处理

通过（1）式进行采样，可能会影响数字中频的性能，所以需要联合中频回波、相参振荡器信号，实现二者的联合采样，并进行相干处理。数字处理相参振荡器信号，了解相干信息。利用发射脉宽、中频的频率等进行滤波的匹配，从而实现回波信息的获取，然后相干处理二者获得I/Q信号。匹配滤波的过程中，一般使用能够编程的四组线性相位FIR滤波器，保证获得的镜频抑制比以及宽带输出是高质量的，然后对滤波器进行软件优化，避免对FPGA定点运算效果产生不利的影响。实现联合相干处理方式，中频频率与AD采样率间就不需要满足一定的关系，可以依据系统需要确定AD变换器的速率和中频频率。

2 数字中频接收机实现

2.1 数字中频接收机的结构

数字中频接收机能够对中频信号进行直接性的采集、取样，在数字部分实现数字下变频等作用，通过比较完美的正交性和数字电路软件编程的灵活性实现相应的功能作用发挥。当前，中频处理系统与信号处理系统是密切联系的，这种情况下，就不需要数据信息的高速传输，中频处理在信号处理系统的管理控制下科学的开展工作。但是这种方法还存在一定的不足，就是中频回波信号的传输距离是比较长的。相比于视频信号，传输过程中，中频信号会更容易受到电缆的影响。为了使这一问题得到有效的解决，一般都是使用现场采样现场处理的数字传输系统。可以在雷达接收机柜内安装数字中频系统，使原有的模拟接收机以及电路等被代替，如图1。

在数字中频模拟输入口接入IF回波信号、中频相参信号COHO，AD采样，利用中频联合处理模块对采样的数据进行科学的加工处理，在联合处理下获得I/Q信号，I/Q信号有两路之分，一是在数字接口实现串并转换，借助于下行电缆保证信号能够进入到系统中进行处理，二是通过D/A变换电路，模拟差输出，从而对系统进行调试。

2.2 FPGA设计

使用Altera的大规模FPGA实现数字中频的核心处理，使用能耗、电压消耗都比较低的芯片，保证发热量少，实现科学的布局，做好热量的分布均匀，散热可以通过外壳进行。同时，在设计模拟以及数字电路时，还需要做好隔离屏蔽的设计。

3 结语

本次研究中使用的是现场采样时现场处理，联合相干处理技术，应用的范围也比较广，适用于全相参、中频相参雷达，新雷达系统以及改造原有雷达系统，能够使数字脉压功能和多波速处理得以顺利的实现，提高多波束雷达接收机的集成度。当前高性能的雷达系统中，需要接收机来提高自身的性能，使用数字中频接收机能够很好的弥补传统模拟接收机的不足，提高雷达的整体性能，减小雷达的体积。

参考文献

[1]张黎明.高性能数字接收机FPGA设计与实现[J].电子测量与仪器学报，2013，05：479-483.

[2]胡俊杰，叶永杰，帅明.数字中频接收机中数字AGC的设计与实现[J].通信对抗，2015，01：29-33.