基于调频广播的无源定位系统接收机设计

卢玉杰

（华东电子工程研究所，安徽　合肥　230088）



基于调频广播的无源定位系统接收机设计

卢玉杰

（华东电子工程研究所，安徽合肥230088）

摘要：基于调频广播的无源定位系统由于具有隐蔽性好，反隐身等特点，一直受到人们的关注。文章主要基于调频广播信号的特征，以及无源定位系统直达波功率远大于目标回波功率这一特性，对接收机展开研究。分析了适用于基于调频广播的无源定位系统的信道化射频数字接收机的主要特点。

关键词：无源定位；调频广播信号；接收机

利用民用FM广播对目标进行无源定位和跟踪是一种新的探测目标手段，也是目前国内、国际上比较热门的一个研究课题。具有许多优点，如隐蔽性好，工作频带宽（跨米波和分米波2个频段），兼具双基地或多基地的优点，可用于探测隐身目标，其生存能力和生命力是非常强的。由于FM广播是全向连续发射的，在无源探测系统探测目标时，天线始终处于发射信号的照射下，又由于米波频段信号的衍射特性以及地杂波和多径干扰的存在，很难在接收天线上获得非常好的方向抑制；相对于这种直达波和干扰，目标回波的功率要弱很多，这就要求探测系统的动态范围必须足够大，能提取微弱的目标反射波，并不因直达波和干扰而饱和。结合以上特点，以及近年来高速ADC技术和高速信号处理技术的发展，本文将讨论针对基于FM广播信号无源探测系统中大动态、高灵敏度信道化射频数字化接收系统的设计。

1　FM电台信号特性分析

频段：85～110MHz；

FM电台主要分为单声道和立体声2种体制。目前城市中以立体声电台较多，而且两种体制的信号差异不大。调频广播电台的频段在85～110MHz，规定电台的通频带最大为200KHz，频道间隔100KHz（单声道180KHz）。目前FM广播基本上是立体声广播，我国和美、日等国的FM立体声采用导频制式。传递的信号经过和、差调制，变成立体声复合信号a（t）；a（t）对主载波进行调制，发射出去。FM信号幅度稳定，信号的瞬时频率和瞬时带宽等受调制信号a（t）强度、频率的直接影响。

FM立体声调制语音信号频谱如图1所示。

图1　FM信号基带频率谱

100%调制时的频偏：±75KHz；音频信号最大频率：15K；

发射天线极化：水平；载频最大频偏：Δfmax=±2KHz；

信号中频间隔：±100KHz；信噪比：高频1KHz，最大调制度：S/N＞55dB；

38KHz的副载波抑制：≥20dB；

19KHz导频信号调制度10%，频偏差＜±2Hz，相位偏差：±5°；

2)试验表明，41.41%-0.074mm磨矿细度条件下，通过弱磁一粗一精一扫流程可获得最终精矿铁品位64.15%，产率87.63%，回收率92.47%。

FM信号由于播送的节目内容a（t）不同，频谱上存在较大差异。

一般情况下，FM信号的瞬时带宽在100KHz以内，很少超过150KHz。由于调制的语音或音乐等音频的信号变化是缓慢的，在一定时间范围内（如0.1秒以下），可以认为其调频频谱是相对稳定的。

2　接收机特性分析

由于FM广播信号是全向连续发射的，在无源探测系统探测目标时，天线始终处于发射信号的照射下，又由于米波频段信号的衍射特性及地杂波和多径干扰的存在，很难在接收天线上获得非常好的方向抑制；系统接收到的信号是由直达波、多径干扰和目标回波信号组成，相对于直达波和干扰，目标回波的功率要弱很多，这就要求探测系统能在强的直达波和干扰信号中提取微弱的目标反射波，即要完成在强信号背景下对弱信号的检测；要求接收机无杂散动态范围必须足够大。

调频广播应用广泛，一个地点在85～110MHz范围内可能收到多达几十个电台的信号，如果同时进入接收通道，将会产生严重的互调和干扰，使系统无法正常工作，因此必须对频段进行划分滤波，频段划分过细将带来设备量和成本的增加，因此频段划分的原则是尽可能少的频段划分，使同时进入通道的电台数目尽量少，并且数字接收的多音干扰尽量小。基于SAW 开关滤波器组由于其体积小、易于集成、高矩形系数（高Q值）、带内线性度以及一致性好等优点广泛应用于米波频段接收机设计中，该滤波器同时还可以对AD C采样时钟的谐波进行抑制，防止其进入射频通道放大器并与输入信号产生互调干扰。

广播电台的发射信号波形具有很强的随机性， 该体制下的无源定位雷达系统主要利用广播信号的直达波（参考信号）与目标反射波作多普勒相关处理（模糊函数图）进行检测和定位。信号在通道间传播时，接收机前端放大器和混频器带来的非线性失真、通道间的不平衡和系统噪声等因素会降低其相关性。在这一频段，当前的ADC器件已能够在该频段的射频输入端进行直接数字采样后利用数字方法混频和正交化，避免模拟信号混频器固有的非线性影响，提高检测性能。

由于各FM广播电台分布的不同，在接收通道中需加入自动增益控制（AGC）适应不同收发间距和天线转动带来的信号强度变化。单通道接收机的组成框图如图2所示。

图2　单通道接收机的组成框图

3　系统设计关键点分析

3.1接收通道与A/D接口设计

模数转换器（A/D）是影响接收机性能的因素之一。AD变换器的有效分辨率制约着接收机的动态范围；而量化噪声影响着接收机的灵敏度。接收机设计中，通常将A/D变换器看成一个附加噪声源，通过计算出接收机与A/D变换器的组合噪声系数，根据组合噪声系数的变化来衡量A/D量化噪声对灵敏度的影响。由经典的噪声系数定义，可推导出系统组合噪声系数如下：

Fs=F×（M+1）/M

取对数形式，则有：NFs=NF+10lg（M+1）-10lgM

上式中，M为接收机的输出噪声功率与A/D变换器的量化噪声功率的比值，F、NF为接收机自身的噪声系数，Fs、NFs为系统的组合噪声系数。由上述公式可知，M值越大，A/D的量化噪声对接收机与A/D组合后的总噪声系数的影响就越小。按现有器件水平，我们可以选择16位A / D变换器（ADC16DV160）。该A/D变换器的最大采样率为160MHz，典型满刻度输入信号电平是2.0Vp-p（50欧姆阻抗）。据此可计算出该A/D的量化分层电平为Q=0.03mV，则理想情况下量化噪声电平为Q/（，折合成50欧姆阻抗的功率电平为：-88dBm。这样理想的情况下接收机噪声电平远大于量化噪声电平，选择目前最高采样率及分辨率的ADC是满足系统设计要求的一个关键。

3.2采样时钟的产生

在数字化接收机设计中采样时钟的产生是一个关键，采样时钟的沿的抖动将引起ADC的孔径不确定性，而孔径的不确定性来自2个方面：一个是ADC内部采保或带锁存比较器取样时，样本时间延迟的变化，在给定型号ADC说明书中给出了典型值，选定了ADC器件这一项也就确定了；另一个是采样时钟本身沿触发抖动，也就是我们设计时必须考虑的。

在系统中，采样时钟的选择既要满足带通采样定律，也要考虑频率稳定性，在无源定位系统中，由于采用射频数字化方案，接收机不需要变频组件，因此整个系统中不需要混频本振时钟，系统所需频率只是一个低速时序参考时钟以及采样时钟。采用直接频率合成的方式来实现，可以保证各时钟具有优良的相位噪声，同时方案也比较简单，可靠性高。一个高性能的时钟源，除优秀的方案和合理的设计外，选择一个合适的高质量参考源也是至关重要的。

4　结语

利用民用FM广播对目标进行无源定位和跟踪是一种新的探测目标手段。本文对其接收机特点进行了初步分析，确定了信道化RF数字接收机的方案，具体的细节问题还有待于进一步解决。

［参考文献］

［1］赵洪立，吴铁平，保铮.基于调频广播单站无源定位系统的低空探测［J］.现代雷达，2005（10）：64-67.

［2］伍小保，王冰，郑世连，等.米波雷达射频数字化接收机抗干扰设计［J］.雷达科学与技术，2015（4）：87-90.

［3］丁鹭飞，耿富录.雷达原理［M］.西安：西安电子科技大学出版社，1995.

Receiver Design of Passive Location System Based on FM Broadcast Signals

Lu Yujie
（East China Electronic Engineering Research Institute， Hefei230088， China）

Abstract：The passive location system based on FM broadcast signals has been paid attention to by people because of its good invisibility, anti stealth and so on. This paper mainly based on the characteristics of FM broadcast signals, as well as the direct wave power of the passive location system is much larger than that of the target echo power. The main features of the channel radio frequency digital receiver which is suitable for passive location system based on FM broadcast is analyzed.

Key words：assive location; FM broadcast signals; receiver

作者简介：卢玉杰（1986-），男，山西大同，工程师；研究方向：电子对抗，雷达接收机及高速数据采集。