基于软件无线电的射频直采数字接收机研究

鲁长来 倪文飞 夏 丹

(安徽四创电子股份有限公司 合肥 230088)

0 引言

软件无线电概念[1]的提出至今已经二十多年了，经过这些年的技术理论发展和电路器件水平提升，软件无线电的工程化应用研究也在深入推进。当前L波段一次航路监视雷达系统采用的是常规超外差两次变频接收机，在30MHz低中频频率进行信号带通采样数字化接收处理，从长远来看，该雷达系统对接收机设备存在升级换代、新技术推广、可靠性进一步提升、电路小型化高集成、配套功能多样化、软件化配置程度高等诸多新的应用需求。借助于软件无线电的设计思想，本文提出了在L波段200MHz工作带宽内实施直接射频采样数字化，然后再进行基于大规模高速FPGA的功能可配置实时接收处理，形成雷达的全程I、Q数字回波信号，最后通过光纤接口传输给雷达系统服务器进行软件化信号处理，基本可以达到接收机硬件平台化、软件可配置、功能可扩展的软件无线电目标。

1 设计参数

1)接收频率范围：1200MHz～1400MHz;

2)接收跳频步进：1MHz;

3)接收跳频时间：小于2μs;

4)瞬时动态：不小于65dB;

5)总动态：不小于90dB；

6)信号带宽：2MHz；

7)接收灵敏度：优于-109 dBm。

2 设计思想

已经在应用的L波段一次航路监视雷达接收系统中，采用的方案是传统的模拟超外差两次下变频接收体制，见图1，最前级采用了高增益的低噪放(约30dB)设计确保接收灵敏度指标，利用STC电路提升接收机的动态性能，采用镜频抑制滤波器抑制混频电路的镜像频率干扰信号以及射频带外信号，两级混频电路将1200MHz～1400MHz的有用回波信号先下变至550MHz一中频，再下变频至30 MHz二中频，系统采用30 MHz中频带通采样、DDC至数字I、Q输出。系统还包含产生1750MHz～1950MHz、步进1MHz的一本振信号、520MHz的二本振信号以及80MHz、20MHz的采样处理时钟信号等电路，接收机的整体设备量较多，方案体制相对成熟。

得益于高速A/D器件技术的飞速发展，让软件无线电接收机在实现方案上也前进了一大步，本文针对图1的传统L波段PSR接收机做了技术改进设计，见图2，重点采用基于1200MHz～1400MHz频段内射频直接采样技术的硬件平台进行接收机的软件化处理，省去了复杂的频率源电路和两次模拟下变频、滤波放大电路，采用低噪放1、STC、低噪放2、开关滤波器电路组成一个极其简化的低噪声射频前端[4]，以确保接收机系统的灵敏度、动态及抗干扰性能，这里把STC电路放置在两级低噪放之间是为了便于合理分配系统动态指标。

3 性能分析

3.1 射频直采数字接收机工作机理

本案中的射频直采数字接收机的硬件组成如图2中虚线内部分所示，依据带通采样原理，在信号带宽为B时，当采样频率fS和载频f0之间满足(1)式的关系时，就可不失真地恢复信号的信息。

(1)

这里取A/D的采样频率为950MHz，信号带宽为2MHz，A/D器件内部在硬件上将单组950MHz高采样率的数字信号并行处理形成两组475MHz低采样率信号通过LVDS接口输出，最终以475 MHz数据速率与FPGA对接，然后在FPGA中进行软件化接收处理[3]，软件化功能框图如图3所示。

由采样、抽取等经典理论可知，1200MHz～1400MHz的射频信号经过950MHz采样以及数据并行处理、多项滤波后，数字接收机可以直接解调频谱变换后对应的25MHz～225MHz搬移谱信号，这样就极大降低了对数字下变频(DDC)部分的处理速度要求。数字接收机通过软件设置32位数控振荡器(NCO)的频控字值实现25MHz～225MHz、步进1 MHz的工作频点选择功能，NCO的输出频率满足式(2)的关系，从式(2)中推算可知，NCO的频率分辨力可达到0.1Hz左右，完全满足步进1 MHz的跳变间隔需求。同时，NCO的输出幅度采用16位量化值，以满足数字接收机动态截位要求，NCO的工作频率通过FPGA内部25MHz时钟锁相得到475MHz主时钟。

(2)

其中，FTW为NCO的频率控制字，fNCO为NCO的输出频率。

图3中数字混频之后的数字基带I、Q信号依然是475MHz的高速率信号，软件设计上采用19倍抽取率的CIC滤波器，一方面达到数据速率降至相对较低的25MHz的目的，另一方面也达到抑制信号带外边谱的效果。最后采用5倍抽取率的反辛格FIR滤波器既补偿前级CIC滤波器的带内平坦度特性，又实现2MHz匹配滤波后I、Q信号的5MHz低速率基带输出要求，方便后续的信号传输与信号处理。

由器件参数得到，A/D的信噪比为50 dB，即A/D有效位数(ENOB)约为8.4位，输入大信号为+5 dBm，而实际信号带宽为2MHz，采样频率为950 MHz，相对于信号带宽而言，高倍的过采样率带来了很大的信号比改善，由式(3)可以推算，射频直采数字接收机的动态范围将近74 dB，折算出小信号约-69 dBm。

(3)

DR为数字接收机动态范围，SNRAD为A/D信噪比，fs为采样频率，B为信号带宽。

3.2 接收机灵敏度

作为数字接收机的低噪声前端设备，图2中低噪放1增益为30 dB、噪声系数1.3 dB，低噪放2增益为24 dB、噪声系数1.3 dB，STC电路控制范围30 dB、插入损耗1 dB，开关滤波器采用GaAs开关组合LC滤波器组实现，单路滤波器带宽设计为20MHz，插入损耗3 dB，相邻两路之间频带保留2.5 MHz交叠以保证接收机能全频带覆盖，共计12路。由公式(4)可以估算接收机级联电路噪声系数约为1.5 dB。

(4)

F0为接收机前端总噪声系数，F1…Fn为接收机前端各级噪声系数，G1…Gn-1为前端各级增益；再由公式(5)计算得到接收机整体灵敏度功率电平为-109.5 dBm(带宽BW为2 MHz，噪声系数NF为1.5 dB)。

Psmin=-114+10lgBW+NF

(5)

从前面的指标分配可算出低噪声前端总增益为50dB，对于-109.5 dBm的灵敏度信号放大输出为-59.5 dBm，而相对数字接收机输入小信号-69 dBm，可以通过式(6)评估出数字接收机对接收机整机噪声系数的恶化[2]约为0.4 dB，不影响系统-109 dBm的灵敏度指标要求。

NFs=NF+10lgM-10lg(M-1)

(6)

NFs为系统总噪声系数，M为前端噪声功率输出与数字接收机等效输入噪声功率比值。

3.3 接收机整体动态范围

L波段一次航路监视雷达系统要求接收机瞬时动态范围不小于65dB，总动态范围不小于90dB，前面论证了射频直采数字接收机的瞬时动态范围为74dB，满足系统的要求，但要满足总动态90dB的要求，也就是前端最大输入为-19 dBm，所以在前端两级低噪放之间设计了30dB的STC电路抗大信号饱和，这样接收机整体的动态范围指标就能完全满足系统要求。

3.4 接收机跳频性能

雷达系统为了解决抗干扰等阵地适应性功能要求接收机具备跳频工作能力，具体指标要求接收跳频步进1MHz，接收跳频时间小于2μs。在用的雷达系统采用直接合成频率源技术解决快跳频和细步进问题，而基于射频直采的接收机根本没有频率源设备，它可以通过软件设置NCO频率和程序控制开关滤波器的方法来实现，在跳频速度和频率步进上更具优势。

4 实验结果

测试中采用仪表信号源馈送1200MHz～1400MHz的射频信号给L波段直采数字接收机，信号功率、频率参数可调，样机实物见图4，计算机给实验样机加载配置工作软件后，通过硬件JATAG接口从实验样机采集I、Q数据至计算机，然后利用MATLAB分析软件对采集的信号进行信号参数与质量分析，重点针对接收机的大信号特性、小信号特性、带宽特性、A/D性能以及软件DDC之后的I、Q处理性能进行评估，具体参见图5-图9，能够在线快速(约200ns)控制接收机工作频率，通过对L波段直采数字接收机实验样机的多项实验验证测试，各项指标达到了预期的设计要求，表明在L波段采用基于软件无线电的射频直采数字接收机处理方法替代传统模拟两次变频的方案是可行的，能够满足雷达整机系统的工程化应用要求。

5 结束语

在软件无线电设计思想的引领下，雷达收发设备数字化向天线前移的趋势不可阻挡，当前，硬件上采用低中频或高中频采样数字化结合接收处理软件化的方案及产品已经在成熟应用，而L波段及其以上频段射频直接采样数字化结合软件化接收处理的产品并不多，能够真正得到工程化应用的也较少，所以继续推进高频段接收机的射频直接采样技术工程化应用研究很有现实意义。在本方案的实验研究中，L波段直接采样数字接收机的性能水平基本得到了全面验证，能够达到雷达整机的使用技术要求，为后续雷达系统的改进升级工作奠定了基础。