正交接收机综合实验装置设计与实现

张静远， 濮怀宇， 王 鹏， 张洪刚， 唐 波， 谭思炜

（海军工程大学a.兵器工程学院；b.教保处，武汉430033）

0 引 言

以目标检测与参数估计为主要内容的统计检测理论是信息与通信学科的基础理论之一，是导弹、鱼雷等精确制导武器实现目标探测的核心技术。各大学电子工程、通信、雷达、声呐、武器制导等相关学科专业都要求学习统计检测理论。统计检测理论，研究对象是各种复杂波形和噪声等随机信号，用到的数理基础是概率统计和随机过程理论，学生面临着由传统的解方程组给出确定性解到根据随机事件的统计分析，给出最大可能性结果的思维方式转变，这使得大多数学生极不适应。正交接收机是随机参量信号检测的最基本形式，充分理解和掌握正交接收机工作原理与信号分析过程，是学习统计检测理论的关键环节［1-2］。

现有相关课程教学中对于统计检测理论的讲解大多是采用课堂讲授、公式推导等方式，缺乏简便直观的实验装置对接收机工作原理与过程进行演示、测量和操作。现有装备越来越多地采用数字化技术实现信号的检测与参数估计［3-7］，通过实际装备试验难以准确理解掌握检测的基本原理。为解决教学实验条件欠缺的不足，本文设计开发一种按正交接收机基本原理和处理过程实现信号检测与参数估计的开放结构的综合实验装置，设计了嵌入式噪声产生、门限产生和逻辑判别电路，辅以外接的信号发生器、示波器等设备，可为学员提供信号、噪声以及正交接收机各处理环节信号特性的直接显示，实现信号检测与参数估计有关的实验教学。同时，实验装置的开放式结构最大限度实现了演示性实验向学员自主探究式实验的转变，对于培养学员的主动性、探究性和创造性具有重要价值［8-15］。

1 正交接收处理的基本原理

正交接收机的数学表达式如下：

其可实现的结构形式如图1所示。

图1 正交接收机的结构

由图可见，这种最佳接收机将回波信号分成2个通道，每个通道做相关处理。由于2个通道相关处理的参考信号刚好相位相差90°，是正交关系，因此称该接收机为正交接收机。

2 基于正交接收机的综合实验系统

2.1 实验系统的功能

实验系统以雷达、声呐、通信探测以及导弹、鱼雷等武器制导应用为背景，以对回波信号的正交接收处理为基本形式。为此要求实验系统应该能够全面展示信号、噪声、不同信噪比的混合波形，反映正交接收机处理回波信号过程各环节的信号波形，还应能够提供检测门限、检测概率、虚警概率等的测量显示，利用实验系统可进行目标（速度）参数测量估计和接收机工作特性测试。基于这些考虑，确定实验系统功能。

（1）产生回波信号。产生模拟目标回波的理想信号，可以对信号的幅度、频率进行调整。

（2）产生干扰噪声信号。产生高斯白噪声，信号的幅度可以调整。

（3）形成混合回波信号。对理想回波信号与干扰噪声信号进行叠加，形成模拟真实目标回波的不同信噪比的混合波形。

（4）对回波信号正交接收处理。能够将正交处理过程各环节波形直观显示出来，便于观察测量。

（5）产生正交处理参考信号。可以对参考信号频率做出选择性调整，以适应不同的回波信号频率变化。

（6）产生检测门限。门限值可以根据需要调整，以模拟不同的门限设定。

（7）输出检测结果。给出检测处理结果的输出波形，从中可以测量检测率、虚警率等。

2.2 系统的功能实现方式

从学生实验操作来说，所用仪器设备应尽可能少，布局和接线简单明了，操作方便可靠，但必要的参数调节操作有利于加深对原理的理解，更是实现自主研究实验必不可少的条件。为此，确定实验系统的功能实现方式。

理想回波信号产生与波形参数测量：考虑到设备的复杂程度和加工成本以及故障修理等多方面因素，特别是实验时关于回波信号幅度、频率等参数精确调整需求，确定通过外接信号发生器产生理想的回波信号，通过外接示波器观察波形，测量波形参数。

除了基本的正交接收处理功能之外，为减少设备数量，便于操作使用，将干扰噪声信号产生、信号与噪声混合相加、参考信号产生、检测门限产生以及检测结果判定、输出等功能均通过专门的功能电路实现，并将其嵌入在实验装置电路中。通过外接电位计、开关等实现检测门限电平、噪声电平连续调节，控制噪声电平是否接入。检测结果通过测点和指示灯2种方式输出，便于测量和观察。

由此形成的正交接收机综合实验系统由正交接收机综合实验装置、信号发生器和双踪示波器3台仪器组成（见图2）。绝大部分功能都集成到综合实验装置，因此正交接收机综合实验装置的设计尤为重要。

图2 实验系统组成框图

3 正交接收机综合实验装置

3.1 功能

根据实验系统功能的实现方式，可得到正交接收机综合实验装置功能组成如图3所示。

图3 正交接收机综合实验装置的功能组成

具体设计如下：

（1）噪声信号由功能电路产生，通过电位计由人工方式进行幅度连续调节。干扰噪声是否接入接收机，通过开关由人工操作控制。

（2）为方便参考信号频率调节，以适应不同回波信号频率的变化，将参考信号产生电路设计为多频率检测通道方式（等同于滤波器组），通过10档波段开关实现10种参考信号频率的选择，每一参考信号对应一最佳频率的接收机。

（3）正交接收机是实验装置的核心，根据式（1）数学表达式和图1所示的构成形式，考虑工程实现可行性，将基本正交接收机理论上的“相乘—积分—平方相加—门限比较”过程，变换成为“相乘—滤波—整流（平方）—相加—积分—门限比较”运算过程，实现正交接收处理。其中将参考信号产生与混频处理统一考虑，自行产生相位相差90°的2路方波参考信号，采用开关混频方式，保证正交处理的相位准确度。

（4）门限信号由功能电路产生，可通过电位计由人工方式连续调节幅度。

（5）电源电路设计为交流220 V外部供电，经由保险后，通过开关人工控制通断。装置内部通过独立的电源模块变换出电路所需的各种直流电源。

3.2 结构

从实验操控和测量显示方便考虑，所有输入、输出接口以及操控开关、电位计、观察点、指示灯等，均安排在同一面板上。由于观测信号波形需要很多检测点，为保证信号引出的可靠性，各检测点设计为橡胶插座形式，并将面板平置，插拔插头时上下用力。从方便维修角度对装置的结构和装配进行了多轮优化设计。除了电源模块专门定制而独立安装外，将所有功能电路集成到一块电路板上，通过2个排插座与面板器件实现信号连接。在箱体内配置专门的衬板。装配时将电源模块和功能电路板安装到衬板上，将衬板固定到机箱里，连接面板与功能电路板的2个线缆插座，将面板固定到机箱上面，即完成装配。安装、调试和维修极为方便。

3.3 操作显示面板

为方便观察和操作，将面板划分区域布置相关元器件。中部核心区布置正交接收处理各环节波形输出检测点，按处理过程链路从左到右依次排列，共15个信号输出检测点。为了便于观察结果，输出判决结果同时对应有指示灯显示。上部区域布置外接信号和共用接地插座及外接供电指示与控制。下部区域布置功能电路所产生信号的操控器件。所有检测点、操控元器件均标注功能指示，特别是各检测点之间按正交处理原理绘制功能电路框图，各检测点与原理相对应，一目了然。整个面板如图4所示。

图4 正交接收机综合实验装置面板

4 实验系统应用

4.1 实验系统的实践教学功能

以正交接收机综合实验装置为核心的实验系统可以开设基本实验、综合设计实验和自主研究实验3种类型的实验。

基本实验是与正交接收机分析与调试相关的实验。通过该实验，可以验证典型信号检测接收机——正交接收机的工作原理、电路构成，掌握正交接收机实现方法，观察正交接收处理各环节的信号波形，定性了解并掌握输入回波信号幅度、频率参数和不同噪声干扰、不同检测门限对正交接收机工作的影响。

综合设计实验是以目标速度测量与估计相关的实验。通过滤波器设定波段开关，改变参考信号的频率，实现对输入信号频率的测量，并进一步计算出目标的径向运动速度。

自主研究实验是测试该正交接收机工作特性（ROC）。学生自主设计ROC曲线的形式，设计测试接收机ROC曲线的方法，利用综合实验装置，设定不同输入信噪比、不同检测门限，在正交处理结果输出端测量检测概率和虚警率，绘制ROC曲线。

4.2 实验结果

图5（a）～（h）所示为示波器通过面板各检测点获取的波形，从波形对比中可直观观察对回波信号正交接收处理的过程。

图5 正交接收机综合实验装置各处理环节波形图

4.3 应用效果

该正交接收机综合实验系统经过了数百人次的实验教学使用，通过学生撰写的实验报告可以看出，学生对实验现象和实验结果进行了深入分析和思考，对提高学习兴趣、加深对信号检测与参数估计理论的理解有极大的帮助。

实验装置于2015年获得实用新型专利授权（专利号ZL 2015 20 241 431.7），2017年获得国家发明专利授权（专利号ZL 2015 10 188 668.8）。2018年，获得第二届湖北省高等学校自制实验教学仪器设备成果一等奖，同年获得全国高校教师教学创新大赛——第五届全国高等学校教师自制实验教学仪器设备创新大赛一等奖（证书号JS201 81021060）。

5 结 语

针对通信与电子工程领域关于统计检测理论相关教学活动中基础实验手段不足的现状，在充分分析正交接收处理基本原理与过程的基础上，设计了正交接收机综合实验装置和实验系统。该系统为开展目标信号检测与参数估计等方面实验提供了简单、直观、可靠的技术手段，在实验教学中发挥了重要作用。