數(shù)字脈沖應(yīng)答機(jī)的時(shí)延補(bǔ)償方法

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

1 引 言

單脈沖相參應(yīng)答機(jī)的基本功能是相參轉(zhuǎn)發(fā)單脈沖地面雷達(dá)上行信號(hào)，與地面雷達(dá)協(xié)同工作，完成飛行器軌道測(cè)量。地面雷達(dá)通過(guò)測(cè)量飛行器應(yīng)答機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)的時(shí)延完成飛行器距離的測(cè)量[1]。因此，要求應(yīng)答機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延穩(wěn)定。

在傳統(tǒng)模擬體制脈沖應(yīng)答機(jī)設(shè)計(jì)中，脈沖延遲選用聲表面波延遲線，這種延遲線插損大，延遲時(shí)間隨溫度變化較大，帶來(lái)調(diào)試難、生產(chǎn)性差、時(shí)延不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響到地面雷達(dá)的測(cè)距精度。為了克服模擬體制脈沖應(yīng)答機(jī)的缺點(diǎn)，脈沖相參應(yīng)答機(jī)采用了數(shù)字化設(shè)計(jì)，運(yùn)用數(shù)字存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)和數(shù)字時(shí)延補(bǔ)償技術(shù)，可大大提高脈沖應(yīng)答機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延的穩(wěn)定性。該數(shù)字化脈沖相參應(yīng)答機(jī)具有延遲時(shí)間易修改、控制精度高、可靠性高、生產(chǎn)性好、小型化和使用靈活等優(yōu)點(diǎn)。

本文主要介紹了單脈沖應(yīng)答機(jī)數(shù)字終端設(shè)計(jì)，對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)精度進(jìn)行了分析，提出了數(shù)字化時(shí)延補(bǔ)償技術(shù)，并針對(duì)實(shí)際應(yīng)用工程，給出了試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。

2 數(shù)字化終端設(shè)計(jì)

單脈沖相參應(yīng)答機(jī)與地面雷達(dá)站合作實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)距，關(guān)鍵是控制應(yīng)答機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)精確。采用基于FPGA的數(shù)字存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，可容易實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)延補(bǔ)償，能大大提高應(yīng)答機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)精度。

數(shù)字化終端的實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖1所示。其信號(hào)流程為：接收高放模塊送來(lái)的中頻信號(hào)，經(jīng)對(duì)數(shù)放大，壓縮接收信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍和中頻檢波，再經(jīng)過(guò)A/D采樣后，直接送到FPGA進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)，采用數(shù)字存儲(chǔ)方式精確控制轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)時(shí)間，經(jīng)D/A變換器輸出中頻轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)。

圖1 數(shù)字存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)原理框圖Fig.1 The functional diagram of digital store and forward technique

如何實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)功能，是數(shù)字化終端設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。終端的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)器采用FPGA實(shí)現(xiàn)，利用數(shù)據(jù)同步時(shí)鐘作為寫(xiě)信號(hào)，將送入FPGA的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)寫(xiě)入RAM或FIFO芯片中，再用本級(jí)采樣時(shí)鐘將數(shù)據(jù)讀出，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字接口同步以及輸入、輸出延時(shí)可變的靈活設(shè)計(jì)。通常，雙口RAM的端口控制比FIFO更靈活，由地址線就可完成讀取或存儲(chǔ)數(shù)據(jù)要求，故本數(shù)字終端選用雙口RAM實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步和延時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)存儲(chǔ)功能。針對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用中雙口RAM的參數(shù)設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)A/D和D/A的位數(shù)、中頻調(diào)制脈沖信號(hào)的脈寬τ以及A/D采樣時(shí)鐘fs的關(guān)系綜合計(jì)算出需要的存儲(chǔ)器位寬和深度。

該數(shù)字終端的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)器各參數(shù)可通過(guò)程序靈活設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)答機(jī)時(shí)延可控，以便滿足不同任務(wù)需求；同時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)時(shí)間可控制在1個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，大大提高了應(yīng)答機(jī)脈沖轉(zhuǎn)發(fā)的延時(shí)精度。

3 延時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)精度分析

根據(jù)脈沖信號(hào)測(cè)距原理，地面雷達(dá)通過(guò)測(cè)量脈沖信號(hào)傳播時(shí)間計(jì)算目標(biāo)距離[2]：

(1)

式中，c為電波傳播速度，τ是傳播時(shí)間。

實(shí)際得到的信號(hào)傳播時(shí)間包括信號(hào)空間傳播時(shí)間、應(yīng)答機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)延時(shí)時(shí)間和信號(hào)在地面雷達(dá)系統(tǒng)信道中的傳播時(shí)間，而應(yīng)答機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)時(shí)間穩(wěn)定性是確保地面雷達(dá)測(cè)距精度的關(guān)鍵。

應(yīng)答機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)時(shí)間誤差主要包括熱噪聲引入的轉(zhuǎn)發(fā)脈沖前沿抖動(dòng)、系統(tǒng)時(shí)鐘漂移以及信號(hào)電平變化產(chǎn)生的轉(zhuǎn)發(fā)脈沖前沿漂移等。

(1)噪聲帶來(lái)的延時(shí)誤差Δτ1

脈沖應(yīng)答機(jī)接收到脈沖信號(hào)后，接收信道和接收機(jī)中存在熱噪聲，含有噪聲的信號(hào)進(jìn)入視頻放大器和門(mén)限電路時(shí)，脈沖信號(hào)前沿就會(huì)疊加噪聲電壓，使脈沖觸發(fā)不穩(wěn)定，從而造成了延時(shí)誤差，這種延時(shí)具有隨機(jī)分布的特點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 噪聲引入的延時(shí)誤差Fig.2 Time delay error vs received noise

(2)時(shí)鐘漂移的時(shí)延誤差Δτ2

系統(tǒng)時(shí)鐘漂移會(huì)引起A/D采樣數(shù)據(jù)抖動(dòng)，從而導(dǎo)致各種控制脈沖的計(jì)數(shù)誤差，時(shí)鐘漂移引起的時(shí)延最大誤差不超過(guò)1個(gè)時(shí)鐘周期，若系統(tǒng)采樣時(shí)鐘為fs，則時(shí)延誤差為Δτs=1/fs。

(3)電平變化引起的時(shí)延誤差Δτ3

為了適應(yīng)飛行器測(cè)距需要，脈沖應(yīng)答機(jī)接收信號(hào)需滿足一定的動(dòng)態(tài)范圍要求，即應(yīng)答機(jī)接收信號(hào)的電平是距離的函數(shù)，應(yīng)答機(jī)離地面雷達(dá)站越遠(yuǎn)，其接收信號(hào)電平越低，反之亦然。接收信號(hào)電平的變化會(huì)導(dǎo)致檢波器輸出信號(hào)包絡(luò)電平隨之發(fā)生變化，而脈沖信號(hào)檢波包絡(luò)判決門(mén)限設(shè)置固定，弱信號(hào)和強(qiáng)信號(hào)對(duì)應(yīng)的觸發(fā)判決電平時(shí)間會(huì)不同，造成時(shí)間延時(shí)誤差。當(dāng)信號(hào)增強(qiáng)時(shí)，檢波包絡(luò)判決觸發(fā)點(diǎn)時(shí)間向前移動(dòng)，具體變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 接收電平變化帶來(lái)的延時(shí)Fig.3 Time delay vs the received signal level

導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因是中頻脈沖調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器后，因?yàn)V波器的帶寬限制，濾除了脈沖信號(hào)中的高頻分量部分，使脈沖信號(hào)的沿發(fā)生畸變?；兒蟮拿}沖經(jīng)過(guò)固定判決電平判讀后，脈沖前沿產(chǎn)生漂移。

脈沖應(yīng)答機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延誤差主要有兩種類(lèi)型，一種是恒定的和慢漂移誤差，另一種是具有隨機(jī)特性和起伏特性誤差。后者是無(wú)法校正的，會(huì)引起隨機(jī)的測(cè)距誤差，噪聲帶來(lái)的延時(shí)誤差Δτ1就屬于此種情況。而前者針對(duì)恒定的或有規(guī)律的慢漂移誤差，可以在測(cè)距系統(tǒng)中利用系統(tǒng)校正措施進(jìn)行補(bǔ)償或消除，時(shí)鐘漂移誤差Δτ2和信號(hào)電平變化帶來(lái)的延時(shí)誤差Δτ3屬于此種情況。針對(duì)Δτ2，可以利用提高系統(tǒng)時(shí)鐘頻率和頻率穩(wěn)定度指標(biāo)措施，減少該項(xiàng)誤差；針對(duì)Δτ3，主要采用數(shù)字化時(shí)延補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。

表1是某項(xiàng)工程中針對(duì)電平變化引起應(yīng)答機(jī)時(shí)延變化情況的測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果。測(cè)試條件為：未采用時(shí)延補(bǔ)償技術(shù)，動(dòng)態(tài)范圍為50 dB，采用時(shí)間間隔儀測(cè)試應(yīng)答機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延。

表1 電平變化引起的時(shí)延變化表Table 1 Value of time delay vs the received signal level

從試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)可知，在整個(gè)接收信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，電平變化引起的時(shí)延誤差Δτ3=75 ns，這個(gè)指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)使用要求，需改善設(shè)計(jì)。

4 時(shí)延補(bǔ)償方法

針對(duì)數(shù)字化脈沖應(yīng)答機(jī)終端信號(hào)電平變化引起的時(shí)延較大，需采用相應(yīng)的技術(shù)補(bǔ)償措施，提高脈沖應(yīng)答機(jī)的時(shí)延轉(zhuǎn)發(fā)精度。針對(duì)該脈沖應(yīng)答機(jī)，主要采用的技術(shù)補(bǔ)償措施有如下幾種。

(1)增加濾波器帶寬

檢波前濾波器的帶寬會(huì)影響接收脈沖前沿的抖動(dòng)。根據(jù)工程研制經(jīng)驗(yàn)可知，若濾波器帶寬增加一倍，其脈沖前沿的延時(shí)變化可減小一半[3]；但濾波器帶寬變寬，會(huì)增加濾波器帶內(nèi)噪聲，惡化后端信號(hào)信噪比，因此，在選擇濾波器帶寬方面需要進(jìn)行折衷考慮。

(2)數(shù)字化時(shí)延補(bǔ)償方法

針對(duì)脈沖應(yīng)答機(jī)的時(shí)延變化，還可采用數(shù)字化補(bǔ)償措施。該補(bǔ)償方法主要是利用對(duì)數(shù)放大器檢波脈沖的能量，根據(jù)實(shí)測(cè)能量結(jié)果實(shí)時(shí)完成時(shí)延誤差的補(bǔ)償。在實(shí)現(xiàn)上采用低速A/D采樣+查找表的設(shè)計(jì)方案，即根據(jù)檢波脈沖能量，查找相應(yīng)的時(shí)延補(bǔ)償量進(jìn)行補(bǔ)償。

第一種方法在設(shè)備研制前就需完成，根據(jù)設(shè)計(jì)的信號(hào)信噪比和時(shí)延變化誤差量，選擇合理的濾波器帶寬。由于器件性能的不一致性會(huì)導(dǎo)致不同設(shè)備接收信號(hào)的信噪比、時(shí)延變化出現(xiàn)差異，因此，采用該方法缺乏靈活性。第二種方法能根據(jù)不同系統(tǒng)的精度要求、設(shè)備個(gè)體差異有針對(duì)性地設(shè)計(jì)延時(shí)查找表，靈活調(diào)整應(yīng)答機(jī)的高、中、低轉(zhuǎn)發(fā)精度。因此，針對(duì)實(shí)際研制的數(shù)字化脈沖應(yīng)答機(jī)，優(yōu)先選擇數(shù)字化時(shí)延補(bǔ)償方法。

數(shù)字化時(shí)延補(bǔ)償方法的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：將檢波脈沖進(jìn)行A/D采樣，在FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)一個(gè)查找表，根據(jù)A/D采樣的數(shù)字幅度，查詢延時(shí)的變化量，查找表深度根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)精度的要求設(shè)定[4]。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，選擇A/D采樣速率大于10倍脈寬即可滿足系統(tǒng)精度要求，有效位數(shù)根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行選擇，其實(shí)現(xiàn)框圖如圖4所示。

圖4 時(shí)延補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)框圖Fig.4 The implementation block diagram of time delay compensation

通過(guò)以上分析知，信號(hào)處理補(bǔ)償技術(shù)設(shè)計(jì)更靈活，控制精度更高，因此在具體實(shí)現(xiàn)上選擇數(shù)字化時(shí)延補(bǔ)償方式。

5 測(cè)試結(jié)果

表2是采用數(shù)字化時(shí)延補(bǔ)償方法前后測(cè)試結(jié)果對(duì)照表。從表中可知，脈沖應(yīng)答機(jī)接收信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍為50 dB，在采用補(bǔ)償技術(shù)前，脈沖應(yīng)答機(jī)接收整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的脈沖信號(hào)最大延時(shí)誤差達(dá)到75 ns；采用數(shù)字化補(bǔ)償技術(shù)后，可將脈沖延時(shí)誤差減小到19 ns，大大提高了脈沖應(yīng)答機(jī)的延時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)精度。

表2 數(shù)字化時(shí)延補(bǔ)償方法前后的時(shí)延誤差比對(duì)表Table 2 Comparison of time delay errors before and after digital time delay compensation

6 結(jié)束語(yǔ)

脈沖應(yīng)答機(jī)在配合地面雷達(dá)完成目標(biāo)測(cè)距任務(wù)過(guò)程中，要求應(yīng)答機(jī)具有高的信號(hào)延時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)精度。數(shù)字化脈沖相參應(yīng)答機(jī)采用基于FPGA的數(shù)字存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，并結(jié)合查找表的高精度時(shí)延補(bǔ)償方法，可大大提高應(yīng)答機(jī)的測(cè)距精度，對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用具有借鑒價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙樹(shù)強(qiáng)，許愛(ài)華,胡紹林. 脈沖雷達(dá)高仰角測(cè)量數(shù)據(jù)分析及處理對(duì)策[J].飛行器測(cè)控學(xué)報(bào)，2003，22(4):67-70.

ZHAO Shu-qiang,XU Ai-hua,HU Shao-lin. Measurement Data Analysis and Processing Counterplan of the High Elevation Angle of Pulse-Radar[J].Journal of spacecraft TT&C Technology, 2003，22(4):67-70.(in Chinese)

[2] 丁鷺飛，耿富錄.雷達(dá)原理[M]. 西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2002.

DING Lu-fei,GENG Fu-lu.Radar Princple[M].Xi′an:Xidian University Press,2002. (in Chinese)

[3] 廖承恩.微波技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 西安:西安電子科技大學(xué),1995.

LIAO Cheng-en.Microwave Technology [M]. Xi′an:Xidian University Press,1995. (in Chinese)

[4] 張海燕，李欣，田書(shū)峰. 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的仿真線設(shè)計(jì)及其FPGA實(shí)現(xiàn)[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2007，29(5):1267-1270.

ZHANG Hai-yan,LI Xin,TIAN Shu-feng. Simulation Line Design and Its FPGA Realization Based on BP Neural Network[J]. Journal of Electronics & Information Technology，2007，29(5):1267-1270.(in Chinese)