基于數(shù)字中頻存儲(chǔ)的雷達(dá)中頻目標(biāo)模擬

蔣路華，李 鵬

（船舶重工集團(tuán)公司723所，揚(yáng)州 225001）

0 引 言

為了有效地考核雷達(dá)的探測(cè)概率以及跟蹤精度，對(duì)于窄帶雷達(dá)系統(tǒng)，可以在中頻采用數(shù)字儲(chǔ)頻的方案來模擬雷達(dá)目標(biāo)回波、假目標(biāo)以及干擾和雜波信號(hào)，以考核中頻接收機(jī)及信號(hào)處理機(jī)等終端設(shè)備的性能。在模擬雷達(dá)目標(biāo)時(shí)，可以直接利用雷達(dá)頻率合成器輸出的中頻信號(hào)或者經(jīng)過耦合的雷達(dá)中頻信號(hào)作為樣本信號(hào)進(jìn)行采集和存儲(chǔ)。由于中頻信號(hào)保留了相位信息，對(duì)于大多數(shù)相參系統(tǒng)來說，能夠保證相位相參。同時(shí)由于中頻信號(hào)相對(duì)射頻信號(hào)的采樣率要低得多，采集的樣本數(shù)據(jù)也就小得多，因此目標(biāo)延時(shí)可以更長。更為重要的就是中頻采集位數(shù)較高，因此能獲得較高的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍和較好的信號(hào)雜散指標(biāo)。

1 數(shù)字中頻存儲(chǔ)

數(shù)字中頻存儲(chǔ)和數(shù)字射頻存儲(chǔ)的基本原理是一致的，使用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，將采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，然后讀取存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，利用數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）將信號(hào)恢復(fù)。在模擬雷達(dá)目標(biāo)時(shí)，數(shù)字中頻存儲(chǔ)一般將存儲(chǔ)的頻率放在60 MHz左右的中頻，利用中頻欠采樣的方式對(duì)樣本信號(hào)進(jìn)行采集，可以直接對(duì)采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，也可以對(duì)采集的中頻樣本信號(hào)進(jìn)行時(shí)域抽取和頻譜搬移，以數(shù)字下變頻的方式將中頻信號(hào)降至基帶信號(hào)來存儲(chǔ)。在信號(hào)的恢復(fù)方式上也有2種，其一是直接讀取存儲(chǔ)的中頻樣本信號(hào)，用數(shù)模轉(zhuǎn)換器恢復(fù)為中頻信號(hào)；其二是將存儲(chǔ)的基帶信號(hào)進(jìn)行數(shù)字上變頻調(diào)制，再變?yōu)槟M中頻信號(hào)［2］。數(shù)字中頻存儲(chǔ)的2種方式分別見圖1、圖2。

方式2相對(duì)于方式1，將中頻樣本信號(hào)降至基帶來進(jìn)行存儲(chǔ)，存儲(chǔ)的樣本信號(hào)將更少，能夠獲得更大的信號(hào)延時(shí)，同時(shí)能夠在基帶對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和調(diào)制，應(yīng)用更廣泛、更靈活，本文主要就方式2進(jìn)行討論。

圖1 數(shù)字中頻存儲(chǔ)方式1

圖2 數(shù)字中頻存儲(chǔ)方式2

2 樣本信號(hào)的采集和目標(biāo)模擬通道

為了保證雷達(dá)系統(tǒng)相位相參和嚴(yán)格的時(shí)序同步，在雷達(dá)目標(biāo)模擬當(dāng)中需要采集的信號(hào)包括雷達(dá)頻率合成器輸出的中頻信號(hào)或經(jīng)過耦合的雷達(dá)中頻信號(hào)、零距離脈沖包絡(luò)信號(hào)、雷達(dá)定時(shí)信號(hào)、正北脈沖信號(hào)（搜索雷達(dá)）。在模擬時(shí)，以雷達(dá)定時(shí)信號(hào)作為同步信號(hào)。雷達(dá)目標(biāo)模擬包括目標(biāo)回波（含假目標(biāo)）模擬、雜波模擬以及干擾和噪聲的模擬。模擬通道包括和路中頻信號(hào)通道、方位差路中頻信號(hào)通道、俯仰差路中頻信號(hào)通道以及其它2個(gè)中頻信號(hào)模擬通道。其系統(tǒng)框圖見圖3。

圖3 雷達(dá)目標(biāo)模擬系統(tǒng)框圖

3 雷達(dá)目標(biāo)模擬

3.1 概述

在獲得了基帶樣本信號(hào)后，需要對(duì)樣本信號(hào)進(jìn)行調(diào)制來獲得基帶雷達(dá)目標(biāo)回波信號(hào)、雜波信號(hào)以及噪聲和干擾信號(hào)，然后對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行合成、調(diào)制來獲得相應(yīng)的中頻目標(biāo)回波信號(hào)、雜波信號(hào)以及噪聲和干擾信號(hào)。

3.2 基帶目標(biāo)回波模擬

基帶目標(biāo)回波模擬包括脈沖壓縮和非脈沖壓縮雷達(dá)目標(biāo)回波的模擬，在基帶以I、Q 2路進(jìn)行模擬。對(duì)于脈沖壓縮雷達(dá)，需要進(jìn)行匹配濾波，在相應(yīng)的目標(biāo)位置上產(chǎn)生1個(gè)目標(biāo)回波信號(hào)。匹配濾波實(shí)際上就是對(duì)樣本信號(hào)在時(shí)域進(jìn)行卷積計(jì)算，或者在頻域進(jìn)行有限沖激響應(yīng)（FIR）濾波。對(duì)于非脈沖壓縮雷達(dá)，直接對(duì)樣本信號(hào)進(jìn)行延時(shí)、多普勒以及天線方向圖調(diào)制即可獲得目標(biāo)回波信號(hào)。其目標(biāo)回波模擬原理框圖見圖4。

圖4 目標(biāo)回波模擬框圖

基帶樣本信號(hào)分2路，其中一路為I通道，另一路為Q通道。I、Q通道分別經(jīng)過多普勒調(diào)制通道和距離衰減通道的調(diào)制送入到目標(biāo)回波基帶波形產(chǎn)生器當(dāng)中。數(shù)字控制振蕩器（NCO）用于非脈沖壓縮雷達(dá)目標(biāo)回波模擬，F(xiàn)IR用于脈沖壓縮雷達(dá)目標(biāo)回波模擬。

3.3 基帶雜波模擬

雜波模擬也是以存儲(chǔ)的基帶信號(hào)為樣本信號(hào)，對(duì)基帶樣本信號(hào)進(jìn)行高斯雜波譜的擴(kuò)展以及海雜波的模擬，高斯雜波譜擴(kuò)展主要用于模擬干擾、氣象和地雜波。雜波模擬框圖見圖5。

3.4 基帶干擾和噪聲模擬

干擾和噪聲信號(hào)主要包括接收機(jī)熱噪聲以及有源噪聲干擾信號(hào)。由于熱噪聲和雷達(dá)信號(hào)相關(guān)性很差，為白噪聲信號(hào)，有源噪聲干擾信號(hào)主要以功率壓制為主，因此，干擾和噪聲信號(hào)不采取基帶樣本信號(hào)調(diào)制的方式產(chǎn)生，而直接采用基帶高斯噪聲展寬的方式產(chǎn)生。

圖5 基帶雜波模擬框圖

3.5 信號(hào)合成

在基帶將目標(biāo)回波信號(hào)、雜波信號(hào)以及噪聲和干擾信號(hào)進(jìn)行合成。首先使用干擾和噪聲對(duì)雜波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，形成雜波和干擾信號(hào)，然后I、Q通道分別和目標(biāo)回波信號(hào)疊加，實(shí)現(xiàn)基帶功率合成。其功能框圖見圖6。

圖6 基帶功率合成框圖

基帶信號(hào)合成之后輸出給數(shù)字上變頻器（DUC），將基帶信號(hào)上變頻至中頻信號(hào)，然后再通過DAC變?yōu)槟M中頻信號(hào)［3］。

對(duì)于天線不同通道的基帶信號(hào)合成，基本原理都是一致的，只是在基帶信號(hào)產(chǎn)生上略有不同，這里不再詳述。

4 信號(hào)帶寬和動(dòng)態(tài)范圍分析

采用數(shù)字中頻存儲(chǔ)的方式進(jìn)行雷達(dá)目標(biāo)模擬最關(guān)心的問題，其一是相位是否相參，其二是所模擬信號(hào)的帶寬和動(dòng)態(tài)范圍如何。對(duì)于前者，由于目標(biāo)模擬本身就是以雷達(dá)中頻信號(hào)或者經(jīng)過耦合的中頻信號(hào)作為樣本信號(hào)而獲得的，所以解決了系統(tǒng)相參性問題；對(duì)于后者，下面作一些簡要分析。

對(duì)于1個(gè)60 MHz的中頻樣本信號(hào)，根據(jù)中頻欠采樣定理：

式中：f s為信號(hào)的采樣率；B為信號(hào)帶寬；f0為信號(hào)載頻；n為自然數(shù)。

若ADC的采樣率最高可達(dá)105 MHz（當(dāng)n＝2時(shí)，實(shí)際運(yùn)行80 MHz），信號(hào)帶寬理論值最高為40 MHz，為了降低存儲(chǔ)數(shù)據(jù)率，可以對(duì)采集的數(shù)據(jù)在時(shí)域基2進(jìn)行數(shù)據(jù)抽取，根據(jù)式（2）：

式中：B0為采集后的信號(hào)帶寬；B為抽取后的信號(hào)帶寬；D為數(shù)據(jù)抽取率，取自然數(shù)。

信號(hào)帶寬則變?yōu)?0 MHz，再乘以損耗系數(shù)0.8（經(jīng)驗(yàn)值），信號(hào)帶寬變?yōu)?6 MHz；若處理器性能足夠高，存儲(chǔ)容量足夠大，可以不進(jìn)行時(shí)域抽取，信號(hào)帶寬理論值最高為40 MHz，加上損耗，信號(hào)帶寬可達(dá)到32 MHz。對(duì)于窄帶雷達(dá)系統(tǒng)，中頻信號(hào)帶寬一般小于15 MHz，因此在信號(hào)帶寬上，數(shù)字中頻存儲(chǔ)是滿足要求的。對(duì)于帶寬較寬的雷達(dá)系統(tǒng)，可以增加采集通道來增加帶寬，即采用多個(gè)儲(chǔ)頻通道并行采集和存儲(chǔ)。

對(duì)于信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，若采用12位的ADC和DAC，根據(jù)香農(nóng)定理可知，信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍理論值為72 d B，考慮到帶寬、噪聲和雜散的影響，信號(hào)實(shí)際動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)該可達(dá)60 dB［4］。若采用14位的ADC和DAC，實(shí)際動(dòng)態(tài)范圍應(yīng)該在85 d B左右。

5 結(jié)束語

采用數(shù)字中頻存儲(chǔ)的方式來進(jìn)行雷達(dá)中頻目標(biāo)模擬，特別適合于相參雷達(dá)系統(tǒng)的模擬，能夠很好地解決目標(biāo)相位相參性問題、大延時(shí)問題；另外一方面，由于中頻存儲(chǔ)采樣位數(shù)較高，因此也能獲得較高的動(dòng)態(tài)范圍和較好的雜散指標(biāo)。

［1］宗孔德.多抽樣率信號(hào)處理［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1996.

［2］Interactive Circuits ＆ Systems Ltd.Software Defined Radio（SDR）Products for Radio and Radar［EB／OL］.http：／／www.ics.com，2000－03－26.

［3］Interactive Circuits ＆Systems Ltd.Digital IF Processing［EB／OL］.http：／／www.ics.com，1999－09－26.

［4］楊小牛，樓才義，徐建良，等.軟件無線電原理與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2001.