基于調(diào)頻廣播的無源定位系統(tǒng)接收機(jī)設(shè)計(jì)

盧玉杰

（華東電子工程研究所，安徽　合肥　230088）

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基于調(diào)頻廣播的無源定位系統(tǒng)接收機(jī)設(shè)計(jì)

盧玉杰

（華東電子工程研究所，安徽合肥230088）

摘要：基于調(diào)頻廣播的無源定位系統(tǒng)由于具有隱蔽性好，反隱身等特點(diǎn)，一直受到人們的關(guān)注。文章主要基于調(diào)頻廣播信號的特征，以及無源定位系統(tǒng)直達(dá)波功率遠(yuǎn)大于目標(biāo)回波功率這一特性，對接收機(jī)展開研究。分析了適用于基于調(diào)頻廣播的無源定位系統(tǒng)的信道化射頻數(shù)字接收機(jī)的主要特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：無源定位；調(diào)頻廣播信號；接收機(jī)

利用民用FM廣播對目標(biāo)進(jìn)行無源定位和跟蹤是一種新的探測目標(biāo)手段，也是目前國內(nèi)、國際上比較熱門的一個(gè)研究課題。具有許多優(yōu)點(diǎn)，如隱蔽性好，工作頻帶寬（跨米波和分米波2個(gè)頻段），兼具雙基地或多基地的優(yōu)點(diǎn)，可用于探測隱身目標(biāo)，其生存能力和生命力是非常強(qiáng)的。由于FM廣播是全向連續(xù)發(fā)射的，在無源探測系統(tǒng)探測目標(biāo)時(shí)，天線始終處于發(fā)射信號的照射下，又由于米波頻段信號的衍射特性以及地雜波和多徑干擾的存在，很難在接收天線上獲得非常好的方向抑制；相對于這種直達(dá)波和干擾，目標(biāo)回波的功率要弱很多，這就要求探測系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍必須足夠大，能提取微弱的目標(biāo)反射波，并不因直達(dá)波和干擾而飽和。結(jié)合以上特點(diǎn)，以及近年來高速ADC技術(shù)和高速信號處理技術(shù)的發(fā)展，本文將討論針對基于FM廣播信號無源探測系統(tǒng)中大動(dòng)態(tài)、高靈敏度信道化射頻數(shù)字化接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1　FM電臺信號特性分析

頻段：85～110MHz；

FM電臺主要分為單聲道和立體聲2種體制。目前城市中以立體聲電臺較多，而且兩種體制的信號差異不大。調(diào)頻廣播電臺的頻段在85～110MHz，規(guī)定電臺的通頻帶最大為200KHz，頻道間隔100KHz（單聲道180KHz）。目前FM廣播基本上是立體聲廣播，我國和美、日等國的FM立體聲采用導(dǎo)頻制式。傳遞的信號經(jīng)過和、差調(diào)制，變成立體聲復(fù)合信號a（t）；a（t）對主載波進(jìn)行調(diào)制，發(fā)射出去。FM信號幅度穩(wěn)定，信號的瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)帶寬等受調(diào)制信號a（t）強(qiáng)度、頻率的直接影響。

FM立體聲調(diào)制語音信號頻譜如圖1所示。

圖1　FM信號基帶頻率譜

100%調(diào)制時(shí)的頻偏：±75KHz；音頻信號最大頻率：15K；

發(fā)射天線極化：水平；載頻最大頻偏：Δfmax=±2KHz；

信號中頻間隔：±100KHz；信噪比：高頻1KHz，最大調(diào)制度：S/N＞55dB；

38KHz的副載波抑制：≥20dB；

19KHz導(dǎo)頻信號調(diào)制度10%，頻偏差＜±2Hz，相位偏差：±5°；

2)試驗(yàn)表明，41.41%-0.074mm磨礦細(xì)度條件下，通過弱磁一粗一精一掃流程可獲得最終精礦鐵品位64.15%，產(chǎn)率87.63%，回收率92.47%。

FM信號由于播送的節(jié)目內(nèi)容a（t）不同，頻譜上存在較大差異。

一般情況下，F(xiàn)M信號的瞬時(shí)帶寬在100KHz以內(nèi)，很少超過150KHz。由于調(diào)制的語音或音樂等音頻的信號變化是緩慢的，在一定時(shí)間范圍內(nèi)（如0.1秒以下），可以認(rèn)為其調(diào)頻頻譜是相對穩(wěn)定的。

2　接收機(jī)特性分析

由于FM廣播信號是全向連續(xù)發(fā)射的，在無源探測系統(tǒng)探測目標(biāo)時(shí)，天線始終處于發(fā)射信號的照射下，又由于米波頻段信號的衍射特性及地雜波和多徑干擾的存在，很難在接收天線上獲得非常好的方向抑制；系統(tǒng)接收到的信號是由直達(dá)波、多徑干擾和目標(biāo)回波信號組成，相對于直達(dá)波和干擾，目標(biāo)回波的功率要弱很多，這就要求探測系統(tǒng)能在強(qiáng)的直達(dá)波和干擾信號中提取微弱的目標(biāo)反射波，即要完成在強(qiáng)信號背景下對弱信號的檢測；要求接收機(jī)無雜散動(dòng)態(tài)范圍必須足夠大。

調(diào)頻廣播應(yīng)用廣泛，一個(gè)地點(diǎn)在85～110MHz范圍內(nèi)可能收到多達(dá)幾十個(gè)電臺的信號，如果同時(shí)進(jìn)入接收通道，將會產(chǎn)生嚴(yán)重的互調(diào)和干擾，使系統(tǒng)無法正常工作，因此必須對頻段進(jìn)行劃分濾波，頻段劃分過細(xì)將帶來設(shè)備量和成本的增加，因此頻段劃分的原則是盡可能少的頻段劃分，使同時(shí)進(jìn)入通道的電臺數(shù)目盡量少，并且數(shù)字接收的多音干擾盡量小?；赟AW 開關(guān)濾波器組由于其體積小、易于集成、高矩形系數(shù)（高Q值）、帶內(nèi)線性度以及一致性好等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于米波頻段接收機(jī)設(shè)計(jì)中，該濾波器同時(shí)還可以對AD C采樣時(shí)鐘的諧波進(jìn)行抑制，防止其進(jìn)入射頻通道放大器并與輸入信號產(chǎn)生互調(diào)干擾。

廣播電臺的發(fā)射信號波形具有很強(qiáng)的隨機(jī)性， 該體制下的無源定位雷達(dá)系統(tǒng)主要利用廣播信號的直達(dá)波（參考信號）與目標(biāo)反射波作多普勒相關(guān)處理（模糊函數(shù)圖）進(jìn)行檢測和定位。信號在通道間傳播時(shí)，接收機(jī)前端放大器和混頻器帶來的非線性失真、通道間的不平衡和系統(tǒng)噪聲等因素會降低其相關(guān)性。在這一頻段，當(dāng)前的ADC器件已能夠在該頻段的射頻輸入端進(jìn)行直接數(shù)字采樣后利用數(shù)字方法混頻和正交化，避免模擬信號混頻器固有的非線性影響，提高檢測性能。

由于各FM廣播電臺分布的不同，在接收通道中需加入自動(dòng)增益控制（AGC）適應(yīng)不同收發(fā)間距和天線轉(zhuǎn)動(dòng)帶來的信號強(qiáng)度變化。單通道接收機(jī)的組成框圖如圖2所示。

圖2　單通道接收機(jī)的組成框圖

3　系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)分析

3.1接收通道與A/D接口設(shè)計(jì)

模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）是影響接收機(jī)性能的因素之一。AD變換器的有效分辨率制約著接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍；而量化噪聲影響著接收機(jī)的靈敏度。接收機(jī)設(shè)計(jì)中，通常將A/D變換器看成一個(gè)附加噪聲源，通過計(jì)算出接收機(jī)與A/D變換器的組合噪聲系數(shù)，根據(jù)組合噪聲系數(shù)的變化來衡量A/D量化噪聲對靈敏度的影響。由經(jīng)典的噪聲系數(shù)定義，可推導(dǎo)出系統(tǒng)組合噪聲系數(shù)如下：

Fs=F×（M+1）/M

取對數(shù)形式，則有：NFs=NF+10lg（M+1）-10lgM

上式中，M為接收機(jī)的輸出噪聲功率與A/D變換器的量化噪聲功率的比值，F(xiàn)、NF為接收機(jī)自身的噪聲系數(shù)，F(xiàn)s、NFs為系統(tǒng)的組合噪聲系數(shù)。由上述公式可知，M值越大，A/D的量化噪聲對接收機(jī)與A/D組合后的總噪聲系數(shù)的影響就越小。按現(xiàn)有器件水平，我們可以選擇16位A / D變換器（ADC16DV160）。該A/D變換器的最大采樣率為160MHz，典型滿刻度輸入信號電平是2.0Vp-p（50歐姆阻抗）。據(jù)此可計(jì)算出該A/D的量化分層電平為Q=0.03mV，則理想情況下量化噪聲電平為Q/（，折合成50歐姆阻抗的功率電平為：-88dBm。這樣理想的情況下接收機(jī)噪聲電平遠(yuǎn)大于量化噪聲電平，選擇目前最高采樣率及分辨率的ADC是滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的一個(gè)關(guān)鍵。

3.2采樣時(shí)鐘的產(chǎn)生

在數(shù)字化接收機(jī)設(shè)計(jì)中采樣時(shí)鐘的產(chǎn)生是一個(gè)關(guān)鍵，采樣時(shí)鐘的沿的抖動(dòng)將引起ADC的孔徑不確定性，而孔徑的不確定性來自2個(gè)方面：一個(gè)是ADC內(nèi)部采?；驇фi存比較器取樣時(shí)，樣本時(shí)間延遲的變化，在給定型號ADC說明書中給出了典型值，選定了ADC器件這一項(xiàng)也就確定了；另一個(gè)是采樣時(shí)鐘本身沿觸發(fā)抖動(dòng)，也就是我們設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的。

在系統(tǒng)中，采樣時(shí)鐘的選擇既要滿足帶通采樣定律，也要考慮頻率穩(wěn)定性，在無源定位系統(tǒng)中，由于采用射頻數(shù)字化方案，接收機(jī)不需要變頻組件，因此整個(gè)系統(tǒng)中不需要混頻本振時(shí)鐘，系統(tǒng)所需頻率只是一個(gè)低速時(shí)序參考時(shí)鐘以及采樣時(shí)鐘。采用直接頻率合成的方式來實(shí)現(xiàn)，可以保證各時(shí)鐘具有優(yōu)良的相位噪聲，同時(shí)方案也比較簡單，可靠性高。一個(gè)高性能的時(shí)鐘源，除優(yōu)秀的方案和合理的設(shè)計(jì)外，選擇一個(gè)合適的高質(zhì)量參考源也是至關(guān)重要的。

4　結(jié)語

利用民用FM廣播對目標(biāo)進(jìn)行無源定位和跟蹤是一種新的探測目標(biāo)手段。本文對其接收機(jī)特點(diǎn)進(jìn)行了初步分析，確定了信道化RF數(shù)字接收機(jī)的方案，具體的細(xì)節(jié)問題還有待于進(jìn)一步解決。

［參考文獻(xiàn)］

［1］趙洪立，吳鐵平，保錚.基于調(diào)頻廣播單站無源定位系統(tǒng)的低空探測［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2005（10）：64-67.

［2］伍小保，王冰，鄭世連，等.米波雷達(dá)射頻數(shù)字化接收機(jī)抗干擾設(shè)計(jì)［J］.雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2015（4）：87-90.

［3］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，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

作者簡介：盧玉杰（1986-），男，山西大同，工程師；研究方向：電子對抗，雷達(dá)接收機(jī)及高速數(shù)據(jù)采集。