高溫超導(dǎo)壓縮EW接收機(jī)的設(shè)計與實現(xiàn)

尹升誠，吳 健

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十一研究所，上海 201802)

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高溫超導(dǎo)壓縮EW接收機(jī)的設(shè)計與實現(xiàn)

尹升誠，吳 健

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十一研究所，上海 201802)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，未來戰(zhàn)場電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，為了滿足未來戰(zhàn)場對雷達(dá)信號的接收和處理需求，設(shè)計了一種基于高溫超導(dǎo)濾波器的電子戰(zhàn)(EW)接收機(jī)，對高溫超導(dǎo)壓縮EW接收機(jī)的頻譜分析功能進(jìn)行了原理分析，根據(jù)原理分析結(jié)果給出了EW接收機(jī)完整設(shè)計方案，對該設(shè)計方案進(jìn)行了主要性能的分析。通過系統(tǒng)測試對設(shè)計方案的可行性進(jìn)行了驗證，結(jié)果表明該接收機(jī)在實時處理、帶寬擴(kuò)展、靈敏度提升等方面較傳統(tǒng)接收機(jī)優(yōu)勢明顯。

電子戰(zhàn)；高溫超導(dǎo)濾波器；壓縮接收機(jī)

0 引 言

在電子戰(zhàn)系統(tǒng)中，接收機(jī)被用來偵收敵方雷達(dá)信號，并對敵雷達(dá)輻射源信號進(jìn)行分析和識別。目前接收機(jī)主要有晶體視頻、瞬時測頻、超外差或直接模/數(shù)(A/D)變換數(shù)字處理等幾種體制。隨著信息技術(shù)和電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，未來戰(zhàn)場電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，對用于電子戰(zhàn)的接收機(jī)也提出了更高的要求，它要求接收機(jī)能實時、寬頻帶、高靈敏、高動態(tài)范圍接收處理戰(zhàn)場密集重疊的信號環(huán)境，給出實時頻譜分析和參數(shù)測量?；谏鲜霰尘把芯苛艘环N超導(dǎo)壓縮電子戰(zhàn)接收機(jī)，在分析超導(dǎo)壓縮接收機(jī)工作原理的基礎(chǔ)上，給出了接收機(jī)完整設(shè)計方案，最后通過系統(tǒng)測試對設(shè)計方案的可行性和先進(jìn)性進(jìn)行了驗證[1]。

1 超導(dǎo)壓縮接收機(jī)工作原理

超導(dǎo)壓縮接收機(jī)的基本原理是采用高溫超導(dǎo)濾波器把輸入射頻信號壓縮成一窄脈沖。也可把它稱為“微掃接收機(jī)”，那是因為這類接收機(jī)采用了快速掃頻本振，把輸入信號轉(zhuǎn)換成線性調(diào)頻信號，采用超導(dǎo)濾波器完成對輸入信號的傅里葉變換，它可使同時到達(dá)的信號在時域上分離開，從而測量每個輸入信號的頻率。由于檢測的壓縮脈沖非常窄,而且在時域上又靠得很緊，因此，要用高速邏輯電路來處理。對壓縮接收機(jī)的研制，主要集中在高溫超導(dǎo)濾波器、微掃源和高速數(shù)字電路處理器(得出輸入信號的脈沖描述字)[2]上。圖1給出了壓縮接收機(jī)基本原理框圖。

在圖1中，當(dāng)接收機(jī)輸入信號(脈沖或連續(xù)波)后，由混頻器的輸出加到超導(dǎo)濾波器的信號為一線性調(diào)頻信號，可以表示為：

(1)

式中：ω0為超導(dǎo)濾波器的中心角頻率；t為時間；u為掃頻速率，u=2πB1/T。

為了便于數(shù)學(xué)運算，式(1)可以寫成指數(shù)形式：

(2)

超導(dǎo)濾波器的轉(zhuǎn)換函數(shù)可以表示為：

(3)

超導(dǎo)濾波器的頻域輸出：

G(ω)=H(ω)S(ω)

(4)

式中：S(ω)為式(2)中S(t)的傅里葉變換，有：

(5)

式中:ω為角頻率。

超導(dǎo)濾波器的時域輸出是把式(4)的G(ω)做傅里葉逆變換：

(6)

將式(2)～式(5)代入到式(6)，得到:

(7)

式中:w(τ)表示加權(quán)函數(shù)的作用。

然而，加權(quán)濾波器也可寫作時間的函數(shù)。因為混頻器把一個連續(xù)波(脈沖)信號變換為一線性調(diào)頻信號[3]。其中，頻率與時間成正比關(guān)系。可以把式(7)的積分重新表示為：

(8)

式(8)中的H(ω)用式(3)來替換，則積分式可寫作：

(9)

對式(9)作進(jìn)一步的變換可得：

(10)

已知：

exp(jx)=cosx+jsinx

(11)

(12)

對式(10)的積分求解，并得結(jié)果為：

(13)

把式(13)代入式(8)，可得：

(14)

式中:τ為啞變量。

輸出信號的幅度可用函數(shù)的積分得到，如下式所示：

(15)

式(15)表示從超導(dǎo)濾波器輸出的幅度是權(quán)函數(shù)的傅里葉變換。對于不加權(quán)信號，W(τ)=1，R(t)的積分表示為：

(16)

R(t)是-sinc函數(shù)和延遲時間T之積。假如這一輸出被對數(shù)視頻檢波器檢出，其輸出會有許多旁瓣。

2 超導(dǎo)壓縮接收機(jī)設(shè)計

在分析超導(dǎo)壓縮接收機(jī)工作原理的基礎(chǔ)上，完成了超導(dǎo)壓縮接收機(jī)的設(shè)計，超導(dǎo)壓縮接收機(jī)總體框圖如圖2所示。

在圖2中，外部接收到的信號經(jīng)低噪聲放大后下變頻至高中頻，然后進(jìn)入混頻器，同掃頻源輸出的掃頻信號進(jìn)行混頻，混頻后信號進(jìn)入高溫超導(dǎo)濾波器形成時域的射頻壓縮脈沖，經(jīng)放大和濾波后送到90°電橋，形成正交的I路和Q路信號。2路正交信號經(jīng)A/D采樣后形成數(shù)字信號，數(shù)字信號送到現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)中進(jìn)行預(yù)處理及參數(shù)測量，形成脈沖描述字(PDW)，PDW數(shù)據(jù)送到主機(jī)進(jìn)行處理后顯示。

系統(tǒng)組成模塊包括：

(1) 微波模塊

微波模塊主要完成射頻信號的放大、變頻、混頻等功能。輸入雷達(dá)射頻信號，輸出正交的壓縮脈沖調(diào)制信號。

(2) 數(shù)據(jù)采集及處理模塊

數(shù)據(jù)采集及處理模塊主要完成正交脈壓調(diào)制信號的包絡(luò)形成、檢波、頻率測量、到達(dá)時間測量、幅度測量,最終形成脈沖描述字。該模塊同時還可以緩存采集的原始數(shù)據(jù)并通過PCI總線傳送到主機(jī)進(jìn)行更精細(xì)的分析和處理。

(3) 信號分選和信號跟蹤模塊

信號分選和信號跟蹤模塊接收數(shù)據(jù)采集處理模塊傳送的PDW數(shù)據(jù)，進(jìn)行信號的分選和跟蹤。

(4) 主機(jī)

接收信號分選結(jié)果，對分選結(jié)果進(jìn)行編批等處理,并通過PCI總線接收數(shù)據(jù)采集處理模塊緩存的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)分析和處理。

3 超導(dǎo)壓縮接收器性能分析

下面將對壓縮接收機(jī)的3個主要性能指標(biāo)進(jìn)行分析，壓縮接收機(jī)的3個主要性能指標(biāo)包括靈敏度、動態(tài)和頻率分辨率[4]。

(1) 靈敏度分析

(17)

HTS色散延遲時間為td， 壓縮接收機(jī)壓縮時間帶寬積，BItd=2×109×100×10-9=200，Ps1=10lg(1.38×10-23×77×2×109)+15-10lg(2×109×100×10-9)=-94.7 dBm。

(2) 動態(tài)范圍分析

考慮在壓縮接收機(jī)加入信號，在其輸出端的壓縮脈沖會出現(xiàn)許多旁瓣電平，其最大旁瓣電平為-13.5 dB，從而使不加權(quán)處理的壓縮接收機(jī)動態(tài)范圍被限制在13 dB，這不適合電子戰(zhàn)環(huán)境中應(yīng)用。

提高動態(tài)范圍的方法是選擇一窗函數(shù)對輸入信號作加權(quán)處理。由于電子戰(zhàn)的信號環(huán)境，輸入信號的結(jié)構(gòu)形式是未知的，故要選擇一個與輸入信號相匹配的方形窗口是做不到的。例如,要選擇一個與輸入信號周期一致的時間窗口的可能性極小。因此，常?？梢栽O(shè)計多種特殊窗口函數(shù)來對輸入信號加權(quán)，這種特殊窗口函數(shù)通常在窗內(nèi)采集到的信號前、后沿衰減大，而在中心衰減很小，從而降低了輸出脈沖的旁瓣[5]。常用的窗口函數(shù)是a階滾降的余弦函數(shù)：

(18)

若a=2，將式(18)代入式(15)，由它產(chǎn)生的旁瓣電平可為-32 dB；而若選用a=0.54時，由它產(chǎn)生的旁瓣電平為-43 dB。還有一種可采用的加權(quán)窗口函數(shù)是高斯窗：

(19)

選用這種加權(quán)方式的好處是：在時域中的高斯函數(shù)，其傅里葉變換在頻域也是一個高斯函數(shù)。因此，在理論上講，高斯加權(quán)的輸出不應(yīng)該有旁瓣出現(xiàn)。但是，因為在實際應(yīng)用中，高斯窗口必須要截尾到一特定長度，才會出現(xiàn)旁瓣，其輸出最大旁瓣將優(yōu)化到-69 dB。

雖然加權(quán)窗口函數(shù)的設(shè)計將有效降低壓縮接收機(jī)在超導(dǎo)濾波器輸出的壓縮脈沖的旁瓣電平，從而可提高壓縮接收機(jī)的動態(tài)范圍；但是也加寬了主瓣，造成對壓縮脈沖在時域位置的測量精度下降，即要降低測頻精度：所以，設(shè)計選用加權(quán)方案時要有折衷。

(3) 頻率分辨率分析

掃頻源必須與超導(dǎo)濾波器的頻率隨時間的斜率相匹配。掃頻速率為：

(20)

假如接收機(jī)輸入瞬時帶寬要求是BR，則掃頻帶寬為:

BT=BR+BI

(21)

因此，總的掃頻時間周期為：

(22)

接收機(jī)的分辨率Δf由壓縮脈沖主瓣寬度決定。也就是講，延遲時間越長，主瓣寬帶越窄，接收機(jī)能得到更精細(xì)的頻率分辨率。頻率分辨率的一種簡單表示方法為:

(23)

式中:k為一比例常數(shù)，對漢明加權(quán)濾波器，k=1.33。

在超導(dǎo)濾波器延遲時間為100 ns的情況下頻率分辨率近似為13.3 MHz。

4 主要測試結(jié)果

(1) 掃頻源

線性掃頻本振源是壓縮接收機(jī)中的一個重要組成部分。它與一般本振源的區(qū)別是：它的輸出頻率是在一段時間內(nèi)從某個頻率線性變化到另一個頻率后又再次回到起始頻率，繼而進(jìn)行周而復(fù)始的掃頻輸出。當(dāng)一個單頻信號與微掃源混頻，混頻后的輸出就會變成一個周期性的線性調(diào)頻信號。當(dāng)這個線性調(diào)頻信號通過一個相匹配的調(diào)頻濾波器時，就會輸出一個脈寬很窄的壓縮脈沖[6-7]。

在試驗中，微掃源的掃描周期很短，為100 ns，在這短短的100 ns內(nèi)卻要掃頻寬度達(dá)到2 GHz，對器件和設(shè)計的難度還是很大的。圖3為采用100 Gsps示波器采集到的掃頻斜率曲線。圖4為輸入信號同微掃源混頻后輸出的掃頻信號。

(2) 超導(dǎo)濾波器輸出壓縮脈沖

圖5、圖6是輸入信號經(jīng)過超導(dǎo)濾波器后輸出的壓縮脈沖信號。

5 結(jié)束語

本文對超導(dǎo)壓縮接收機(jī)進(jìn)行了原理分析，并在此基礎(chǔ)上提出了一種壓縮接收機(jī)的設(shè)計方案，通過試驗結(jié)果驗證了設(shè)計方案的可行性。試驗中采用超導(dǎo)濾波器作為信號處理的核心器件，同傳統(tǒng)的數(shù)字信號處理算法相比具有以下的優(yōu)勢：

處理時間極短，超導(dǎo)濾波器在幾十納秒量級即完成了信號時域到頻域的轉(zhuǎn)換。常規(guī)數(shù)字信號處理一般需要2 000 ns左右才能完成信號從時域到頻域的轉(zhuǎn)換運算。

對同時到達(dá)信號，信號的頻率分辨率主要取決于壓縮脈沖的主瓣寬度，同時到達(dá)信號之間的相互影響比較小。數(shù)字信道化接收機(jī)頻率分辨率則取決于信道寬度，同時到達(dá)信號之間的影響比較大。

相同中頻帶寬的情況下，接收機(jī)靈敏度主要取決于超導(dǎo)濾波器的工作溫度以及系統(tǒng)的時寬帶寬積，目前超導(dǎo)濾波器的工作溫度控制技術(shù)比較成熟，大的時寬帶寬積的濾波器也能夠?qū)崿F(xiàn)，比較容易實現(xiàn)-90 dBm的靈敏度。傳統(tǒng)的數(shù)字接收機(jī)靈敏度取決于最小處理帶寬和輸入信噪比，一般情況下可以實現(xiàn)靈敏度-76 dBm左右。

超導(dǎo)濾波器的性能直接影響接收機(jī)的性能，目前由于技術(shù)水平的限制，在中頻比較高(大于10 GHz)、壓縮帶寬大于2 GHz的情況下，器件性能很難得到保證，這也在一定程度上影響了壓縮接收機(jī)的廣泛使用。隨著器件水平的不斷發(fā)展，超導(dǎo)壓縮接收機(jī)在很大程度上會取代傳統(tǒng)接收機(jī)。

[1] 何艾生，黎紅，何豫生,等.超導(dǎo)濾波器、超導(dǎo)衛(wèi)星接收機(jī)和超導(dǎo)氣象雷達(dá)的研究進(jìn)展[J].物理，2006，36(7)：486-492.

[2] 張其劭,羅正祥，羊愷，等.高靈敏度高溫超導(dǎo)接收機(jī)前端[J].低溫物理學(xué)報，2003(S0):576-583.

[3] 殷旭東,王偉,陳曾平.壓縮接收機(jī)及其在電子戰(zhàn)中的應(yīng)用[J].艦船電子對抗，2005(4):11-15.

[4] 史躍躍.高性能寬帶壓縮接收機(jī)前端的研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2011.

[5] 王建.壓縮接收機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京:南京理工大學(xué)，2013.

[6] 補世榮,羊愷,羅正祥.復(fù)雜耦合超導(dǎo)濾波器[J].電子科技大學(xué)學(xué)報，2003(4):20-25.

[7] 季來運.高溫超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].電子產(chǎn)品世界，2008(2):23-28.

DesignandRealizationofHTSCompressiveEWReceiver

YIN Sheng-cheng,WU Jian
(51st Research Institute of CETC,Shanghai 201802,China)

With the development of information technology,the future battlefield electromagnetic environment will become more and more complex,in order to meet the receiving and processing requirements of future battlefield to radar signal,this paper designs an electronic warfare (EW) receiver based on high-temperature superconducting (HTS) filter,performs principle analysis to the spectrum analysis function of HTS compressive EW receiver,presents full design plan of EW receiver according to the principle analysis results,analyzes the main performance of this design plan,validates the feasibility of design plan through system test.Results show that the receiver has obvious advantages in the aspects of real-time processing,bandwidth expansion and sensitivity improvement,etc.than traditional receivers.

electronic warfare;high-temperature superconducting filter;compressed receiver

2017-04-28

TN851

：A

：CN32-1413(2017)03-0078-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.03.019