高頻地波雷達(dá)頻譜監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)

(武漢大學(xué)電子信息學(xué)院,湖北武漢430072)

高頻地波雷達(dá)頻譜監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)

唐 瑞,岳顯昌,張 蘭,王市委

(武漢大學(xué)電子信息學(xué)院,湖北武漢430072)

高頻地波雷達(dá)的工作很受外界環(huán)境和噪聲的干擾,嚴(yán)重影響了雷達(dá)的信號質(zhì)量。為了監(jiān)測外界噪聲的頻譜,讓雷達(dá)工作在信噪比較高的工作頻段上,針對目前武漢大學(xué)海態(tài)實(shí)驗(yàn)室所研制的雙頻多通道高頻地波雷達(dá)系統(tǒng),設(shè)計(jì)了一種頻譜監(jiān)測儀,該頻譜監(jiān)測儀從高頻地波雷達(dá)的工作波形設(shè)計(jì)與探測原理出發(fā),采用外差式與快速傅里葉變換算法相結(jié)合的頻譜監(jiān)測設(shè)計(jì)方案 ,具有傳統(tǒng)模擬式和數(shù)字式的頻譜儀的優(yōu)點(diǎn),并通過設(shè)計(jì)及驗(yàn)證,完成了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),閉環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明能夠有效檢測到外部噪聲,能夠適用于新一代雷達(dá)系統(tǒng),為后續(xù)雷達(dá)數(shù)據(jù)的采集和處理有更好的改善。

高頻地波雷達(dá);頻譜檢測;外差式結(jié)構(gòu);快速傅里葉變換

0 引言

海洋雷達(dá)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)是一個(gè)由無線電科學(xué)、信息技術(shù)和物理海洋學(xué)交叉形成的新的學(xué)科方向?；趯﹄姶挪ㄅc海洋粗糙面相互作用機(jī)理的認(rèn)識,20世紀(jì)60—70年代以來海洋雷達(dá)技術(shù)得以迅速發(fā)展起來,用于海洋監(jiān)測的雷達(dá)按頻段主要分為高頻海洋雷達(dá)和微波海洋雷達(dá)兩大類[1-2]。前者有高頻地波雷達(dá)、高頻天波雷達(dá)和天地波一體化雷達(dá),主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)測海洋表面風(fēng)、浪、流、潮等海面動(dòng)力學(xué)參數(shù),以及實(shí)現(xiàn)對海上的低速目標(biāo)的監(jiān)測。與現(xiàn)有的其他海洋遙感設(shè)備相比,高頻地波雷達(dá)具有覆蓋面積大、探測精度高、造價(jià)適度、運(yùn)行費(fèi)用低、可以全天候工作等優(yōu)點(diǎn),并能夠探測到視距以外的海域,被認(rèn)為是最理想的海洋環(huán)境檢測設(shè)備之一。

由于其雷達(dá)的工作頻段在3～30 MHz,除了環(huán)境噪聲和外部干擾外,夜間的短波電臺對雷達(dá)的工作頻率會帶來嚴(yán)重的噪聲干擾,影響雷達(dá)的探測性能。為選擇最佳的雷達(dá)工作頻率,對噪聲和干擾頻譜進(jìn)行分析是一項(xiàng)十分重要的工作[3]。頻譜監(jiān)測的目的就是為了得到雷達(dá)的工作頻段內(nèi)噪聲的頻譜[4],通過頻譜監(jiān)測去獲得外界噪聲的頻帶,為雷達(dá)實(shí)時(shí)選取信噪比最高的工作頻段。目前的無線電頻譜監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測的頻譜范圍太廣,遠(yuǎn)超地波雷達(dá)的工作范圍,導(dǎo)致資源的浪費(fèi);并且它也不能很好地適應(yīng)地波雷達(dá)收發(fā)共站的模式,雷達(dá)高功率的發(fā)射信號極有可能損壞頻譜監(jiān)測設(shè)備。武漢大學(xué)海態(tài)實(shí)驗(yàn)室研制的天地波混合組網(wǎng)海態(tài)高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)采用天波發(fā)射、地波接收和地波發(fā)射、地波接收兩種模式實(shí)現(xiàn)對海洋表面動(dòng)力學(xué)參數(shù),如海洋表面流場、風(fēng)場等的監(jiān)測[5]。在該系統(tǒng)中,高頻地波雷達(dá)工作在雙頻模式,跨越兩個(gè)頻段,相對于單頻模式更易受到外界噪聲和干擾影響,因此對于外界環(huán)境頻譜的監(jiān)測就顯得尤為重要。針對高頻地波雷達(dá)雙頻工作模式,設(shè)計(jì)了頻譜監(jiān)測儀,作為雷達(dá)工作時(shí)外部頻譜監(jiān)測的輔助設(shè)備,并為雷達(dá)選聘提供依據(jù)。

高頻地波雷達(dá)的頻譜監(jiān)測模塊一般采用窄帶中頻數(shù)字化的結(jié)構(gòu),一次變頻、高中頻采樣的方式[6],文獻(xiàn)[7]用機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行了高頻雷達(dá)頻譜的預(yù)測,文中從高頻地波雷達(dá)的工作波形設(shè)計(jì)與探測原理出發(fā),結(jié)合天地波一體化雷達(dá)系統(tǒng)探測[8-9]的需要采用掃頻外差式結(jié)構(gòu)和快速傅里葉分析法相結(jié)合的零中頻采集方案,設(shè)計(jì)了高頻地波雷達(dá)的頻譜監(jiān)測儀,系統(tǒng)接收雷達(dá)工作環(huán)境周圍的電磁信號,獲取環(huán)境噪聲與干擾信號的頻譜圖,為雷達(dá)工作選取信噪比高的工作頻段,使其不僅可以接收高頻地波雷達(dá)工作環(huán)境中的短波段干擾和噪聲,也能為后期的數(shù)據(jù)收集提供噪聲數(shù)據(jù),而且還可以為雷達(dá)選擇合適的工作頻率作參考,從而提高雷達(dá)的整體性能。

1 系統(tǒng)的工作原理及設(shè)計(jì)思路

1.1 HFSWR頻譜監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理

雷達(dá)工作模式是收發(fā)共站,雷達(dá)工作波形采用線性調(diào)頻中斷連續(xù)波(FMICW),雷達(dá)系統(tǒng)產(chǎn)生線性調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)本振信號

式中:f0為載頻;K=B/T為掃頻斜率,B為雷達(dá)工作帶寬,T為掃頻周期,本系統(tǒng)設(shè)置的雷達(dá)工作帶寬為30 k Hz,掃頻周期為125 ms。本振信號S(t)經(jīng)過門控脈沖后調(diào)制為發(fā)射信號ST(t),脈沖調(diào)制過程如圖1所示。

圖1 脈沖調(diào)制過程

上圖中TS為雷達(dá)工作周期,T為掃頻周期,TR為間隙期監(jiān)測的時(shí)間,在TR期間雷達(dá)處于發(fā)射的間歇期,發(fā)射機(jī)不工作,利用這段時(shí)間來進(jìn)行頻譜監(jiān)測,對環(huán)境噪聲和干擾信號進(jìn)行采集。

1.2 頻譜監(jiān)測的設(shè)計(jì)思路

文中所設(shè)計(jì)高頻地波雷達(dá)的頻譜監(jiān)測儀主要是基于外差式和FFT的原理,其設(shè)計(jì)思路如圖2所示。

圖2 基于外差式和FFT的頻譜儀

在頻譜監(jiān)測期間,本振輸出為單頻信號fL0,由本振信號和射頻信號fR以及低通濾波器的截止頻率fL確定外部噪聲信號的頻譜,頻率范圍為fL0～fL0-fR。當(dāng)采集完1 024個(gè)點(diǎn)數(shù),即完成一次采樣,此時(shí),本振源的輸出為fL0+1 k Hz,此時(shí)得到的外部噪聲的頻率監(jiān)測范圍為fL0+1 k Hz～fL0+1 k Hz+fL,當(dāng)累計(jì)得到1 500個(gè)帶寬為fL的頻譜信息,就已經(jīng)完成1.5 M Hz帶寬的掃頻,完成一次頻譜監(jiān)測。

現(xiàn)有的雷達(dá)系統(tǒng)的一個(gè)完整的掃頻周期T=125 ms,每個(gè)掃頻周期的間隔Tint=3.125 ms,門控脈沖的周期Tq=3.125 ms,脈沖寬度Tp=(3.125/2)ms。也就是我們需要在(3.125/2)ms內(nèi)作一次采樣,現(xiàn)以天線接收12～13.5 M Hz的信號為例說明,為了更清楚地理解頻譜監(jiān)測的過程,可以看圖3的信號流程圖。

圖3 頻譜監(jiān)測的信號流圖

文中設(shè)計(jì)的頻譜監(jiān)測儀的低通濾波器截止頻率為300 Hz,A/D采樣頻率為100 k Hz,每一次的頻譜監(jiān)測共有采樣8個(gè)脈沖間隔時(shí)間(Tad=8×3.125/2)ms,則可采集1 250(100×103×8×3.125/2×10-3)個(gè)點(diǎn),然后作FFT,得到300 Hz帶寬內(nèi)的信號信息,同時(shí),DDS轉(zhuǎn)換一次頻率fL0+1 k Hz,進(jìn)行下一幀的采樣。如此積累,完成整個(gè)頻段的頻譜監(jiān)測時(shí)間為(8×Tq×1 500=37 500)ms。然后對采集完的所有信號進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得出外部噪聲信號的頻譜,從而為雷達(dá)選擇合適的工作頻率作參考。

2 頻譜監(jiān)測儀的系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 頻譜監(jiān)測儀的總體設(shè)計(jì)

頻譜儀是研究一個(gè)給定信號,然后獲得其頻譜上各個(gè)頻率分量的能量分布的設(shè)備。本質(zhì)上就是將一個(gè)復(fù)雜的信號分解為很多單一的信號,顯示各個(gè)頻率點(diǎn)的幅度和頻率的對應(yīng)關(guān)系,然后得到信號的幅度和頻率。

掃頻超外差式頻譜儀是模擬式頻譜儀最常用的一種方案,其結(jié)構(gòu)原理和無線電超外差接收機(jī)類似,能夠完成待測監(jiān)測信號頻帶內(nèi)的掃頻,并顯示出各個(gè)信號分量的幅度和頻率成分[10],其原理結(jié)構(gòu)如圖4所示。

數(shù)字式頻譜儀中用的最多的是快速傅里葉變換(FFT)分析法[11],信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后,數(shù)字化的時(shí)域信號被采樣,而后經(jīng)過FFT得到數(shù)字信號的頻譜,其原理結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 掃頻外差式頻譜儀結(jié)構(gòu)圖

圖5 FFT頻譜儀簡化結(jié)構(gòu)

FFT頻譜分析儀能夠完成傳統(tǒng)的多通道濾波器一樣的功能,省去很多的帶通濾波器,大大簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),節(jié)省了成本。FFT頻譜分析儀可以實(shí)現(xiàn)對信號譜圖的實(shí)時(shí)顯示,其頻譜分辨率也是傳統(tǒng)模擬頻譜儀所不能比擬的。

文中結(jié)合模擬式頻譜儀和數(shù)字式頻譜儀各自的優(yōu)點(diǎn),采用掃頻外差式結(jié)構(gòu)和快速傅里葉分析法相結(jié)合的零中頻采集方案,該方案省去了鏡頻抑制濾波器和混頻后的中頻帶通濾波器,結(jié)構(gòu)簡單,降低硬件功耗的同時(shí)也降低了成本,并根據(jù)高頻地波雷達(dá)的工作波形特點(diǎn),設(shè)計(jì)了高頻地波雷達(dá)的頻譜監(jiān)測儀,完成對雷達(dá)工作環(huán)境中的干擾和噪聲的有效監(jiān)測,從而提高雷達(dá)的整體性能。

2.2 電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

頻譜監(jiān)測儀主要由模擬前端、DDS電路模塊、A/D采樣電路、USB接口電路、上位機(jī)顯示軟件和FPGA控制模塊,以及其他附屬電路等部分組成,如圖6所示。

圖6 頻譜檢測儀整體電路

2.2.1 模擬前端電路的設(shè)計(jì)

在頻譜監(jiān)測儀系統(tǒng)中,有兩條信號通路。第一條信號通路主要實(shí)現(xiàn)的功能就是通過一個(gè)帶通濾波器選取噪聲信號的接收頻段,經(jīng)過兩級放大之后進(jìn)入混頻器的RF端,整條通路的電壓增益為40 dB左右。第二條信號通路為DDS本振信號端,也是經(jīng)過濾波放大,得到合適的增益,輸送到混頻器的L0端,該條通路的電壓增益大約為52 dB。

模擬前端主要用于完成天線接收的微弱信號的放大、選取,經(jīng)過混頻電路,得到一個(gè)準(zhǔn)零頻信號,具體電路實(shí)現(xiàn)如圖7所示。

2.2.2 DDS電路的設(shè)計(jì)

DDS(數(shù)字頻率合成器)電路是整個(gè)頻譜監(jiān)測系統(tǒng)主要的組成部分,主要是每隔一個(gè)掃頻周期,得到一個(gè)單頻信號,放大濾波后與天線進(jìn)來的信號進(jìn)行混頻。其中通過更改其頻率控制字,輸出頻率就相應(yīng)地改變,跳頻速率高,能夠很好地滿足本振源的輸出頻率,DDS電路圖如圖8所示。

2.2.3 A/D采樣電路設(shè)計(jì)

A/D采樣電路,經(jīng)過混頻電路出來的信號為近零頻的窄帶信號,采用A/D采樣電路對模擬零頻信號進(jìn)行采樣、量化和編碼輸出。混頻后的信號為一個(gè)0～300 Hz的窄帶信號,為了采樣后信號不失真,我們?nèi)?00 k Hz的采樣頻率。經(jīng)過調(diào)研分析我們選取了TI公司的ADS8505這款A(yù)/D芯片,A/D采樣外圍電路如圖9所示。

2.2.4 FPGA控制電路的設(shè)計(jì)

在整個(gè)系統(tǒng)中,FPGA控制模塊起著關(guān)鍵的作用,負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作,包括對DDS模塊的配置產(chǎn)生所需的本振信號,對A/D采樣器進(jìn)行時(shí)序的控制使得采集準(zhǔn)確的外部噪聲信號,同時(shí)對USB芯片進(jìn)行控制,使得后端的數(shù)據(jù)可以正確地傳輸,FPGA模塊是該頻譜監(jiān)測設(shè)備的中樞,只有合理的設(shè)計(jì),才能讓整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行,達(dá)到我們的要求。

系統(tǒng)采用ALTERA公司的CYCLONEIII系列的EP3C40F484C6芯片,該芯片功耗較低,性能良好,是一款應(yīng)用比較廣泛的可編程門陣列器件,其資源比較豐富,如表1所示。

表1 EF3C40F484資源列表

控制程序的編寫使用Quartus II開發(fā)軟件,圖10為綜合后的RTL視圖。

FPGA控制的程序,主要包括A/D的采樣控制和USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂?以下分別進(jìn)行說明。

1)A/D采樣控制

系統(tǒng)采用的A/D采樣芯片為ADS8505,該芯片控制相對簡單,控制時(shí)序要求轉(zhuǎn)換時(shí)間在40～1 750 ns之間,本系統(tǒng)設(shè)為1 000 ns,保證每次數(shù)據(jù)能完成轉(zhuǎn)換,最后產(chǎn)生一個(gè)周期為10 ns的采樣信號,其中低電平持續(xù)時(shí)間為1 000 ns。

2)USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂?/p>

系統(tǒng)采用零中頻結(jié)構(gòu),混頻之后低通濾波器最后得到的是一個(gè)0～300 Hz的窄帶信號,經(jīng)有100 k Hz的采樣率對其采樣,進(jìn)入FPGA,等待傳輸。若是采用同步寫模式這里存在一個(gè)問題就是數(shù)據(jù)率的匹配,采樣時(shí)鐘為100 k Hz,而USB傳輸控制模塊的時(shí)鐘則是48 MHz,相差幾百倍,如果不經(jīng)任何處理,會導(dǎo)致傳輸出來的數(shù)據(jù)存在重大的誤差。這里面就需要一個(gè)重要模塊FIFO——進(jìn)行調(diào)節(jié),以解決兩個(gè)時(shí)鐘的不匹配導(dǎo)致的數(shù)據(jù)率的不同。本文為了方便穩(wěn)定,采用了Quartus里面的IP核模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。

通過Signal Tap抓取的數(shù)據(jù)流圖如圖11所示,由A/D采樣后的數(shù)據(jù)進(jìn)入FPGA后,在通過USB的控制程序,進(jìn)入U(xiǎn)SB設(shè)備的數(shù)據(jù)是一致的。程序調(diào)試完成以后,將程序編譯后的燒錄文件以AS模式下載到從配置期間EPCS中去,只要上電就可以運(yùn)行固化好的程序。

圖7 模擬前端電路

圖8 DDS電路圖

圖9 A/D采樣電路

圖10 FPGA控制程序RTL視圖

圖11 Signal Tap抓取數(shù)據(jù)流圖

USB電路的設(shè)計(jì)及USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓碳蜕衔粰C(jī)軟件,這里就不詳細(xì)介紹了。整個(gè)系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)如圖12所示。

圖12 頻譜監(jiān)測儀的硬件實(shí)現(xiàn)

前期調(diào)試,RF信號采用13 MHz的單頻信號,而本振信號為與RF信號相差200 Hz的單頻信號(13.000 2 MHz),可以驗(yàn)證頻譜儀的接收前端的正確合理性,然后用示波器檢測混頻之后待進(jìn)入A/D采樣轉(zhuǎn)換電路的信號,可以得到一個(gè)幅度符合我們所需要的200 Hz的信號。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過硬件電路的設(shè)計(jì)和上位機(jī)實(shí)時(shí)頻譜顯示軟件,采樣后的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)譜如圖13所示。

為了驗(yàn)證頻譜顯示的正確性,我們把上位機(jī)的數(shù)據(jù)導(dǎo)出,然后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到 Matlab中,作FFT變換,得到噪聲譜圖,如圖14所示。

在譜圖中峰值對應(yīng)的頻率為195.3 Hz,這與模擬信號頻率200 Hz的信號是相對應(yīng)的。因?yàn)椴蓸宇l率是100 k Hz,采樣點(diǎn)數(shù)為1 024點(diǎn),則頻譜的分辨率為97.65 Hz。如果作FFT處理時(shí),點(diǎn)數(shù)足夠多,所得到的峰值對應(yīng)的頻率將會無限接近或等于200 Hz。200 Hz的信號可以對應(yīng) Matlab譜圖中195.3 Hz,實(shí)時(shí)譜圖顯示正確,由此我們驗(yàn)證了該頻譜監(jiān)測儀設(shè)計(jì)的合理性。

圖13 數(shù)據(jù)采集的頻譜顯示

圖14 存儲數(shù)據(jù)的頻譜圖

4 結(jié)束語

結(jié)合模擬式頻譜儀和數(shù)字式頻譜儀各自的優(yōu)點(diǎn),采用外差式結(jié)構(gòu)和快速傅里葉分析法相結(jié)合的零中頻采集方案,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了該頻譜監(jiān)測方案,閉環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本頻譜儀設(shè)計(jì)方案的合理性。在雷達(dá)掃頻的間隙期,對外部噪聲進(jìn)行采集、處理,從而能讓雷達(dá)選擇信噪比較高的工作頻段,該設(shè)備應(yīng)用在高頻地波雷達(dá)雙頻系統(tǒng),對后期海洋的動(dòng)力學(xué)參數(shù)和目標(biāo)的監(jiān)測能力都會有比較好的改善。

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Design of Frequency Spectrum Monitoring Analyzer for High Frequency Surface Wave Radar

TANG Rui,YUE Xianchang,ZHANG Lan,WANG Shiwei
(School of Electronic Information,Wuhan University,Wuhan430072,China)

Suffering from the external environment and noises,the signal quality of the high frequency surface wave radar(HFSWR)is unsatisfactory.In order to detect the frequency spectrum of the noises to make the HFSWR work normally in the frequency bands in which the signal noise ratio(SNR)is perfect,a frequency spectrum monitoring analyzer is designed for the HFSWR developed by Radio Oceanography Laboratory of Wuhan University.By combining the advantage of the structure and principle of the traditional and digital spectrometer and considering the radar waveform design and detection principle of HFSWR,we propose a spectrum monitoring principle based on the heterodyne structure and fast Fourier transform(FFT)algorithm.This principle has been implemented in practice.In addition,the verification and simulation results demonstrate that it can detect the external noises effectively and satisfy the need of a new generation of radar system.It will have a better improvement for subsequent radar data acquisition and processing.

high frequency surface wave radar(HFSWR);spectrum monitoring;heterodyne structure;fast Fourier transform

TN957.51

A

1672-2337(2017)01-0108-07

10.3969/j.issn.1672-2337.2017.01.020

2016-07-04;

2016-08-20

國家自然科學(xué)基金青年基金(No.61401316);國家863計(jì)劃(No.2012AA091701)

唐瑞男,1991年生,湖北襄陽人,武漢大學(xué)碩士研究生,主要研究方向?yàn)闊o線電海洋遙感。E-mail:Mr Tang@whu.edu.cn

岳顯昌男,1975年生,遼寧人,武漢大學(xué)電子信息學(xué)院副教授,主要研究方向?yàn)橹懈邔哟髿饧昂Ｑ髷?shù)值建模。

張?zhí)m女,1981年生,湖北襄陽人,武漢大學(xué)電子信息學(xué)院實(shí)驗(yàn)師,主要研究方向?yàn)槔走_(dá)信號處理。

王市委男,1987年生,山東人,武漢大學(xué)博士研究生,主要研究方向?yàn)闊o線電海洋遙感。