基于軟件無線電的射頻直采數(shù)字接收機(jī)研究

魯長來 倪文飛 夏 丹

(安徽四創(chuàng)電子股份有限公司 合肥 230088)

0 引言

軟件無線電概念[1]的提出至今已經(jīng)二十多年了，經(jīng)過這些年的技術(shù)理論發(fā)展和電路器件水平提升，軟件無線電的工程化應(yīng)用研究也在深入推進(jìn)。當(dāng)前L波段一次航路監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)采用的是常規(guī)超外差兩次變頻接收機(jī)，在30MHz低中頻頻率進(jìn)行信號帶通采樣數(shù)字化接收處理，從長遠(yuǎn)來看，該雷達(dá)系統(tǒng)對接收機(jī)設(shè)備存在升級換代、新技術(shù)推廣、可靠性進(jìn)一步提升、電路小型化高集成、配套功能多樣化、軟件化配置程度高等諸多新的應(yīng)用需求。借助于軟件無線電的設(shè)計思想，本文提出了在L波段200MHz工作帶寬內(nèi)實施直接射頻采樣數(shù)字化，然后再進(jìn)行基于大規(guī)模高速FPGA的功能可配置實時接收處理，形成雷達(dá)的全程I、Q數(shù)字回波信號，最后通過光纖接口傳輸給雷達(dá)系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行軟件化信號處理，基本可以達(dá)到接收機(jī)硬件平臺化、軟件可配置、功能可擴(kuò)展的軟件無線電目標(biāo)。

1 設(shè)計參數(shù)

1)接收頻率范圍：1200MHz～1400MHz;

2)接收跳頻步進(jìn)：1MHz;

3)接收跳頻時間：小于2μs;

4)瞬時動態(tài)：不小于65dB;

5)總動態(tài)：不小于90dB；

6)信號帶寬：2MHz；

7)接收靈敏度：優(yōu)于-109 dBm。

2 設(shè)計思想

已經(jīng)在應(yīng)用的L波段一次航路監(jiān)視雷達(dá)接收系統(tǒng)中，采用的方案是傳統(tǒng)的模擬超外差兩次下變頻接收體制，見圖1，最前級采用了高增益的低噪放(約30dB)設(shè)計確保接收靈敏度指標(biāo)，利用STC電路提升接收機(jī)的動態(tài)性能，采用鏡頻抑制濾波器抑制混頻電路的鏡像頻率干擾信號以及射頻帶外信號，兩級混頻電路將1200MHz～1400MHz的有用回波信號先下變至550MHz一中頻，再下變頻至30 MHz二中頻，系統(tǒng)采用30 MHz中頻帶通采樣、DDC至數(shù)字I、Q輸出。系統(tǒng)還包含產(chǎn)生1750MHz～1950MHz、步進(jìn)1MHz的一本振信號、520MHz的二本振信號以及80MHz、20MHz的采樣處理時鐘信號等電路，接收機(jī)的整體設(shè)備量較多，方案體制相對成熟。

得益于高速A/D器件技術(shù)的飛速發(fā)展，讓軟件無線電接收機(jī)在實現(xiàn)方案上也前進(jìn)了一大步，本文針對圖1的傳統(tǒng)L波段PSR接收機(jī)做了技術(shù)改進(jìn)設(shè)計，見圖2，重點采用基于1200MHz～1400MHz頻段內(nèi)射頻直接采樣技術(shù)的硬件平臺進(jìn)行接收機(jī)的軟件化處理，省去了復(fù)雜的頻率源電路和兩次模擬下變頻、濾波放大電路，采用低噪放1、STC、低噪放2、開關(guān)濾波器電路組成一個極其簡化的低噪聲射頻前端[4]，以確保接收機(jī)系統(tǒng)的靈敏度、動態(tài)及抗干擾性能，這里把STC電路放置在兩級低噪放之間是為了便于合理分配系統(tǒng)動態(tài)指標(biāo)。

3 性能分析

3.1 射頻直采數(shù)字接收機(jī)工作機(jī)理

本案中的射頻直采數(shù)字接收機(jī)的硬件組成如圖2中虛線內(nèi)部分所示，依據(jù)帶通采樣原理，在信號帶寬為B時，當(dāng)采樣頻率fS和載頻f0之間滿足(1)式的關(guān)系時，就可不失真地恢復(fù)信號的信息。

(1)

這里取A/D的采樣頻率為950MHz，信號帶寬為2MHz，A/D器件內(nèi)部在硬件上將單組950MHz高采樣率的數(shù)字信號并行處理形成兩組475MHz低采樣率信號通過LVDS接口輸出，最終以475 MHz數(shù)據(jù)速率與FPGA對接，然后在FPGA中進(jìn)行軟件化接收處理[3]，軟件化功能框圖如圖3所示。

由采樣、抽取等經(jīng)典理論可知，1200MHz～1400MHz的射頻信號經(jīng)過950MHz采樣以及數(shù)據(jù)并行處理、多項濾波后，數(shù)字接收機(jī)可以直接解調(diào)頻譜變換后對應(yīng)的25MHz～225MHz搬移譜信號，這樣就極大降低了對數(shù)字下變頻(DDC)部分的處理速度要求。數(shù)字接收機(jī)通過軟件設(shè)置32位數(shù)控振蕩器(NCO)的頻控字值實現(xiàn)25MHz～225MHz、步進(jìn)1 MHz的工作頻點選擇功能，NCO的輸出頻率滿足式(2)的關(guān)系，從式(2)中推算可知，NCO的頻率分辨力可達(dá)到0.1Hz左右，完全滿足步進(jìn)1 MHz的跳變間隔需求。同時，NCO的輸出幅度采用16位量化值，以滿足數(shù)字接收機(jī)動態(tài)截位要求，NCO的工作頻率通過FPGA內(nèi)部25MHz時鐘鎖相得到475MHz主時鐘。

(2)

其中，F(xiàn)TW為NCO的頻率控制字，fNCO為NCO的輸出頻率。

圖3中數(shù)字混頻之后的數(shù)字基帶I、Q信號依然是475MHz的高速率信號，軟件設(shè)計上采用19倍抽取率的CIC濾波器，一方面達(dá)到數(shù)據(jù)速率降至相對較低的25MHz的目的，另一方面也達(dá)到抑制信號帶外邊譜的效果。最后采用5倍抽取率的反辛格FIR濾波器既補償前級CIC濾波器的帶內(nèi)平坦度特性，又實現(xiàn)2MHz匹配濾波后I、Q信號的5MHz低速率基帶輸出要求，方便后續(xù)的信號傳輸與信號處理。

由器件參數(shù)得到，A/D的信噪比為50 dB，即A/D有效位數(shù)(ENOB)約為8.4位，輸入大信號為+5 dBm，而實際信號帶寬為2MHz，采樣頻率為950 MHz，相對于信號帶寬而言，高倍的過采樣率帶來了很大的信號比改善，由式(3)可以推算，射頻直采數(shù)字接收機(jī)的動態(tài)范圍將近74 dB，折算出小信號約-69 dBm。

(3)

DR為數(shù)字接收機(jī)動態(tài)范圍，SNRAD為A/D信噪比，fs為采樣頻率，B為信號帶寬。

3.2 接收機(jī)靈敏度

作為數(shù)字接收機(jī)的低噪聲前端設(shè)備，圖2中低噪放1增益為30 dB、噪聲系數(shù)1.3 dB，低噪放2增益為24 dB、噪聲系數(shù)1.3 dB，STC電路控制范圍30 dB、插入損耗1 dB，開關(guān)濾波器采用GaAs開關(guān)組合LC濾波器組實現(xiàn)，單路濾波器帶寬設(shè)計為20MHz，插入損耗3 dB，相鄰兩路之間頻帶保留2.5 MHz交疊以保證接收機(jī)能全頻帶覆蓋，共計12路。由公式(4)可以估算接收機(jī)級聯(lián)電路噪聲系數(shù)約為1.5 dB。

(4)

F0為接收機(jī)前端總噪聲系數(shù)，F(xiàn)1…Fn為接收機(jī)前端各級噪聲系數(shù)，G1…Gn-1為前端各級增益；再由公式(5)計算得到接收機(jī)整體靈敏度功率電平為-109.5 dBm(帶寬BW為2 MHz，噪聲系數(shù)NF為1.5 dB)。

Psmin=-114+10lgBW+NF

(5)

從前面的指標(biāo)分配可算出低噪聲前端總增益為50dB，對于-109.5 dBm的靈敏度信號放大輸出為-59.5 dBm，而相對數(shù)字接收機(jī)輸入小信號-69 dBm，可以通過式(6)評估出數(shù)字接收機(jī)對接收機(jī)整機(jī)噪聲系數(shù)的惡化[2]約為0.4 dB，不影響系統(tǒng)-109 dBm的靈敏度指標(biāo)要求。

NFs=NF+10lgM-10lg(M-1)

(6)

NFs為系統(tǒng)總噪聲系數(shù)，M為前端噪聲功率輸出與數(shù)字接收機(jī)等效輸入噪聲功率比值。

3.3 接收機(jī)整體動態(tài)范圍

L波段一次航路監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)要求接收機(jī)瞬時動態(tài)范圍不小于65dB，總動態(tài)范圍不小于90dB，前面論證了射頻直采數(shù)字接收機(jī)的瞬時動態(tài)范圍為74dB，滿足系統(tǒng)的要求，但要滿足總動態(tài)90dB的要求，也就是前端最大輸入為-19 dBm，所以在前端兩級低噪放之間設(shè)計了30dB的STC電路抗大信號飽和，這樣接收機(jī)整體的動態(tài)范圍指標(biāo)就能完全滿足系統(tǒng)要求。

3.4 接收機(jī)跳頻性能

雷達(dá)系統(tǒng)為了解決抗干擾等陣地適應(yīng)性功能要求接收機(jī)具備跳頻工作能力，具體指標(biāo)要求接收跳頻步進(jìn)1MHz，接收跳頻時間小于2μs。在用的雷達(dá)系統(tǒng)采用直接合成頻率源技術(shù)解決快跳頻和細(xì)步進(jìn)問題，而基于射頻直采的接收機(jī)根本沒有頻率源設(shè)備，它可以通過軟件設(shè)置NCO頻率和程序控制開關(guān)濾波器的方法來實現(xiàn)，在跳頻速度和頻率步進(jìn)上更具優(yōu)勢。

4 實驗結(jié)果

測試中采用儀表信號源饋送1200MHz～1400MHz的射頻信號給L波段直采數(shù)字接收機(jī)，信號功率、頻率參數(shù)可調(diào)，樣機(jī)實物見圖4，計算機(jī)給實驗樣機(jī)加載配置工作軟件后，通過硬件JATAG接口從實驗樣機(jī)采集I、Q數(shù)據(jù)至計算機(jī)，然后利用MATLAB分析軟件對采集的信號進(jìn)行信號參數(shù)與質(zhì)量分析，重點針對接收機(jī)的大信號特性、小信號特性、帶寬特性、A/D性能以及軟件DDC之后的I、Q處理性能進(jìn)行評估，具體參見圖5-圖9，能夠在線快速(約200ns)控制接收機(jī)工作頻率，通過對L波段直采數(shù)字接收機(jī)實驗樣機(jī)的多項實驗驗證測試，各項指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計要求，表明在L波段采用基于軟件無線電的射頻直采數(shù)字接收機(jī)處理方法替代傳統(tǒng)模擬兩次變頻的方案是可行的，能夠滿足雷達(dá)整機(jī)系統(tǒng)的工程化應(yīng)用要求。

5 結(jié)束語

在軟件無線電設(shè)計思想的引領(lǐng)下，雷達(dá)收發(fā)設(shè)備數(shù)字化向天線前移的趨勢不可阻擋，當(dāng)前，硬件上采用低中頻或高中頻采樣數(shù)字化結(jié)合接收處理軟件化的方案及產(chǎn)品已經(jīng)在成熟應(yīng)用，而L波段及其以上頻段射頻直接采樣數(shù)字化結(jié)合軟件化接收處理的產(chǎn)品并不多，能夠真正得到工程化應(yīng)用的也較少，所以繼續(xù)推進(jìn)高頻段接收機(jī)的射頻直接采樣技術(shù)工程化應(yīng)用研究很有現(xiàn)實意義。在本方案的實驗研究中，L波段直接采樣數(shù)字接收機(jī)的性能水平基本得到了全面驗證，能夠達(dá)到雷達(dá)整機(jī)的使用技術(shù)要求，為后續(xù)雷達(dá)系統(tǒng)的改進(jìn)升級工作奠定了基礎(chǔ)。