一種高性能數(shù)字中頻接收機(jī)的研究

程博 強(qiáng)小英 黃中

摘要：數(shù)字中頻接收機(jī)能夠直接對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行采集，其信道化功能能夠利用數(shù)字正交下變頻器、數(shù)字濾波器進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。利用中頻回波、中頻相參信號(hào)聯(lián)合起來(lái)進(jìn)行處理，做好現(xiàn)場(chǎng)采樣、處理，能夠?qū)崿F(xiàn)高性能數(shù)字中頻雷達(dá)接收機(jī)體系的建設(shè)，使現(xiàn)代高性能雷達(dá)系統(tǒng)的需要得以滿足。本文就對(duì)高性能數(shù)字中頻接收機(jī)的中頻處理、數(shù)字中頻接收機(jī)實(shí)現(xiàn)等情況進(jìn)行分析和研究。

關(guān)鍵詞：數(shù)字中頻接收機(jī) 數(shù)字下變頻 FIR濾波 數(shù)字濾波器

中圖分類號(hào)：TN851 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）08-0071-01

隨著超高速數(shù)字電路科學(xué)技術(shù)迎來(lái)了良好的發(fā)展時(shí)期，要使現(xiàn)代雷達(dá)性能得到有效、穩(wěn)步的提升就應(yīng)積極使用數(shù)字中頻接收技術(shù)，這也是雷達(dá)性能提升的重要標(biāo)準(zhǔn)。在模擬電路的影響下，模擬正交接收機(jī)中的I、Q幅之間存在著較大的差異，其誤差會(huì)對(duì)雷達(dá)的整體性能產(chǎn)生影響。為了使I、Q的質(zhì)量得到提高和改進(jìn)就需要做好校正工作，利用中頻做好數(shù)字中頻接收機(jī)的采樣工作，對(duì)信號(hào)進(jìn)行科學(xué)的加工處理，得到高質(zhì)量的I、Q信號(hào)。這種方法有著十分明顯的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用范圍廣、重量和體積都比較小，與當(dāng)前高性能雷達(dá)發(fā)展需要相適應(yīng)。

1 中頻處理

1.1 常用的數(shù)字中頻處理方法

當(dāng)前有很多數(shù)字中頻處理的方法，要實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)應(yīng)該使用Bessel或Sinc插值法、希爾伯特變換法、低通濾波法和類似于模擬接收機(jī)結(jié)構(gòu)的NCO+LPF方案，利用雷達(dá)中頻信號(hào)度中頻進(jìn)行處理的頻率比較高，但是并不是整個(gè)頻帶中都有信號(hào)，為了防止出現(xiàn)信號(hào)頻譜出現(xiàn)混淆的問(wèn)題可以通過(guò)可欠采樣進(jìn)行，使I/Q信號(hào)得準(zhǔn)確、可靠性得到提升。通過(guò)頻譜混迭反射還能夠處理無(wú)下變頻中頻，使中頻載頻變?yōu)榱泐l，實(shí)現(xiàn)下變頻。數(shù)字中頻接收機(jī)的AD采樣速率需要與中頻頻率滿足

f0=×fs （1）

其中：中頻頻率用f0表示，AD采樣率用fs表示。要使頻譜間隔得到滿足，需要保證fs是中頻信號(hào)帶寬的2倍，要減少后續(xù)濾波運(yùn)算量得以減少，可以使用4倍的中頻信號(hào)帶寬采樣。這種方法的運(yùn)算量比較小，實(shí)現(xiàn)起來(lái)也比較便利，但是可能也會(huì)存在不足。首先中頻采樣中的直流分量無(wú)法得到有效的控制，使得數(shù)字中頻低端的性能受到影響。此外，如果中頻的頻率系統(tǒng)比較高，可能就無(wú)法找到合適的AD采樣率。當(dāng)前通信系統(tǒng)中，NCO+LPF數(shù)字中頻是使用比較廣泛的，但是由于目前的雷達(dá)系統(tǒng)中不會(huì)提供數(shù)字相位碼，要使設(shè)置相對(duì)固定的NCO頻率，NCO沒(méi)有辦法對(duì)中頻變化進(jìn)行準(zhǔn)確的跟蹤分析，會(huì)使得I/Q信號(hào)的整體質(zhì)量提升受到限制。

1.2 聯(lián)合相干中頻處理

通過(guò)（1）式進(jìn)行采樣，可能會(huì)影響數(shù)字中頻的性能，所以需要聯(lián)合中頻回波、相參振蕩器信號(hào)，實(shí)現(xiàn)二者的聯(lián)合采樣，并進(jìn)行相干處理。數(shù)字處理相參振蕩器信號(hào)，了解相干信息。利用發(fā)射脈寬、中頻的頻率等進(jìn)行濾波的匹配，從而實(shí)現(xiàn)回波信息的獲取，然后相干處理二者獲得I/Q信號(hào)。匹配濾波的過(guò)程中，一般使用能夠編程的四組線性相位FIR濾波器，保證獲得的鏡頻抑制比以及寬帶輸出是高質(zhì)量的，然后對(duì)濾波器進(jìn)行軟件優(yōu)化，避免對(duì)FPGA定點(diǎn)運(yùn)算效果產(chǎn)生不利的影響。實(shí)現(xiàn)聯(lián)合相干處理方式，中頻頻率與AD采樣率間就不需要滿足一定的關(guān)系，可以依據(jù)系統(tǒng)需要確定AD變換器的速率和中頻頻率。

2 數(shù)字中頻接收機(jī)實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)字中頻接收機(jī)的結(jié)構(gòu)

數(shù)字中頻接收機(jī)能夠?qū)χ蓄l信號(hào)進(jìn)行直接性的采集、取樣，在數(shù)字部分實(shí)現(xiàn)數(shù)字下變頻等作用，通過(guò)比較完美的正交性和數(shù)字電路軟件編程的靈活性實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能作用發(fā)揮。當(dāng)前，中頻處理系統(tǒng)與信號(hào)處理系統(tǒng)是密切聯(lián)系的，這種情況下，就不需要數(shù)據(jù)信息的高速傳輸，中頻處理在信號(hào)處理系統(tǒng)的管理控制下科學(xué)的開(kāi)展工作。但是這種方法還存在一定的不足，就是中頻回波信號(hào)的傳輸距離是比較長(zhǎng)的。相比于視頻信號(hào)，傳輸過(guò)程中，中頻信號(hào)會(huì)更容易受到電纜的影響。為了使這一問(wèn)題得到有效的解決，一般都是使用現(xiàn)場(chǎng)采樣現(xiàn)場(chǎng)處理的數(shù)字傳輸系統(tǒng)?？梢栽诶走_(dá)接收機(jī)柜內(nèi)安裝數(shù)字中頻系統(tǒng)，使原有的模擬接收機(jī)以及電路等被代替，如圖1。

在數(shù)字中頻模擬輸入口接入IF回波信號(hào)、中頻相參信號(hào)COHO，AD采樣，利用中頻聯(lián)合處理模塊對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的加工處理，在聯(lián)合處理下獲得I/Q信號(hào)，I/Q信號(hào)有兩路之分，一是在數(shù)字接口實(shí)現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換，借助于下行電纜保證信號(hào)能夠進(jìn)入到系統(tǒng)中進(jìn)行處理，二是通過(guò)D/A變換電路，模擬差輸出，從而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。

2.2 FPGA設(shè)計(jì)

使用Altera的大規(guī)模FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字中頻的核心處理，使用能耗、電壓消耗都比較低的芯片，保證發(fā)熱量少，實(shí)現(xiàn)科學(xué)的布局，做好熱量的分布均勻，散熱可以通過(guò)外殼進(jìn)行。同時(shí)，在設(shè)計(jì)模擬以及數(shù)字電路時(shí)，還需要做好隔離屏蔽的設(shè)計(jì)。

3 結(jié)語(yǔ)

本次研究中使用的是現(xiàn)場(chǎng)采樣時(shí)現(xiàn)場(chǎng)處理，聯(lián)合相干處理技術(shù)，應(yīng)用的范圍也比較廣，適用于全相參、中頻相參雷達(dá)，新雷達(dá)系統(tǒng)以及改造原有雷達(dá)系統(tǒng)，能夠使數(shù)字脈壓功能和多波速處理得以順利的實(shí)現(xiàn)，提高多波束雷達(dá)接收機(jī)的集成度。當(dāng)前高性能的雷達(dá)系統(tǒng)中，需要接收機(jī)來(lái)提高自身的性能，使用數(shù)字中頻接收機(jī)能夠很好的彌補(bǔ)傳統(tǒng)模擬接收機(jī)的不足，提高雷達(dá)的整體性能，減小雷達(dá)的體積。

參考文獻(xiàn)

[1]張黎明.高性能數(shù)字接收機(jī)FPGA設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2013，05：479-483.

[2]胡俊杰，葉永杰，帥明.數(shù)字中頻接收機(jī)中數(shù)字AGC的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].通信對(duì)抗，2015，01：29-33.