P波段寬帶偵察接收機(jī)的設(shè)計(jì)

胡曉文

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引 言

P波段信號因具有超強(qiáng)的穿透性，被廣泛應(yīng)用于遙測通信中。該波段不屬于國際標(biāo)準(zhǔn)頻段，遙測信號的工作頻率多變，且存在多目標(biāo)的情況，為了獲得較高的截獲概率，要求偵察接收機(jī)在頻域上寬開。P波段充滿著大量的電視廣播信號、通信信號、雷達(dá)信號以及各種干擾信號，有效地抑制這些干擾，在復(fù)雜電磁環(huán)境下檢測目標(biāo)，成為寬帶偵察接收機(jī)設(shè)計(jì)需要著重考慮的問題。

對于復(fù)雜電磁環(huán)境，增強(qiáng)偵察接收機(jī)的適應(yīng)能力，無非就是2種方法:一為空域抑制,二為頻域抑制?？沼蛞种剖抢酶蓴_信號和偵收信號的波達(dá)角不同，基于波束形成算法來實(shí)現(xiàn)空域?yàn)V波；頻域抑制利用干擾信號和偵收信號的頻率不同，基于頻域選擇特性來抑制強(qiáng)干擾，寬帶偵察接收機(jī)需要重點(diǎn)考慮頻域抑制的問題，才能提高接收機(jī)在復(fù)雜電磁環(huán)境中的適應(yīng)性，增強(qiáng)生命力。

本文分析了復(fù)雜電磁環(huán)境的情況，基于頻域抑制方式，提出了一種梳齒濾波的方案，提高了偵察接收機(jī)適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境的能力。

1 偵察接收機(jī)的結(jié)構(gòu)選擇

接收機(jī)大致可分為超外差式接收機(jī)和直接數(shù)字式接收機(jī)兩大類。

超外差接收機(jī)通過一次或多次變頻，將射頻信號的頻譜搬移到中頻，中頻頻率較低，對模數(shù)轉(zhuǎn)換器件要求低，便于信號數(shù)字化，且中頻濾波器的選擇性較好，易于工程實(shí)現(xiàn)，因此，超外差接收機(jī)成為傳統(tǒng)經(jīng)典的接收機(jī)模式。其缺點(diǎn)是混頻環(huán)節(jié)易產(chǎn)生交調(diào)頻率，成為虛假信號，污染信號頻譜。對于超寬帶接收機(jī)，選擇合適的變頻窗口變得十分困難，信號頻譜質(zhì)量的惡化程度更加嚴(yán)重，有時甚至無法正常工作。

直接數(shù)字式接收機(jī)，信號經(jīng)低噪聲放大和濾波之后，直接進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換，后續(xù)的處理都在數(shù)字域完成，避免了變頻環(huán)節(jié)帶來的各種干擾問題，并且架構(gòu)簡潔，體積和可靠性將大大提高，直接數(shù)字式接收機(jī)是未來接收機(jī)發(fā)展的方向。

數(shù)字式接收機(jī)，對模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的采樣率和位數(shù)要求較高，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，高性能器件發(fā)展很快，采樣時鐘2 GHz左右的ADC國產(chǎn)器件已經(jīng)十分成熟，其性能和價格都已經(jīng)適合批量工程應(yīng)用。

該偵察接收機(jī)工作在200～700 MHz范圍，選用采樣時鐘2 GHz的ADC器件，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字直采，所以P波段寬帶偵察接收機(jī)采用數(shù)字直接式結(jié)構(gòu)。

2 偵察接收機(jī)的方案選擇

偵察接收機(jī)的工作頻率為200～700 MHz，寬帶偵收。數(shù)字直采原理上可以解決超寬帶問題，避免超外差接收機(jī)的各種缺點(diǎn)?？紤]到P波段電磁環(huán)境的復(fù)雜性，數(shù)字式接收機(jī)設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮抗干擾問題，使接收機(jī)能夠適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境。

P波段空間電磁信號極其復(fù)雜，調(diào)頻廣播信號分布在70～110 MHz的米波波段，電視信號分布在45～450 MHz和470～960 MHz頻段，我國現(xiàn)行的手機(jī)基站信號分布在870～890 MHz，其間還分布著大量的通信電臺信號。即使廣播信號和手機(jī)基站信號不在偵收頻段內(nèi)，但是離工作頻率的上下頻段較近，而系統(tǒng)是500 MHz的瞬時帶寬，廣播和手機(jī)基站站點(diǎn)分布較廣，靈活機(jī)動，每個陣地的電磁環(huán)境各不相同，所以廣播信號和手機(jī)基站信號的干擾也不可忽視。

4種直接數(shù)字式接收機(jī)的方案如圖1所示，下面分別說明4種方案的工作原理。

圖1 4種直接數(shù)字式接收機(jī)的方案示意圖

對于帶外強(qiáng)干擾，傳統(tǒng)的頻域抑制方法使用預(yù)選濾波器抑制帶外強(qiáng)干擾。方案1最為簡潔，信號經(jīng)過預(yù)選濾波器、低噪聲放大后，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。預(yù)選濾波器可以抑制遠(yuǎn)離偵收信號頻帶外的干擾，若通帶內(nèi)或離通帶較近處有較強(qiáng)的信號，將影響接收機(jī)的正常工作。該方案截獲帶寬500 MHz，方案簡潔，設(shè)備量少，成本低;但適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境的能力差，在P波段的惡劣環(huán)境下，幾乎不能正常工作。

方案2同樣用預(yù)選濾波器抑制帶外的干擾信號，低噪聲放大器之后，針對已知的、幅度超出接收機(jī)動態(tài)范圍的干擾信號，設(shè)計(jì)凹口濾波器加以抑制。對于偵收帶寬內(nèi)大量的電視、通信信號，凹口濾波器數(shù)目少，頻域抑制效果差；使用凹口濾波器多，除了體積成本急速上升外，還犧牲了大量的頻率資源，工程價值將受很大影響。

方案3在預(yù)選濾波、低噪聲放大后，設(shè)計(jì)了窄帶濾波器組，并行偵收處理，利用信道化窄帶接收機(jī)，多通道拼接后，實(shí)現(xiàn)500 MHz的截獲帶寬?？梢愿鶕?jù)具體電磁環(huán)境，關(guān)閉遇到干擾的信道，其它信道還可以正常偵收。該方案可以抑制強(qiáng)干擾信號，適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境能力較強(qiáng)，但設(shè)備量和成本急劇增加。

方案4 針對頻域?qū)掗_的接收機(jī)、復(fù)雜的電磁環(huán)境，兼顧成本和性能，提出梳齒濾波方法。接收信號按工作頻率分為2組，2組信號并行偵收。每組截獲不連續(xù)的250 MHz的信號，2組在數(shù)字域拼接后，具有500 MHz帶寬的截獲能力。梳齒濾波器實(shí)現(xiàn)多個凹口濾波器的功能，可有效抑制靠近偵收頻段的干擾信號。遇到帶內(nèi)強(qiáng)信號堵塞通道時，可以靈活關(guān)閉某個信道，其余信道還可以正常偵收，增強(qiáng)接收機(jī)對于復(fù)雜電磁環(huán)境的適應(yīng)能力，極大地提高了工作效率。該方案把信號分為2組，利用2個ADC實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，在數(shù)字域進(jìn)行拼接處理，較方案3，方案4可以大大降低成本，具有較高的可靠性。

4種方案的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示，綜合考慮，寬帶偵察接收機(jī)采用方案4，即梳齒濾波+直接數(shù)字模式，兼顧截獲帶寬、成本、體積等因素的基礎(chǔ)上，在復(fù)雜電磁環(huán)境下具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。

表1 4種方案的優(yōu)缺點(diǎn)

3 寬帶偵察接收機(jī)設(shè)計(jì)

寬帶偵察接收機(jī)的原理如圖2所示，接收機(jī)采用數(shù)字直采方式，全頻段寬開接收處理。

圖2 寬帶偵察接收機(jī)原理圖

預(yù)選濾波器在眾多頻段中選取需要的頻段，并盡可能地抑制無用信號。經(jīng)限幅低噪聲放大器、分配器后，把信號送入2組梳齒濾波器組中，梳齒濾波器組中有4個信道，每個信道帶寬72 MHz，梳齒濾波器A和B在頻域上間隔錯開1個信道，每個信道交疊10 MHz，保持偵收信號的完整性。梳齒濾波器中，每個信道都設(shè)計(jì)了微波開關(guān)，遭遇強(qiáng)干擾時，可以獨(dú)立關(guān)閉該信道，其它信道可以正常工作。

AD主要完成射頻信號數(shù)字化，輸入信號200～700 MHz，采樣率1 600 MHz。其中，ADC芯片型號為AD9689BBPZ，16 bit，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器為雙通道ADC，現(xiàn)場可編程門陳列(FPGA)完成中頻數(shù)字信號的數(shù)字下變頻(DDC)及分析處理功能。

3.1 噪聲系數(shù)設(shè)計(jì)

噪聲系數(shù)是接收機(jī)的重要指標(biāo)，表示接收機(jī)輸出端的信噪比比輸入端變壞的倍數(shù)。噪聲系數(shù)定義為輸入信噪比與輸出信噪比的比值：

(1)

噪聲系數(shù)通常用分貝表示：Fn(dB)=10lgF。

如圖3所示，對于級聯(lián)系統(tǒng)，若每級的噪聲系數(shù)為Fn，增益為Gn，則整個系統(tǒng)的噪聲系數(shù)可表示為：

(2)

圖3 噪聲系數(shù)級聯(lián)框圖

由式(2)可以看出，級聯(lián)系統(tǒng)的總噪聲系數(shù)主要取決于第1級或前幾級器件的噪聲系數(shù)和增益，就是通常采用高增益低噪聲放大器的原因，這點(diǎn)對于射頻前端的選擇具有重要的指導(dǎo)意義。

偵察接收機(jī)的鏈路增益分配框圖如圖4所示。

常溫測試得到接收機(jī)的噪聲系數(shù)為3.5 dB?？紤]到工程批量和寬溫條件的影響，P波段噪聲會惡化0.5 dB，噪聲系數(shù)優(yōu)于4 dB。

3.2 動態(tài)范圍的設(shè)計(jì)

圖4 偵察接收機(jī)的鏈路增益分配框圖

接收機(jī)的線性動態(tài)范圍是影響整個系統(tǒng)性能的一個重要因素。如果接收機(jī)是一個理想的線性系統(tǒng),信號經(jīng)過接收機(jī)的放大、變頻、檢波等變換,再經(jīng)過數(shù)字信號處理就能提取出無失真的原始信號;但是接收機(jī)總是存在某種程度的非線性,并且由于這種非線性作用會使得接收的信號頻譜發(fā)生變化,產(chǎn)生諧波和互調(diào)失真等干擾。

接收機(jī)的線性動態(tài)范圍確定了接收機(jī)處理大信號的能力。接收機(jī)的線性動態(tài)范圍可以表示為處理最大信號與最小信號的比值。

接收機(jī)動態(tài)范圍的下限：應(yīng)以進(jìn)入接收機(jī)輸入端的最小信號電平為準(zhǔn)加上可檢測信噪比，這個下限即接收機(jī)輸入端可檢測信號電平是設(shè)計(jì)接收通道總增益和ADC分辨位數(shù)的依據(jù)之一。

當(dāng)2個或多個信號加到非線性器件時，就會產(chǎn)生互調(diào)干擾。2個信號A1cosω1t和A2cosω2t共同作用于非線性器件，其輸出信號可表示為：K1Pin+K2Pin2+K3Pin3+…+KnPinn,其中有一階分量K1[A1cosω1t+A2cosω2t]，二階分量0.5A12K2cos2ω1t+0.5A22K22cos2ω2t+A1A2K2cos(ω1t+ω2t)+A1A2K2cos(ω1t-ω2t)，三階分量0.75K3A12A2cos(2ω1t±ω2t)]+0.75K3A1A22cos(2ω2t±ω1t)。

由于這些值具有不同的斜率，所以對某一給定的輸入值，它們將在某些值上相交，相對應(yīng)的輸入信號值就稱之為該器件的輸入截點(diǎn)。

三階截點(diǎn)作為衡量系統(tǒng)線性度的一個指標(biāo),它是一個假想的交點(diǎn)。只有在輸入信號幅度很小且三階互調(diào)(IMD)的輸出與輸入信號的功率滿足3∶1 的關(guān)系時,基波輸出曲線與IMD曲線延長線的交點(diǎn)對應(yīng)的線性輸入功率才是PI3[2]。

基本二階、三階失真交叉點(diǎn)示意圖如圖5所示。

圖5 基本二階、三階失真交叉點(diǎn)示意圖

如圖6所示，對于級聯(lián)系統(tǒng)，其三階截點(diǎn)值可按下式計(jì)算[3]：

(3)

圖6 三階截點(diǎn)級聯(lián)系統(tǒng)框圖

從式(3)也可以看出，越靠近后級的截點(diǎn)對總截點(diǎn)影響越大?；フ{(diào)產(chǎn)物可能發(fā)生在接收機(jī)每一級，由于不受接收機(jī)濾波抑制，輸入信號每經(jīng)過一級有增益的電路，信號電平都會提高，互調(diào)產(chǎn)物電平也提高。因此，越是靠后的電路線性應(yīng)該越好，其設(shè)計(jì)才是合理的。

三階截點(diǎn)和三階互調(diào)分量及輸入功率存在以下關(guān)系[4 ]：P3=-2(PI3+3Pin，等幅雙音互調(diào)失真可以由上式來估算。當(dāng)2個雙音信號不等幅時，可簡單地從比較大者中減去它們差值的1/3。即Pin可表示為2/3Pin1+1/3Pin2,則雙音互調(diào)分量可簡約表達(dá)為[4]：P3=-2PI3+2Pin1+Pin2…(Pin1≥Pin2)

三階互調(diào)分量大于接收靈敏度(Pminin)時，接收機(jī)就會誤報(bào)虛假信號，影響接收機(jī)的正常工作，只有等于或小于接收機(jī)靈敏度時，互調(diào)分量才可以忽略不計(jì)。這時的輸入信號功率電平(Pins)到接收機(jī)靈敏度(Pminin)的范圍稱為無虛假響應(yīng)動態(tài)范圍(SFDR)，則：

(4)

(5)

式中：RSFD為無虛假響應(yīng)動態(tài)范圍。

無虛假響應(yīng)動態(tài)與1 dB增益壓縮點(diǎn)動態(tài)示意圖如圖7所示。

在復(fù)雜電磁環(huán)境下，接收機(jī)的線性特性用無虛假響應(yīng)動態(tài)范圍來表示比較符合真實(shí)情況。對于靈敏度確定的接收機(jī)，三階截點(diǎn)越高，其線性特性越好，無虛假響應(yīng)動態(tài)范圍就越大，處理信號的能力就越強(qiáng)。

寬帶接收機(jī)的各級增益及三階截點(diǎn)的框圖如圖8所示，計(jì)算得系統(tǒng)的輸入三階截點(diǎn)為-26 dBm，信號帶寬為2 MHz，噪聲系數(shù)按4 dB計(jì)算，Pin,min≈-114+Fn+10lgB≈-106 dBm，無虛假動態(tài)約為53 dB。

圖7 無虛假響應(yīng)動態(tài)與1 dB增益壓縮點(diǎn)動態(tài)示意圖

圖8 寬帶接收機(jī)的各級增益及三階截點(diǎn)框圖

4 完成實(shí)驗(yàn)情況

該接收機(jī)進(jìn)行了外場試驗(yàn)，與采用波段濾波器的傳統(tǒng)接收機(jī)做了比較，模擬接收機(jī)的輸出信號如圖9所示。從圖9可以看出,空間存在173 MHz、510 MHz和870 MHz的信號，其中172 MHz的信號較強(qiáng)，且離工作頻率較近，只設(shè)計(jì)了波段濾波器的接收機(jī)，這個信號超過了接收機(jī)動態(tài)范圍。從圖9(a)可以看出，接收機(jī)處于飽和狀態(tài)，510 MHz的信號無法正常偵收。設(shè)計(jì)了梳齒濾波器組的接收機(jī)，對173 MHz的信號有一定程度的抑制，870 MHz的信號沒有進(jìn)入接收通道，接收機(jī)工作在線性區(qū)，510 MHz的信號可以正常偵收，如圖9(b)所示。當(dāng)173 MHz的信號強(qiáng)度較大，引起接收機(jī)飽和時，關(guān)閉200～272 MHz信道，其它信道可以正常工作，如圖9(c)所示。

圖9 模擬接收機(jī)的輸出信號

5 結(jié)束語

針對極其復(fù)雜的電磁環(huán)境，分析了多種數(shù)字直接式接收機(jī)的特點(diǎn)，兼顧成本、體積及可靠性等因素，提出了梳齒濾波的方案，在一定程度上解決了P波段寬帶接收機(jī)適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境的問題，使接收機(jī)既具有較高的截獲概率，又能夠適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境，大大增強(qiáng)了接收機(jī)的生命力。該接收機(jī)完成了外場試驗(yàn)，效果良好。