正交接收機綜合實驗裝置設(shè)計與實現(xiàn)

張靜遠， 濮懷宇， 王 鵬， 張洪剛， 唐 波， 譚思煒

（海軍工程大學(xué)a.兵器工程學(xué)院；b.教保處，武漢430033）

0 引 言

以目標(biāo)檢測與參數(shù)估計為主要內(nèi)容的統(tǒng)計檢測理論是信息與通信學(xué)科的基礎(chǔ)理論之一，是導(dǎo)彈、魚雷等精確制導(dǎo)武器實現(xiàn)目標(biāo)探測的核心技術(shù)。各大學(xué)電子工程、通信、雷達、聲吶、武器制導(dǎo)等相關(guān)學(xué)科專業(yè)都要求學(xué)習(xí)統(tǒng)計檢測理論。統(tǒng)計檢測理論，研究對象是各種復(fù)雜波形和噪聲等隨機信號，用到的數(shù)理基礎(chǔ)是概率統(tǒng)計和隨機過程理論，學(xué)生面臨著由傳統(tǒng)的解方程組給出確定性解到根據(jù)隨機事件的統(tǒng)計分析，給出最大可能性結(jié)果的思維方式轉(zhuǎn)變，這使得大多數(shù)學(xué)生極不適應(yīng)。正交接收機是隨機參量信號檢測的最基本形式，充分理解和掌握正交接收機工作原理與信號分析過程，是學(xué)習(xí)統(tǒng)計檢測理論的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［1-2］。

現(xiàn)有相關(guān)課程教學(xué)中對于統(tǒng)計檢測理論的講解大多是采用課堂講授、公式推導(dǎo)等方式，缺乏簡便直觀的實驗裝置對接收機工作原理與過程進行演示、測量和操作。現(xiàn)有裝備越來越多地采用數(shù)字化技術(shù)實現(xiàn)信號的檢測與參數(shù)估計［3-7］，通過實際裝備試驗難以準(zhǔn)確理解掌握檢測的基本原理。為解決教學(xué)實驗條件欠缺的不足，本文設(shè)計開發(fā)一種按正交接收機基本原理和處理過程實現(xiàn)信號檢測與參數(shù)估計的開放結(jié)構(gòu)的綜合實驗裝置，設(shè)計了嵌入式噪聲產(chǎn)生、門限產(chǎn)生和邏輯判別電路，輔以外接的信號發(fā)生器、示波器等設(shè)備，可為學(xué)員提供信號、噪聲以及正交接收機各處理環(huán)節(jié)信號特性的直接顯示，實現(xiàn)信號檢測與參數(shù)估計有關(guān)的實驗教學(xué)。同時，實驗裝置的開放式結(jié)構(gòu)最大限度實現(xiàn)了演示性實驗向?qū)W員自主探究式實驗的轉(zhuǎn)變，對于培養(yǎng)學(xué)員的主動性、探究性和創(chuàng)造性具有重要價值［8-15］。

1 正交接收處理的基本原理

正交接收機的數(shù)學(xué)表達式如下：

其可實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 正交接收機的結(jié)構(gòu)

由圖可見，這種最佳接收機將回波信號分成2個通道，每個通道做相關(guān)處理。由于2個通道相關(guān)處理的參考信號剛好相位相差90°，是正交關(guān)系，因此稱該接收機為正交接收機。

2 基于正交接收機的綜合實驗系統(tǒng)

2.1 實驗系統(tǒng)的功能

實驗系統(tǒng)以雷達、聲吶、通信探測以及導(dǎo)彈、魚雷等武器制導(dǎo)應(yīng)用為背景，以對回波信號的正交接收處理為基本形式。為此要求實驗系統(tǒng)應(yīng)該能夠全面展示信號、噪聲、不同信噪比的混合波形，反映正交接收機處理回波信號過程各環(huán)節(jié)的信號波形，還應(yīng)能夠提供檢測門限、檢測概率、虛警概率等的測量顯示，利用實驗系統(tǒng)可進行目標(biāo)（速度）參數(shù)測量估計和接收機工作特性測試?；谶@些考慮，確定實驗系統(tǒng)功能。

（1）產(chǎn)生回波信號。產(chǎn)生模擬目標(biāo)回波的理想信號，可以對信號的幅度、頻率進行調(diào)整。

（2）產(chǎn)生干擾噪聲信號。產(chǎn)生高斯白噪聲，信號的幅度可以調(diào)整。

（3）形成混合回波信號。對理想回波信號與干擾噪聲信號進行疊加，形成模擬真實目標(biāo)回波的不同信噪比的混合波形。

（4）對回波信號正交接收處理。能夠?qū)⒄惶幚磉^程各環(huán)節(jié)波形直觀顯示出來，便于觀察測量。

（5）產(chǎn)生正交處理參考信號?？梢詫⒖夹盘栴l率做出選擇性調(diào)整，以適應(yīng)不同的回波信號頻率變化。

（6）產(chǎn)生檢測門限。門限值可以根據(jù)需要調(diào)整，以模擬不同的門限設(shè)定。

（7）輸出檢測結(jié)果。給出檢測處理結(jié)果的輸出波形，從中可以測量檢測率、虛警率等。

2.2 系統(tǒng)的功能實現(xiàn)方式

從學(xué)生實驗操作來說，所用儀器設(shè)備應(yīng)盡可能少，布局和接線簡單明了，操作方便可靠，但必要的參數(shù)調(diào)節(jié)操作有利于加深對原理的理解，更是實現(xiàn)自主研究實驗必不可少的條件。為此，確定實驗系統(tǒng)的功能實現(xiàn)方式。

理想回波信號產(chǎn)生與波形參數(shù)測量：考慮到設(shè)備的復(fù)雜程度和加工成本以及故障修理等多方面因素，特別是實驗時關(guān)于回波信號幅度、頻率等參數(shù)精確調(diào)整需求，確定通過外接信號發(fā)生器產(chǎn)生理想的回波信號，通過外接示波器觀察波形，測量波形參數(shù)。

除了基本的正交接收處理功能之外，為減少設(shè)備數(shù)量，便于操作使用，將干擾噪聲信號產(chǎn)生、信號與噪聲混合相加、參考信號產(chǎn)生、檢測門限產(chǎn)生以及檢測結(jié)果判定、輸出等功能均通過專門的功能電路實現(xiàn)，并將其嵌入在實驗裝置電路中。通過外接電位計、開關(guān)等實現(xiàn)檢測門限電平、噪聲電平連續(xù)調(diào)節(jié)，控制噪聲電平是否接入。檢測結(jié)果通過測點和指示燈2種方式輸出，便于測量和觀察。

由此形成的正交接收機綜合實驗系統(tǒng)由正交接收機綜合實驗裝置、信號發(fā)生器和雙蹤示波器3臺儀器組成（見圖2）。絕大部分功能都集成到綜合實驗裝置，因此正交接收機綜合實驗裝置的設(shè)計尤為重要。

圖2 實驗系統(tǒng)組成框圖

3 正交接收機綜合實驗裝置

3.1 功能

根據(jù)實驗系統(tǒng)功能的實現(xiàn)方式，可得到正交接收機綜合實驗裝置功能組成如圖3所示。

圖3 正交接收機綜合實驗裝置的功能組成

具體設(shè)計如下：

（1）噪聲信號由功能電路產(chǎn)生，通過電位計由人工方式進行幅度連續(xù)調(diào)節(jié)。干擾噪聲是否接入接收機，通過開關(guān)由人工操作控制。

（2）為方便參考信號頻率調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同回波信號頻率的變化，將參考信號產(chǎn)生電路設(shè)計為多頻率檢測通道方式（等同于濾波器組），通過10檔波段開關(guān)實現(xiàn)10種參考信號頻率的選擇，每一參考信號對應(yīng)一最佳頻率的接收機。

（3）正交接收機是實驗裝置的核心，根據(jù)式（1）數(shù)學(xué)表達式和圖1所示的構(gòu)成形式，考慮工程實現(xiàn)可行性，將基本正交接收機理論上的“相乘—積分—平方相加—門限比較”過程，變換成為“相乘—濾波—整流（平方）—相加—積分—門限比較”運算過程，實現(xiàn)正交接收處理。其中將參考信號產(chǎn)生與混頻處理統(tǒng)一考慮，自行產(chǎn)生相位相差90°的2路方波參考信號，采用開關(guān)混頻方式，保證正交處理的相位準(zhǔn)確度。

（4）門限信號由功能電路產(chǎn)生，可通過電位計由人工方式連續(xù)調(diào)節(jié)幅度。

（5）電源電路設(shè)計為交流220 V外部供電，經(jīng)由保險后，通過開關(guān)人工控制通斷。裝置內(nèi)部通過獨立的電源模塊變換出電路所需的各種直流電源。

3.2 結(jié)構(gòu)

從實驗操控和測量顯示方便考慮，所有輸入、輸出接口以及操控開關(guān)、電位計、觀察點、指示燈等，均安排在同一面板上。由于觀測信號波形需要很多檢測點，為保證信號引出的可靠性，各檢測點設(shè)計為橡膠插座形式，并將面板平置，插拔插頭時上下用力。從方便維修角度對裝置的結(jié)構(gòu)和裝配進行了多輪優(yōu)化設(shè)計。除了電源模塊專門定制而獨立安裝外，將所有功能電路集成到一塊電路板上，通過2個排插座與面板器件實現(xiàn)信號連接。在箱體內(nèi)配置專門的襯板。裝配時將電源模塊和功能電路板安裝到襯板上，將襯板固定到機箱里，連接面板與功能電路板的2個線纜插座，將面板固定到機箱上面，即完成裝配。安裝、調(diào)試和維修極為方便。

3.3 操作顯示面板

為方便觀察和操作，將面板劃分區(qū)域布置相關(guān)元器件。中部核心區(qū)布置正交接收處理各環(huán)節(jié)波形輸出檢測點，按處理過程鏈路從左到右依次排列，共15個信號輸出檢測點。為了便于觀察結(jié)果，輸出判決結(jié)果同時對應(yīng)有指示燈顯示。上部區(qū)域布置外接信號和共用接地插座及外接供電指示與控制。下部區(qū)域布置功能電路所產(chǎn)生信號的操控器件。所有檢測點、操控元器件均標(biāo)注功能指示，特別是各檢測點之間按正交處理原理繪制功能電路框圖，各檢測點與原理相對應(yīng)，一目了然。整個面板如圖4所示。

圖4 正交接收機綜合實驗裝置面板

4 實驗系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 實驗系統(tǒng)的實踐教學(xué)功能

以正交接收機綜合實驗裝置為核心的實驗系統(tǒng)可以開設(shè)基本實驗、綜合設(shè)計實驗和自主研究實驗3種類型的實驗。

基本實驗是與正交接收機分析與調(diào)試相關(guān)的實驗。通過該實驗，可以驗證典型信號檢測接收機——正交接收機的工作原理、電路構(gòu)成，掌握正交接收機實現(xiàn)方法，觀察正交接收處理各環(huán)節(jié)的信號波形，定性了解并掌握輸入回波信號幅度、頻率參數(shù)和不同噪聲干擾、不同檢測門限對正交接收機工作的影響。

綜合設(shè)計實驗是以目標(biāo)速度測量與估計相關(guān)的實驗。通過濾波器設(shè)定波段開關(guān)，改變參考信號的頻率，實現(xiàn)對輸入信號頻率的測量，并進一步計算出目標(biāo)的徑向運動速度。

自主研究實驗是測試該正交接收機工作特性（ROC）。學(xué)生自主設(shè)計ROC曲線的形式，設(shè)計測試接收機ROC曲線的方法，利用綜合實驗裝置，設(shè)定不同輸入信噪比、不同檢測門限，在正交處理結(jié)果輸出端測量檢測概率和虛警率，繪制ROC曲線。

4.2 實驗結(jié)果

圖5（a）～（h）所示為示波器通過面板各檢測點獲取的波形，從波形對比中可直觀觀察對回波信號正交接收處理的過程。

圖5 正交接收機綜合實驗裝置各處理環(huán)節(jié)波形圖

4.3 應(yīng)用效果

該正交接收機綜合實驗系統(tǒng)經(jīng)過了數(shù)百人次的實驗教學(xué)使用，通過學(xué)生撰寫的實驗報告可以看出，學(xué)生對實驗現(xiàn)象和實驗結(jié)果進行了深入分析和思考，對提高學(xué)習(xí)興趣、加深對信號檢測與參數(shù)估計理論的理解有極大的幫助。

實驗裝置于2015年獲得實用新型專利授權(quán)（專利號ZL 2015 20 241 431.7），2017年獲得國家發(fā)明專利授權(quán)（專利號ZL 2015 10 188 668.8）。2018年，獲得第二屆湖北省高等學(xué)校自制實驗教學(xué)儀器設(shè)備成果一等獎，同年獲得全國高校教師教學(xué)創(chuàng)新大賽——第五屆全國高等學(xué)校教師自制實驗教學(xué)儀器設(shè)備創(chuàng)新大賽一等獎（證書號JS201 81021060）。

5 結(jié) 語

針對通信與電子工程領(lǐng)域關(guān)于統(tǒng)計檢測理論相關(guān)教學(xué)活動中基礎(chǔ)實驗手段不足的現(xiàn)狀，在充分分析正交接收處理基本原理與過程的基礎(chǔ)上，設(shè)計了正交接收機綜合實驗裝置和實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)為開展目標(biāo)信號檢測與參數(shù)估計等方面實驗提供了簡單、直觀、可靠的技術(shù)手段，在實驗教學(xué)中發(fā)揮了重要作用。