0.8～2 GHz單比特接收機的設(shè)計

王玉紅 秦睢睢 李兵

收稿日期：2023-08-29

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.06.013

摘? 要：文章設(shè)計的單比特接收機能在0.8～2 GHz頻率范圍內(nèi)對偵收的雷達信號進行快速測頻，并輸出頻率、保寬脈沖等相關(guān)信息，從而快速引導(dǎo)干擾設(shè)備進行干擾。該單比特接收機將測頻結(jié)果用于引導(dǎo)干擾源，具有頻率測量和頻率碼連續(xù)輸出、連續(xù)波判別、保寬脈沖輸出和BIT自檢等功能。單比特接收機的組成架構(gòu)在滿足瞬時寬帶寬、高靈敏度和實時處理等主要性能指標的前提下，還具備各組成模塊功能明確、控制獨立、調(diào)試方便等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：0.8～2 GHz；單比特接收機；快速測頻

中圖分類號：TN851? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2024）06-0058-04

Design of 0.8～2 GHz Single Bit Receiver

WANG Yuhong， QIN Suisui， LI Bing

（Nanjing Aerospace Industry Technology Co.， Ltd.， Nanjing? 210001， China）

Abstract： The single-bit receiver designed in this paper can quickly measure the frequency of the detected radar signal in the frequency range of 0.8 ～ 2 GHz， and output the frequency， wide pulse and other related information， so as to quickly guide interfering devices to interfere. This single-bit receiver uses the frequency measurement results to guide the interference source， and has functions such as frequency measurement and continuous output of frequency codes， continuous wave discrimination， wide pulse output， and BIT self-check. The composition architecture of a single-bit receiver not only meets the main performance indicators of instantaneous broadband， high sensitivity， and real-time processing， but also has the advantages of clear functions of each component module， independent control， and convenient debugging.

Keywords： 0.8～2 GHz; single-bit receiver; fast frequency measurement

0? 引? 言

傳統(tǒng)的IFM接收機組成簡單、技術(shù)成熟、模塊化程度高、體積小、成本較低廉，但工作靈敏度不高，同時到達信號適應(yīng)能力較差，延遲線精度易受溫度變化影響，帶來通道出錯或測頻精度下降[1-3]。模擬信道化接收機具有與IFM接收機相同的截獲概率和同等的測頻精度，但工作靈敏度高于IFM接收機，其最大的優(yōu)點是能測出同時到達信號的載頻[4-6]。然而本文研究需要較大的瞬時帶寬0.8～2 GHz，對于模擬信道化接收機來說，無論其設(shè)備量、體積、重量、造價都無法承受。單比特接收機最早由美國軍方空軍實驗室AFRL提出，后來其他公司開發(fā)了各種類型的單比特接收機作為數(shù)字瞬時頻率測量接收機[7]，單比特接收機具有以下主要特點：測頻精度高、瞬時帶寬高、體積功耗小、全數(shù)字實現(xiàn)[8]。故本文設(shè)計的接收機選用單比特接收機體制實現(xiàn)。

1? 單比特接收機的工作原理

單比特接收機原理及實物組成框圖如圖1所示。

圖1? 單比特接收機組成框圖

單比特接收機接收外部輸入的0.8～2 GHz帶寬的雷達射頻信號，雷達射頻信號進入單比特接收機后首先進入寬帶微波通道前端，寬帶微波通道前端的主要功能是實現(xiàn)將接收到的大動態(tài)范圍的射頻信號變換到超高速采樣處理板采樣模塊所需要的量程范圍。超高速采樣處理板的主要功能是通過高效快速的數(shù)字信號處理算法和高速實時信號處理硬件平臺，實現(xiàn)對射頻信號的直接采樣，完成對信號的快速實時測量，產(chǎn)生頻率碼和保寬脈沖等相關(guān)信息給后續(xù)引導(dǎo)設(shè)備[9]。

整個系統(tǒng)組成架構(gòu)設(shè)計在滿足瞬時寬帶寬、高靈敏度和實時處理等主要性能指標的前提下，盡量做到各組成模塊功能明確，控制獨立，調(diào)試方便。

2? 單比特接收機的設(shè)計

2.1? 寬帶微波通道前端

寬帶微波通道前端設(shè)計的技術(shù)難點主要有兩點。一是將大動態(tài)的射頻信號壓縮到一個恒定的電平范圍內(nèi)同時還要保證通道內(nèi)信號雜散、交調(diào)沒有明顯惡化和低噪聲。

為了保證系統(tǒng)的靈敏度和接收性能，必然要求整個微波接收前端內(nèi)具有良好的幅頻一致性、較低的雜散電平和較低的噪聲系數(shù)[10]。對于超高速采樣模塊，其輸入信號要求功率電平在-15～-5 dBm。而單比特接收機輸入信號具有較大的動態(tài)范圍，并且要達到較高的靈敏度，因此則需要輸入信號壓縮到一個恒定的電平范圍內(nèi)，還要保證小信號和大信號不失真，需要在較大增益前提下對大信號輸入在寬帶微波通道的性能進行詳細設(shè)計。

在通道內(nèi)采用多級放大的方式，通過合理分配各級放大器的增益和必要的衰減器來實現(xiàn)高性能的微波接收前端。

微波通道前端由多級放大器級聯(lián)組成，在各級放大器間級聯(lián)衰減芯片，增加電路穩(wěn)定性，通過器件本身性能保證在高低溫下的增益起伏，使輸出功率在數(shù)字采樣板的最佳工作范圍內(nèi)。

2.2? 超高速采樣處理板

本超高速采樣處理板采用采樣率為10 GS/s的超高速采樣電路，輸入射頻信號通過高速ADC進行單比特量化后，得到數(shù)字量化信號輸入到高速處理FPGA中進行信號檢測和頻率計算，得到結(jié)果通過接口芯片轉(zhuǎn)換為TTL電平后輸出。

本方案主要關(guān)鍵點在高速單比特量化、高速采樣時鐘產(chǎn)生和高速信號布局設(shè)計上，下面主要對這四個方面進行說明。

2.2.1? 高速單比特量化

所選芯片采用GaAs工藝，可將1路高頻模擬信號以1：16降速比輸出16路LVDS低速數(shù)字信號。輸出提供8分頻及16分頻時鐘供數(shù)據(jù)同步。采樣率可達14 GS/s，數(shù)據(jù)信號輸入動態(tài)范圍達34dBc適合高速數(shù)據(jù)信號的降速處理和數(shù)字化接收前端。

2.2.2? 時鐘芯片

時鐘芯片的主要功能是根據(jù)輸入的160 MHz晶振信號產(chǎn)生高速單比特ADC所需要的采樣時鐘，單比特ADC所需要的單比特采樣時鐘信號的頻率是

5.12 GHz，設(shè)計采用的高速鎖相環(huán)PLL芯片ADF4355。

VCO相位噪聲性能對整體系統(tǒng)性能起著關(guān)鍵作用，它可以提供穩(wěn)定的高精度的頻率信號，故選擇合適的PLL頻率合成器是系統(tǒng)設(shè)計的重要考慮。ADI公司的ADF4355寬帶PLLVCO頻率合成器完全滿足應(yīng)用中對壓控振蕩器相位噪聲的嚴格要求，可以確保相位噪聲盡可能低，擴展頻率范圍，縮小尺寸，擴大工作溫度范圍，從而降低風(fēng)險。

2.2.3? 電源設(shè)計

電源部分主要包括FPGA和高速ADC芯片的供電。

FPGA的供電主要包括FP_VCC_1P0V 、FP_VCC_1P8V、FP_VCC_2P5V、FP_VCC_3P3V四種電壓，采用2片LT4630A供電。LT4630A每一路電源的最大輸出電流為18 A，輸出電壓可調(diào)，足夠保證FPGA的正常工作。

2.2.4? 高速信號布局與設(shè)計

10 GS/s的采樣率使得時鐘和信號分布路徑的走線不能再按照集總參數(shù)電路的方法來處理，而應(yīng)該考慮到其傳輸線效應(yīng)、時鐘和信號分布電路相互之間的干擾以及其與其他片上關(guān)鍵信號路徑之間的干擾，即信號完整性問題。超高速采樣技術(shù)必須在有效的電磁仿真和實測數(shù)據(jù)聯(lián)合仿真分析的前提下進行。

超高速采樣處理板采取了對高速數(shù)據(jù)線“加擾”的方式，來避免數(shù)據(jù)線的長“1”、長“0”狀態(tài)，進而壓縮數(shù)據(jù)線帶寬，保證數(shù)據(jù)眼圖張開。產(chǎn)生與采樣時鐘同源且固定在某一速率范圍內(nèi)的偽隨機信號，和ADC高速率數(shù)據(jù)進行異或，經(jīng)高速異或門電路后的信號進入處理器，達到“加擾”的目的。電路設(shè)計時，充分考慮信號間的串擾、開關(guān)電源噪聲的污染、以及信號鏈路的信號完整性等，并進行了前仿真加后仿真的聯(lián)合設(shè)計。對成板電路進行實物介電常數(shù)、阻抗、插損等測試，再由這些實測參數(shù)指導(dǎo)進一步的仿真過程，設(shè)計出符合要求的超高速采樣電路。

高速信號仿真主要包括過孔優(yōu)化仿真、通過頻域仿真分析和時域仿真分析。整個系統(tǒng)為點對點通信，單個通道信號速率為10 GS/s。

2.3? FPGA軟件設(shè)計

FPGA處理軟件是實現(xiàn)單比特接收機功能的核心，決定著靈敏度、測頻精度等指標，根據(jù)本項目技術(shù)指標，F(xiàn)PGA處理算法進行針對性的設(shè)計。

FPGA處理算法的實現(xiàn)示意框圖如圖2所示。

軟件算法按照功能分為以下步驟：

1）高速數(shù)據(jù)接收。超高速采樣電路工作在10 Gbit/s，完成對輸入信號的采樣量化，量化后的數(shù)字信號通過高速串行收發(fā)器傳輸。接收端采用FPGA內(nèi)嵌的高速串行收發(fā)器GTH配對接收，收發(fā)器的參考時鐘由超高速采樣電路的隨路時鐘分頻產(chǎn)生，這樣保證了數(shù)據(jù)能夠穩(wěn)定的被GTH接收且不會產(chǎn)生累計誤差。FPGA內(nèi)部控制邏輯首先對接收完成的數(shù)據(jù)對齊保證采樣數(shù)據(jù)的同步；其次完成數(shù)據(jù)的順序切換，因為采樣時鐘相位的隨機性會影響ADC的DeMax輸出順序的變化；最后對調(diào)整好的數(shù)據(jù)按照算法所需的順序完成排序并整合。在完成時鐘域同步后送入高效超快速傅氏變換模塊進行運算。

2）超快速傅氏變換。超快速傅氏變換算法的是離散傅氏變換的快速算法，對離散傅里葉變換的算法進行改進獲得的，通過消除FFT過程中的乘法運算來減小FFT的復(fù)雜性。一個模擬信號，經(jīng)過ADC采樣之后，就變成了數(shù)字信號，數(shù)字信號就可以做FFT變換了。N個采樣點，就可以得到N個點的FFT結(jié)果。離散博里葉變換可以表示為：

，k = 0， 1， 2， …， N-1

式中，x（n）為輸入數(shù)據(jù)， 為核（Kernel）函數(shù)。如果輸入x（n）為±1，不需要在輸入數(shù)據(jù)和內(nèi)核函數(shù)之間執(zhí)行乘法運算。如果FFT只進行加法和減法運算，運算的復(fù)雜度將大大降低。為了避免FFT乘法，核函數(shù)被減少到1位。Kernel函數(shù)是一個復(fù)雜的函數(shù)，因此它不能用1位實數(shù)表示。表示核函數(shù)的最簡單方法是用1位表示虛部，用l位表示實部。從數(shù)學(xué)上講，它可以表示為：

核函數(shù)的值可以是方程中的4個值之一。在這條件下，F(xiàn)FT運算不需要乘法，最終通過減少運算復(fù)雜度達到瞬時計算的目的。

3）譜峰搜索。接著在高效MonibitFFT模塊的自相關(guān)輸出結(jié)果中進行最大頻譜搜索，即首先對自相關(guān)輸出結(jié)果進行取模運算，再在各信道中進行最大值比較。將峰值譜線的復(fù)數(shù)信息提取相位信息，并發(fā)送后續(xù)頻率精度測量模塊進行頻率精度估計，峰值譜線的模與確定的門限做比較，得到輸入信號的包絡(luò)信息，用作TOA和PW計算。

采用超高速接收算法并結(jié)合滑動FFT算法，可以滿足超高速采樣模塊輸出的高速采樣信號進行實時流水快速測量的需求。為了數(shù)據(jù)實時處理，不能對采樣數(shù)據(jù)逐點進行滑動FFT運算，需根據(jù)數(shù)據(jù)的變化來改變滑動的點數(shù)和FFT的長度并結(jié)合系統(tǒng)的各項指標以及硬件特性等綜合考慮。

4）頻率精測。每個FFT譜線的頻率精度，還不能達到設(shè)計要求的2.5 MHz檢測精度，這種情況下就需要對頻率進行精確測量，重心法進行頻率估計與FFT變換過程中的窗函數(shù)是直接相關(guān)的，假設(shè)采用矩形窗函數(shù)，那么等效于時域上幅度為1，寬度為T的矩形窗。矩形窗的頻域傅里葉變換是一個辛格函數(shù) ，峰值位于f = 0處，第一個峰值出現(xiàn)在±1/T位置。

通過MATLAB仿真形式對測頻精度進行仿真分析，得到結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看到測頻精度是可以達到設(shè)計要求的。

圖3? 頻率測量精度（r.m.s）

從單比特數(shù)字測頻的處理算法來看，通過FFT的方式劃分了信道，因此即使在檢測信號中存在數(shù)個功率接近的信號，經(jīng)過FFT后劃分到不同的信道中，不會對測頻精度造成影響。

5）編碼輸出。根據(jù)輸出結(jié)果的要求，對處理精頻率碼進行編碼并輸出。

3? 單比特接收機的測頻精度

測頻誤差fc由頻率測量誤差fstd和板上晶振的抖動誤差fq兩部分組成，且兩者相互獨立，故三者之間的關(guān)系如下式所示：

頻率測量通過時間差分方式實現(xiàn)，其表達式如下：

其中fs表示內(nèi)部數(shù)據(jù)率（常數(shù)），本方案中采用512點FFT，內(nèi)部數(shù)據(jù)率為40 MHz，θ表示時域測量的瞬時相位值，?θ = θn - θn-1，其中θn和θn-1獨立同分布。因此頻率的標準差為：

當信號的信噪比優(yōu)于8 dBc時，θstd ≈ 1 / SNR，因此：

其中，SNR = SNRin + G，其中G表示數(shù)字處理增益，約為15 dB，因為本項目的信號靈敏度要求不高，SNRin約為+40 dBc。因此SNR約為55 dBc，項目中fs = 40 MHz，計算得到fstd = 0.25 MHz。

本文選用的晶振是一款穩(wěn)定度為±20×10-6的頻率為160 MHz的差分晶振，能保證在工作溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定度為160 M×20×10-6 = 3.2 kHz，通過鎖相環(huán)倍頻到5.12 GHz后對測頻精度的影響fq = 0.1 MHz。因此根據(jù)上面公式可算出最終的測頻精度fc為0.27 MHz。

4? 單比特接收機的接收靈敏度

接收靈敏度是單比特接收機解調(diào)微弱信號并從中獲取信息的能力。單比特接收的信號質(zhì)量是通過計算接收的錯誤的比特數(shù)與接收的總比特數(shù)之比來衡量的，將采樣量化后的信號進行FFT運算，信號從時域變換到頻域進行處理，獲得信號的頻率和幅度等信息。由于雷達信號在頻域具有能量集中的特點，利用FFT運算進行頻域檢測，可有效提高檢測靈敏度。

接收機靈敏度描述的是能夠獲得有用信息的最低信號功率，這是接收機的最重要技術(shù)指標之一。接收機靈敏度計算式如下：

S = -174 dBm/Hz + NF + 101 gBW + SNR

對于本超寬帶數(shù)字接收機，接收機的處理能力SNR為+4 dB，暫定系統(tǒng)前級噪聲系數(shù)NF = 10 dB，BW取2 GHz，將上述參數(shù)代入下式：

S = -174 dBm/Hz + NF + 101 gBW + SNR

可估算出本設(shè)備接收機的靈敏度為：

S = -174 dBm/Hz + 10 dB + 63 dB+4 dB = -67 dBm

5? 單比特接收機的測頻時間

單比特接收機的測頻時間優(yōu)于200 ns。具體測頻時間計算如表1所示。

表1? 測頻時間表

序號 過程 時間/ ns

1 射頻通道 2

2 單比特采樣 30

3 高速數(shù)據(jù)接收 40

4 MonoFFT計算 64

6 譜峰搜索 32

7 頻率精測 25

8 編碼輸出 5

合計 198

6? 實現(xiàn)的技術(shù)指標

單比特接收機實現(xiàn)的技術(shù)指標如表2所示。

表2? 實現(xiàn)的技術(shù)指標

序號 指標項 實現(xiàn)的技術(shù)指標

1 工作頻率范圍 0.8～2 GHz

2 射頻輸入動態(tài)范圍 -55～-5 dBm

3 靈敏度 ≤-65 dBm

4 測頻精度 ≤1 MHz（r.m.s）

6 測頻時間 ≤200 ns

7 適應(yīng)信號脈寬 0.1 μs～CW

8 適應(yīng)周期范圍 2 μs～CW

9 適應(yīng)信號形式 常規(guī)脈沖、脈沖壓縮、脈沖多普勒、頻率捷變、連續(xù)波等；同時存在脈沖及連續(xù)波時，出連續(xù)波信號標志，出大信號的頻率和保寬脈沖

7? 結(jié)? 論

本文設(shè)計研制的0.8～2 GHz單比特接收機，經(jīng)過對該接收機認真詳細的設(shè)計工作，主要包括0.8～

2 GHz單比特接收機的寬帶微波通道前端、超高速采樣處理板以及FPGA軟件的設(shè)計，同時對主要技術(shù)指標進行了分析，實現(xiàn)了頻率范圍為0.8～2 GHz、測頻精度小、靈敏度低、測頻時間快，功耗小的單比特接收機，并在測頻系統(tǒng)中得到應(yīng)用，實際使用效果較好。

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作者簡介：王玉紅（1984—），女，漢族，江蘇徐州人，高級工程師，本科，研究方向：電子對抗工作；秦睢?。?985—），男，漢族，河南新鄉(xiāng)人，高級工程師，碩士研究生，研究方向：電子對抗工作；李兵（1981—）男，漢族，江蘇南通人，高級工程師，本科，研究方向：雷達干擾與模擬工作。