雷达中频模拟器（通用6篇）
雷达中频模拟器 篇1
1 引言
在教学中, 由于某型雷达缺乏海洋环境, 没有海面目标, 给实际的操作训练带来很大的局限性, 基于此, 研发了与某型雷达相配套的中频回波模拟器, 使雷达不开发射机的情况下, 便能实现对目标的观察与操作。另一方面为雷达信号处理系统提供了信号源, 在教学过程中, 便于观察信号处理系统对中频信号的处理过程, 甚至可以作为信号处理系统的性能测试和改进信号源使用, 具有较好的应用前景。
本设计采用通用微机与中频模拟器结合的方式。上位机进行目标类型、航向、航速、航迹等参数设定, 并将相关数据送往模拟器数据处理模块, 产生相应的目标回波信号;另一方面通过上位机可以选择不同的海杂波模型, 从而通过专门模块产生海杂波信号, 而后将目标回波与海杂波信号合成一路送往信号处理系统。
2 系统硬件组成
图1为本模拟器的硬件都成框图。
上位机由一台笔记本电脑和终端控制软件组成, 终端软件可输入目标初始参数信息 (运动目标航迹、速度、类型) 及杂波信息等, 提供给DSP, 由DSP产生回波实时参数。同时, 终端软件具有P显功能, 能够显示实时态势, 便于教学、训练使用。
DSP模块完成与上位机之间的通信, 接收上位机传输来的控制数据、目标初始参数等, 完成对目标实时参数 (回波延时、出现方位、幅度等) 的计算, 并对CPLD、DDS、数控衰减器进行控制, 产生逼真的目标回波信号。另一方面控制海杂波信号支路产生指定功率谱的杂波信号, 用来模拟海杂波。
CPLD主要用于数据缓冲, 提高系统的实时性, 具体过程为:利用DSP内置程序算法完成目标回波参数的实时计算, DSP计算下一重频周期目标的参数数据及控制字, 并将其输入缓冲队列, 而当前重频周期的各目标参数数据及控制字由CPLD控制逻辑来完成。即在CPLD有两个参数队列:一个队列内存放当前重频周期内要写入的参数, 另一个队列存放下一重频周期内要写入的参数, 在同步脉冲的控制下, 两个队列轮流工作, 如图2所示。
DDS模块在DSP的控制下产生指定参数的线性调频信号。DDS技术与传统的模拟式回波产生相比, 具有频率分辨率高、相位噪声小、稳定度高, 易于调整和控制灵活等优点, 特别适合用于各种复杂波形的产生和模拟, 因而在通信、电子测试等领域已经得到广泛运用。本设计中采用AD9854芯片, 它可以产生信号的最高频率为120MHz, 频率精度为10-6Hz, 具有single-tone、chirp、FSk、ramped-FSK、BPFSK五种工作模式, 能够灵活生成包括线性调频、非线性调频、相位编码、移频键控在内的多种信号波形[1]。满足本雷达所需要的线性调频信号的需求, 能灵活的对回波的目标特性进行控制, 具有较好的可编程性。DDS结构及工作流程如图3所示。为了提高系统的实时性, 降低由于目标航迹交汇等产生的计算量增加, 采用一块单独的DDS用于产生海杂波信号, 一块DDS只用于产生一个目标回波, 实际制板时, 4块DDS芯片位于一款印制板, 也就是说对于目标DDS印制板, 每增加一块可以增加四个目标回波, 在应用中, 可以根据需要和成本增加目标DDS印制板的数量。
数控衰减器在DSP的控制下, 对目标按照距离远近进行幅度上的增益控制。根据雷达距离方程, 雷达回波的强弱与距离的4次方成反比。因而雷达回波有较大的动态范围。在本设计中, 直接使用宋衰减芯片, 是对目标的衰减控制方便灵活。在型号选用上, 选用了AD8324芯片, 它采用模拟放大器和数控的电阻衰减网络实现对信号的步进增益控制, 其8位串行控制字使增益调节方位达到59d B, 步进为1d B/LSB, 在整个增益变化范围内, 信号最大带宽为100MHz[2], 作为一款低噪声、低失真、低功耗、低成本、大动态范围的数控增益放大器, 满足系统要求。
杂波信号产生模块产生具有指定功率谱的杂波, 用来模拟海杂波。雷达所接收到的回波可以理解为大量独立单元反射的合成[3], 它们之间具有相对的运动, 其合成回波具有随机的性质。其由于杂波的内部运动, 各反射单元所反射的多普勒频率值不同, 这就引起杂波谱的展宽。对于回波模拟器来说, 感兴趣的是杂波的功率谱, 所以我们只需要产生具有指定功率谱的杂波即可。
中频信号合成单元采用用于将杂波及目标回波相加合成一路信号, 得到最终的模拟中频信号。
图4为本系统产生的单一模拟活动目标某一时刻回波。
3 结语
本系统在设计时综合利用DSP、DDS、数控衰减等技术, 在上位机通过绘制目标航迹, 设置目标参数, 可以产生多种类型目标回波, 控制灵活多样, 通过实装验证, 回波信号逼真, 满足训练需求。本系统甚至可以用来作为信号干扰源使用, 将模拟产生的各种干扰信号, 雷达开发射机的实际回波信号, 在中频端进行相加, 再送往信号处理系统, 便可展开雷达反干扰训练, 或者用来测试雷达的抗干扰能力。总体来说本系统有较高的使用价值和广泛的用途。
参考文献
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[3]沈虹.雷达中频信号模拟器[D].南京理工大学, 2003:8-13.
雷达中频模拟器 篇2
1 系统组成
雷达中频信号模拟器由模拟器组合和电源组合组成,中频信号模拟器组合组成框图如图1所示。
2 中频信号模拟器总体设计
中频模拟器主要由反射波形模拟单元、和差支路模拟单元、模拟控制处理器及通信接口几部分组成。
系统工作原理:模拟控制处理器实时接收雷达主控机的控制字,按雷达天线波束指向,判断当前目标是否在波束内,若在波束内,则按目标距离和工作模板产生相应距离和波形的模拟回波[2]。模拟回波经过四功分后,按天线方向图、目标距离、速度等控制模拟回波的多普勒频率、各路信号幅度、差支路相位,从而模拟出近似真实的雷达回波信号。
模拟波形产生采用数字正交调制和高速D/A转换器实现,距离衰减模拟和角度衰减模拟采用高精度数控衰减器,相位跳变采用0/π转换器,系统控制和目标参数计算采用CP6000计算机,系统总线采用CPCI总线。
3 模拟器中频组合
3.1 组成及功能
模拟器中频组合是中频模拟器的关键,其功能是完成反射波形产生、反射支路角度模拟。信号模拟组合的插件主要有:1块模拟器控制器主板、2块信号产生插件、1块杂波产生插件,2块数控衰减插件、CPCI总线底板、电源插板、1块同步信号传输插件,3块功率分配插件,2块合成器插件等。
3.2 模拟器控制器主板
3.2.1 主板功能
模拟器控制处理器是模拟器的控制中心,其主要功能是接收雷达主机发送的控制字,实时计算出目标距离、多普勒频移、距离衰减量、角度衰减量等,并按时间顺序送出这些控制量,控制系统硬件电路工作,产生相应的模拟回波。
3.2.2 软件工作流程
模拟器的主要功能由各单元电路和相应的软件来实现。软件主要模块有:系统初始化模块、目标参数计算及波束内目标查找模块、目标参数输出模块、控制字接收模块等。主程序流程图如图2所示。
3.3 信号产生插件
3.3.1 功能
反射信号产生插件产生线性调频波形,同时实现距离延迟模拟和多普勒频率调制。
3.3.2 波形产生原理
波形产生采用数字正交调制技术实现。
首先模拟器主控板CP6000计算各种线性调频基带波形数据,在模拟器加电初始化过程中将波形数据I(n),Q(n)送入信号产生插件双端口RAM,在模拟器工作中,信号产生插件将双端口RAM中的数据取出,送DAC5686芯片,在DAC5686芯片中完成数字基带波形数据I(n),Q(n)与DDS产生的正交载波信号cos(2π(f0+fd)n Ts),sin(2π(f0+fd)n Ts)相乘,然后相加再经过D/A转换,得到cos(2π(f0+fd)t)波形,即带多普勒调制的中频回波信号,DDS载波频率为f0+fd,这样实现了波形模拟和多普勒频率调制。对不同的信号模型采样,即产生不同要求的模拟波形。
3.3.3 波形产生器件选用
波形产生采用DAC5686芯片实现。它内部集成有数字正交调制器、32位的DDS、16位的高速D/A变换器,DDS工作时钟可达320 MHz,最高输入数据率可达160 MHz。
3.3.4 距离延迟实现原理[3]
距离延迟单元产生相对发射脉冲具有一定时间延迟的目标距离回波脉冲。按技术指标的要求,目标的径向距离R与延迟时间τ之间有以下关系:
式中C=2.997 924 58×108m/s为电波在空气中的传播速度。
3.3.5 实现方法
距离延迟采用高速数字计数器实现。由计数器产生的距离延迟脉冲启动正交调制器产生中频脉冲信号。同步信号到来后并以此为基准,计数器开始计时,当计数器计数到达模拟器计算机送来的距离延迟码后,输出目标脉冲信号,实现目标距离延迟。计数器采用高速可编程逻辑器件EP1C12,计数器长度23位,可以满足16个仓的距离模糊延迟需要。
距离计数器时钟为120 MHz,距离精度为1.25 m。
3.4 功率分配器插件设计
3.4.1 功能
完成对反射信号四功分,三路用来产生和差信号,一路用来自检。功率分配插件只有一个功分器组成,将输入信号进行四功分。
3.4.2 设计原理
该插件由功分器组件以及供电电路组成。设计方法如下:首先确定相对带宽,根据频率计算中心频率fm=(fa+fb)2(fa,fb分别为上、下限频率),确定各端口的波纹系数:
输入端口波纹系数:ρ0 max=设计频带内波纹大小ρm;
输出端口波纹系数:ρi=1+0.2(ρm-1);
输出端口最小隔离度:Imin=20 log 2.35ρm-1;
T型节处阻抗变换比为4。
3.5 数控衰减插件
3.5.1 功能
对中频调制信号进行幅度衰减加权,加权的内容为距离衰减加权,距离衰减加权应符合雷达作用距离方程。
对方位差支路、俯仰差支路幅度加权,加权符合目标偏离波束指向的方向和大小。
3.5.2 工作原理
数控衰减插件工作原理是模拟回波信号经四功分器后,一路送自检,另三路信号分别经过相移数控衰减器形成和支路、方位差支路、俯仰差支路的模拟信号,两个差支路有0/π转换器,用于模拟目标偏离波束的方向。
3.5.3 和支路距离因子模拟设计
目标回波随距离的衰减特性可由雷达方程确定,将雷达方程化简为式(2):
式中:C0为由雷达参数确定的常数;Pr为目标回波的功率,单位:W;R为目标到雷达的距离,单位:m。
由此可见雷达接近目标回波的功率与目标到雷达的距离R4成反比。
距离因子的模拟是通过相移数控衰减器来控制中频脉冲幅度变化进行的。由于目标距离不同,接收信号强弱变化。距离因子衰减码的算法为式(3):
式中:ΔA为距离因子衰减码;RX为目标距离;Rmin为目标最小距离。
3.5.4 目标角度模拟
目标角度模拟是实时模拟由于天线扫描或目标运动,使天线波束相对目标位置不断改变而造成接收雷达回波信号变化。角度模拟主要是对雷达天线方向性图的模拟。所以角度模拟输出Uθ可用式(4)表示[4]:
式中:E0为波束对准目标时接收信号归一化值;Fθ为雷达天线方向性图函数。目标角度模拟是按目标角度特性对回波信号进行方向幅度加权及相位变化来逼真地模拟目标角度信息。
方位俯仰信号的衰减码的算法见式(5):
式中:Δα为主阵方位与目标方位的差,单位:(°)。
角度模拟原理框图如图3所示。
数控衰减器采用的数控衰减组件,衰减范围为63 d B,衰减精度为0.5 d B,衰减量改变时相位变化小于2°;0/π转换精度小于2°,可以保证输出和差三路相位一致性不大于5°。
3.6 信号合成插件
3.6.1 功能
信号合成插件实现将两路和差信号合并为一路送中频接收机。
3.6.2 设计原理
该插件由合成器组件以及供电电路组成。合成器组件由加法电路组成,相应的输入电阻决定了输入电压对电路的作用,反馈电阻的比例决定增益的大小,将输入电阻设计为相等,为避免静态偏移,将相同端用电阻接地。实现对同波束两目标三路信号共6路信号(和1、和2、差11、差12、差21、查22)的合成。
4 结语
中频模拟器主要由反射波形模拟单元、和差支路模拟单元、模拟控制处理器及通信接口几部分组成。模拟器产生了带有航迹参数(R,A,E及VR)调制的中频回波信号波形。实现了雷达各分系统对接试验和模拟试验、雷达系统的功能测试和检查功能。该设计方法适用于设计和研制其他相控阵雷达的中频模拟器。
参考文献
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[7]楼宇希.雷达精度分析[M].北京:国防工业出版社,1979.
[8]杨榜林.军事装备试验学[M].北京:国防工业出版社,2002.
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雷达中频信号数字化研究及实现 篇3
随着微电子技术、计算机技术和数字信号处理技术的迅速发展,无线通信技术也取得了空前的发展,无线通信系统中数字化体制逐渐取代模拟体制,无线通信的功能也由用复杂的硬件转变为用灵活的软件完成,因此产生了软件无线电技术。
软件无线电的核心思想是构建一个标准化、模块化的通用硬件平台,将各种通信功能,如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式和通信协议等用软件来完成。并使高速宽带A/D和D/A转换器尽可能地靠近天线,以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统,即把高速DSP芯片、通用CPU芯片或高速FPGA芯片作为无线通信系统硬件平台的核心数字信号处理器,将尽可能多的通信功能用软件来完成。目前可以实现的软件无线电系统大都在中频(IF)范围内进行数字化,在基带内使用通用数字信号处理器来完成数字信号处理的。而雷达中频信号数字化位于雷达信号处理系统的最前端,其实时性和精度直接影响雷达的工作性能。现代高性能雷达信号处理技术的发展对雷达接收通道的要求越来越高,其中的关键技术之一就是对模拟带通信号进行相干检波,得到相互正交的双路信号。它保留了信号复包络的所有信息(幅度、相位等),因而在雷达、声纳、通讯及仪器仪表等电子系统中得到了广泛的应用[1]。
1 中频数字化系统硬件设计
整个雷达信号处理流程如下:首先对来自接收机的中频信号进行A/D采样转换,经过符号校正、直流抑制后,进行数字正交处理,形成I、Q正交数字视频信号;然后通过LVDS总线将已处理的数字视频信号传至后续板进行频域脉冲压缩、恒虚警处理、多电平检测以及多目标累积等;最后通过自适应动目标显示(AMTI)、自适应动目标检测(AMTD)或脉冲多普勒(PD)技术来确定目标信息。
中频后的信号处理主要包括高速数据采集,数字下变频及DSP基带处理三部分,本文吸取了软件无线电的思想,采用可编程逻辑器件设计了基于LVDS总线拓扑结构的中频数字化方案。该方案采用通用化设计,电路功能灵活、集成度高,同时考虑到系统升级的需要,硬件资源留有一定的余量。中频数字化的主要任务是将各种调制信号从中频变换到基带,这部分设计主要包括信号采集电路设计、中频数字化电路设计、逻辑控制电路设计和系统自检电路设计。具体的实现框图如图1所示。
其中,FPGA采用Altera公司的EP2C20F484I8,主要用来实现中频信号数字化算法,包括直流抑制、数字正交、数据组帧及传输等;配置芯片/数据库选用Altera公司的专用配置芯片EPCS64,兼做自检数据库用来存放雷达自检数据;DSP采用TI公司的TMS320LF2407A,主要负责与上位机之间的数据通讯
以及与FPGA之间的数据交换,并通过SPI口完成对自检数据库的加载和读取。
1.1 信号采集电路设计
信号采集电路一般由放大器、抗混叠滤波器、A/D转换器、时钟、输出接口等组成。此电路主要由运算放大器AD8056、匹配滤波电路和模/数转换器AD9240组成,负责完成中频数据的采集工作[2]。ADuM1400是数字隔离器,主要用来隔离模拟干扰并进行电平匹配(将A/D转换器的CMOS电平输出转换为FPGA可兼容的LVTTL电平)。滤波电路是一个由LC电路组成的低通滤波网络,对输入信号进行前置抗混叠滤波。由于采用双通道运算放大器做前级电压放大,因此能有效抑制中频信号上的电压纹波以及加载在中频信号上的信道噪声。
1.2 中频数字化电路设计
数字下变频是中频数字化处理的核心,该部分采用Altera公司的基于90纳米SRAM工艺查找表结构的CycloneII系列可编程逻辑器件EP2C20F484I8来完成。FPGA中频数字化原理图如图2所示[3]。当系统进行自检时,输入FPGA的是来自自检数据库EPCS64中预存的雷达自检数据;当系统正常工作时,输入FPGA的是来自A/D采样的雷达回波数据。A/D是14位二进制原码输出,经过符号校正(将最高位反号后即可变为二进制偏移码)后,送入FPGA进行直流抑制,直流抑制是为了减少接收机和A/D采样电路中可能存在的直流漂移对信号处理的影响。直流抑制后的信号可以认为是雷达回波的原始信号,经过六阶Bessel内插滤波并加入校验码后,即可形成I、Q双路视频数据。
1.3 逻辑控制电路设计
雷达信号处理可通过控制板和录取终端来设置信号处理各种参数和对信号处理进行管理和控制。控制面板采用琴键方式对信号处理进行参数的设置和控制,录取终端通过CAN总线对信号处理进行STC编辑、选择和背景视频的设置和控制。
整个系统的工作流程如下:系统上电后,管理DSP首先与FPGA通讯,检测FPGA是否工作正常。FPGA正常后,DSP和FPGA一起逐一对外部SRAM和内部SRAM进行检测;之后,管理DSP通过内部通讯总线与其他插件的管理DSP建立连接,并以此检测其他插件的管理DSP是否正常,然后逐一询问每个插件的BIT(相当于系统中各个板卡的ID号)情况,最后将所有插件的检测结果上报到外部CAN总线,管理DSP是否正常由上位机进行检测。自检数据监视电路可以监视通过LVDS数据总线传过来的其他插件的监视数据,实现集中监视功能。监视数据的切换由插件之间的管理DSP通讯实现。
本系统中,工控机(上位机)通过CAN总线对系统工作模式以及状态参数等进行现场重构,DSP作为控制芯片主要负责与上位机之间的数据通讯以及与FPGA之间的数据交换,并通过SPI口完成对自检数据库的加载和读取。 本方案选用TI公司的16位定点DSP TMS320LF2407A作为控制管理芯片,LF240xA系列芯片采用高性能静态CMOS技术,提供低成本、低功耗、高性能的处理能力。此外,该系列DSP控制器将实时处理能力和控制器外设功能集于一身,为控制系统提供了一个理想的解决方案。
1.4 系统自检电路设计
系统具有完善的自检功能,系统有自检时钟和自检数据库,通过上位机工作状态参数设置来实现工作状态和系统自检之间的转换。当系统转换为自检状态时,系统利用自检数据库,通过改变分机面板上的按键改变监视口的波形输出,比较输出波形与标准波形来检测插件的工作是否正常。
FPGA送出的自检数据通过数字隔离器ADuM1400进行电平匹配(将FPGA输出的LVTTL电平转换为D/A转换器可兼容的CMOS电平)后,通过D/A转换器AD9752将模拟数据送入示波器,将示波器上观测到的波形与标准波形相比较,即可很容易的检测插件的工作状态。
2 中频数字化系统软件实现
2.1 基于FPGA的中频数字化软件设计
FPGA选用的Altera公司的CycloneII系列的芯片,因此选用该公司的QuartusII 6.1集成设计工具,它集成了整个开发流程所需的各种工具,还可以直接调用第三方开发的各种仿真、综合工具。支持多种输入方式,包括原理图输入、VHDL/Verilog硬件描述语言输入和状态机输入等,提供大量的IP核,提供测试激励生成工具等。
在系统设计过程中,采用自顶向下的设计方法,从系统的总体要求出发,由上至下地逐步将设计内容细化,最后完成系统硬件的总体设计。
采用原理图与VHDL语言混合编程的方法编写FPGA程序。FPGA主要用来实现中频信号数字化算法,FPGA中频数字化程序主要包括直流抑制、数字正交、数据组帧及LVDS总线传输等。
为减少接收机和A/D采样电路中可能存在的直流漂移对信号处理的影响,本系统在设计中增加了直流抑制电路。直流抑制的设计思路是:在直流抑制使能信号sltSNE控制下将512个数据的累加, 并在sltSNE上升沿清零,通过锁存器(sltSNE为锁存脉冲)和D触发器实现数据延时对齐,并计算直流漂移的数值。在第4个同步接收周期到来之后,将接收到的数据减去上个周期计算所得的直流漂移值即可完成直流漂移的修正。数字正交采用六阶Bessel插值法,插值前须经过符号校正。处理时只对经过符号校正的奇次采样值进行插值运算,偶次采样值经符号校正和延迟对齐后直接输出。
2.2 基于DSP的逻辑控制软件设计
工控机(上位机)通过CAN总线对系统工作模式以及状态参数进行现场重构,DSP主要负责与上位机之间的数据通讯以及与FPGA之间的数据交换,并通过SPI口完成对自检数据库的加载和读取。DSP作为控制芯片主要负责与上位机之间的数据通讯以及与FPGA之间的数据交换,并通过SPI口完成对自检数据库的加载和读取。其工作流程如图3所示。
当DSP上电复位后,首先完成系统的初始化,包括I/O口参数设置(I/O口复用方式、数据和方向控制等)、SPI口参数设置(方式选择、数据宽度、波特率等)、CAN邮箱参数设置(邮箱对象选择、标识符设置、波特率等)以及片内资源分配等。当CAN总线上出现数据流后,判断数据流的类型,以查询或中断的方式与主机进行通讯,保存现场后转入相应的子程序,子程序执行完毕后跳入主程序并恢复现场。
3 结束语
整个系统采用通用化的模块设计,增大了系统的灵活性,可根据系统的不同要求,在不对硬件电路作任何改动的情况下,设计出满足不同指标要求的系统结构。最后,在各自的开发平台上进行了系统的软件设计和仿真,中频信号数字化后幅度一致性在±0.2 dB之间,相位正交性在90°±0.5°之间,达到了系统的预期设计指标。 在本设计中,也有一些地方需要改进,可使系统性能进一步提高。
从工程实践经验来看,基于FPGA+DSP的硬件平台构架灵活、接口方便、功能互补、相辅相成,非常适合于信号处理和无线通信等领域,是未来的发展方向。FPGA作为信号处理算法实现的有力工具,其高速性、灵活性、集成性和通用性在电子和通信领域的应用将会越发深远,前景让人拭目以待。
参考文献
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雷达中频模拟器 篇4
风廓线雷达是近20多年来发展起来的新型测风遥感设备,它以晴空大气作为探测对象,利用大气对电磁波的散射进行风场的测量[1]。风廓线雷达发射的电磁波在大气的传播过程中,因大气折射率的不均匀分布而产生散射,其中,后向散射能量被风廓线雷达所接收,根据多普勒效应,当目标物相对雷达波束方向存在径向运动时,接收信号的频率和发射信号的频率产生偏差,称为多普勒频移,根据多普勒频移,再经过一定的信号与数据处理可以得到大气的风场信息。通过多普勒测速和无线电测距原理的结合,进而可以得到不同高度上的风场信息,从而获取大气风廓线。传统的模拟接收机,信号处理方法比较单一,信息传递容量有限且处理速度精度都受到一定限制,而基于软件无线电技术[2],以通用可编程逻辑器件为基础搭建硬件平台,以算法和软件来进行信号处理的中频数字接收机技术近年来发展迅速[3]。
1 中频数字接收机系统的设计
雷达接收机是雷达系统的重要组成部分,它的主要功能是对雷达天线接收到的微弱信号进行放大、变频、滤波及数字化处理,同时抑制来自外部的干扰、杂波以及机内的噪声,使信号保持尽可能多的目标信息,用以进行进一步的信号处理和数据处理。
本设计中的中频数字接收机系统框图如图1所示[4],采样过程是带通采,通过带通采样后,信号的固定中频能降到一个更低的中频,由于本振采用数字本振方式,本振正弦波信号频率能够通过编程很容易调节,频率精度很稳定而且能够很好地控制其相位,数字本振频率和降低后的中频信号频率一致,经过两路正交混频并滤波后,就得到了零中频的基带I、Q信号[5]。
风廓线雷达的发射信号,一般是等幅、单色(频谱很窄)的脉冲波,称为载波,可以表示为:
式(1)中,a(t)是幅度,w0是载波频率。
载波在传输过程中受到湍流大气的散射,散射过程可以看作是对雷达载波的调制,使载波幅度和频率都发生了变化,回波信号以复函数形式可以表示为:
因为气象目标为弥散的体目标,回波信号是散射体内所有起散射作用的湍涡共同作用的结果,从回波信号中可知,a(t)e-jat是载波的包络,称为包络信号。它包含了散射体内湍涡的散射强度与速度信息。当用实函数形式表示时,可以表示为:
该(3)式可以改写成如下形式:
式(4)中, I(t)=a(t)cos[φ(t)] (5)
Q(t)=a(t)sin[φ(t)] (6)
方程(5)和(6)称为I、Q信号,分别是包络函数的余弦分量和正弦分量。I、Q路信号与气象回波信号的振幅和相位的关系为:
2 数字下变频
2.1 带通采样
奈奎斯特采样定理要求采样频率都至少大于信号最高频率的两倍,信号才可以无失真地恢复。在实际应用中,常常遇到的是窄带信号,对这类信号,在不产生混叠的情况下,采样频率并不需要最高频率的两倍,即带通采样[6]。它能以低于信号最高频率二倍的频率对信号进行采样。带通采样的应用,大大降低了采样率,也大大降低了对ADC器件和后续数据处理能力的要求。在带通采样中存在一个最佳采样频率,使得采样后的频谱重复间隔最大,从而尽量减弱由于频谱折叠进入带内的噪声能量,或者降低抗混叠滤波器的带外抑制要求[7]。其最佳采样频率可以表示为:
本设计中雷达发射接收机的载波频率设为60 MHz,采样频率采用48 MHz,即可恢复原信号,经过采样后信号的频率变为12 MHz。
2.2 正交解调
对接收到的模拟信号经过ADC采样数字化后形成载频为12 MHz的数字序列,然后分别与两个频率为12 MHz的本振正交数字序列相乘,在图1中两个正交本振的形成和相乘都是数字运算的结果,只要确保运算的精度,其正交性是完全可以得到保证的[8],经过数字混频正交变换,得到基带I、Q信号,然后再进行抽取和滤波处理。
2.3 抽取和滤波
2.3.1 CIC积分梳状滤波器
由于基带信号带宽比较窄,在进行混频后,为了降低后端数据处理的压力,在进行滤波前先用CIC滤波器进行滤波并抽取。
CIC滤波器具有简单的结构,它的冲激响应形式为:
其中,D是CIC的滤滤波的阶数,也是抽取因子。其频率响应函数为:
由于单级CIC滤波器阻带衰减差,为此可以采用多级CIC滤波器级联的方法。N级CIC滤波器级联的频率响应为:
2.3.2 FIR滤波器
输入为、冲激响应为、输出为的FIR滤波器为:
FIR滤波器是指冲激响应函数h(n)为有限个数据点的滤波器,FIR滤波器是由一个“抽头延迟线”加法器和乘法器的集合构成,FIR滤波器相对于IIR滤波器具有许多独特的优点:严格的线性相位、同时可以满足任意的幅度特性要求,也具有很好的稳定性。
由于CIC滤波器的通带不够平坦,带内具有单调特性,对于一些要求较高的情况须对通带作一定的补偿才能应用,因此,系统在此滤波器后加一级补偿滤波器CFIR,作用是将CIC滤波器损失部分补偿至平坦,最终实现I、Q数据的滤波[9]。
本设计中CIC滤波器的抽取因子设为8,将48 MHz降至6 MHz数据率输出,差分延迟为1,阶数为5;CFIR滤波器采样频率设为6 MHz,抽头数为40,阻带衰减为60 dB。CIC滤波器、CFIR滤波器级联后的幅频响应如图2所示,从图中可以看出经过级联后的滤波器幅频响应达到了设计要求,在带宽内较为平坦。
3 基带信号处理
3.1 相干积累
风廓线雷达所处理的信号一般为弱信号。在晴空条件下,单个脉冲的回波SNR为非常小,直接从单个回波脉冲之中获得风廓线信息几乎是不可能的。根据泰勒冻结湍流假设和雷诺湍流原理的基本理论,可认为风廓线雷达回波信号是相关的,为了从回波信号中获取信息,一般需要进行回波信号积累[10]。设发射机发射信号的频率为60 MHz,接收机接收到某一高度的回波信号,由于空气中存在大气湍流以及噪声影响,其回波中含有高斯白噪声并且有用信号产生频偏,假设频率由60 MHz变为600—1 000 Hz,该回波信号经过带通采样、数字下变频、抽取滤波、相干积累后的基带I、Q信号波形如图3所示,通过时域相干积累,回波信号信噪比可以得到有效的提高。
3.2 快速傅里叶变换(FFT)和谱平均
风廓线雷达信号处理需要获得信号的多普勒频移,由于风廓线雷达回波信号SNR非常低,即使是相干积累之后的回波信号,其SNR依然比较低。将时域相干积累后的I、Q信号进行复数快速傅里叶变换(FFT)变换就可以从噪声中较准确地提取回波频谱,所以频移的获取主要依靠频谱分析。
所获得的谱数据中,信号的谱是相关的而噪声的谱是非相关的,因此,可以对谱数据进行积累以提高SNR。功率谱的积累是一种非相参积累,只要进行足够的频域积累,就可以获得较高质量的功率谱。将接收到的回波信号进行时域相干积累后,最后对其进行FFT变换和谱平均处理,其频谱如图4所示,从图中可以明显地看出回波信号的多普勒频偏为1 kHz,进而可以根据多普勒定理求出风场信息。
4 结束语
目前,中频数字化技术在数字接收机领域得到广泛应用,本文研究了基于中频数字化技术的一种风廓线雷达数字接收系统的设计方案,包括带通采样、数字下变频、抽取滤波、基带I、Q数据处理等,分析仿真结果表明,该方案对于处理风廓线雷达的低信噪比回波信号,改善接收机性能是十分有效的。
摘要：风廓线雷达是用于大气风场探测的无线电遥感系统,传统的雷达接收机采用模拟接收机,结构繁琐且信号处理精度不高。基于软件无线电,运用中频数字化技术,提出了一种数字化接收机的设计方案,包含中频采样、数字下变频、IQ数据处理等。通过对方案进行仿真和测试,验证了方案的可行性。
关键词：风廓线雷达,软件无线电,数字接收机,中频数字化
参考文献
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数字中频和模拟中频频谱仪的比较 篇5
原理及设计对比
为了便于说明数字中频和模拟中频对于频谱仪的影响, 我们先简单分析一下这两种类型频谱仪实现的原理。图1就是典型的模拟中频频谱仪的原理框图。射频信号进入频谱仪后首先经过衰减器, 将信号幅度调节到混频器最佳工作范围内, 然后通过频谱仪内部的变频器将射频信号变到相对较低的中频, 中频滤波实现不同带宽的选择后, 包络检波图2数字中频频谱仪的原理框图后得到视频信号, 最终显示在屏幕中。由图1可见, 几乎所有部件都是模拟器件, 因此模拟中频实现的频谱仪一般都比较笨重。
而数字中频频谱仪的设计核心是全数字式的中频转换和信号处理链, 通过全数字中频技术, 分析仪不再依赖于响应迟钝的晶体和LC型滤波器。射频前端的处理与模拟中频频谱仪的射频部分处理无明显变化, 重点在变频器完成频谱从高到低的搬移后, 通过A/D转换器实现模拟到数字的变换, 使用数字处理方式实现数字下变频、中频滤波器、包络检波器、视频滤波器以及幅度定标等模块, 最终完成输入信号谱的计算和显示。与模拟中频频谱仪比, 数字中频频谱仪在数字域上实现放大、滤波、检波等一系列中频处理, 并最终送给LCD显示。数字检波器, 数字滤波器的采用极大地提高了系统的稳定性、一致性、测量速度, 同时进一步缩小了频谱仪的体积。
数字中频频谱仪与模拟中频频谱仪比较, 具有得天独厚的优势, 同时数字中频的研究也有很多技术上的难点需要突破, 具体说来包括数字中频系统布局, 数字滤波器、数字检波器的设计, 以及扫描时间的研究。数字中频技术是频谱分析仪的关键技术之一。负责对A/D采样得到的中频信号解析出来, 最终以谱线形式提供给用户, 包括A/D采样, 数字下变频, 中频滤波器, 包络检波器, 视频滤波器, 以及幅度定标等模块。如何合理的布局, 组织数据流链路, 以及资源优化都是数字中频技术研究课题之一。
数字中频实现中重要的一个模块是数字中频滤波器的实现。采用数字中频滤波器可以得到高稳定的性能表现, 同时可以得到更小的RBW切换误差, 以及滤波器稳定时间。该模块包括CIC滤波器, 及FIR滤波器, 如何得到设计要求的3dB RBW带宽, 以及<5:1的60d B/3d B形状因子, 综合考虑动态范围要求的旁瓣抑制, 以及符合扫描时间要求的响应时间都是研究的重点。
各种视频检波器也都使用数字方式实现。为了适用不同类型信号的测量, 频谱仪需要提供相应的检波方式:包括正峰值检波, 负峰值检波, 标准检波, 抽样检波, 有效值平均检波, 电压平均检波等。其中部分检波需要使用CORDIC算法来完成。
此外, 另一个需要重点研究的课题是扫描时间, 扫描时间几乎涉及到频谱分析仪系统各个环节的响应时间, 因此该问题的研究复杂度较高。该问题涉及到射频前端本振何时调频, 频率锁定的最小时间, 中频滤波器的稳定时间, 检波等运算时间等。扫描时间的优化涉及到各个模块响应时间的精确计算以及各个模块单元的优化。只有充分研究清楚系统中各个环节的最短响应时间, 才能充分发挥数字中频快速稳定精确的特点。
指标分析
采用全数字中频的频谱仪与模拟中频频谱仪比较, 若干关键指标都得到较大幅度提升, 同时稳定性, 可生产性也得到较大幅度的提升。以DSA1030A作为数字中频代表与市面上模拟中频频谱仪做比较来说明数字中频技术的优越性。
1. 采用全数字中频技术可以测量更小的信号:
通过实现更小带宽的中频滤波器, 大幅度降低了显示平均噪声电平。DSA1030A实现了最小10Hz的RBW, 而要实现这么小带宽的模拟滤波器技术上是很困难的。如图3所示, 当设置更小的RBW时, 频谱仪的本底噪声也将相应降低 (VBW都选择10Hz, 同时扫描时间都选择自动) , 降低大小可以用公式 (1) 说明。如果RBW从10kHz修改成1kHz, 则底噪将下降10dB。DSA1030A在内部标配的前置放大器打开之后, 选择10Hz的RBW, 可以测量达-148dBm的信号, 如图4。
其中:ΔdB—低噪的变化量, 单位为dB;BW1—修改前的分辨率带宽值, 单位为Hz;BW2—修改后的分辨率带宽值, 单位为Hz。
2. 采用全数字中频技术可以分辨更近的信号:
通过实现更小带宽的中频滤波器, 可以分辨频率相差只有10Hz的两个信号。最小分辨率带宽是用来说明频谱仪能分辨两个幅度相当而频率相差很小信号能力的指标。越小的分辨率带宽就可以分辨距离越近的信号。例如输入一个两个频率相差150Hz的双音信号, 使用30Hz的RBW可以轻易分辨, 而3kHz的RBW则不能办到。图5和图6所示。分辨率带宽是指中频滤波器下降3dB处的带宽。
此外, 数字滤波器的形状因子可以做得更小, 从而以前被掩埋在大信号裙带下的小信号采用更好选择性的数字滤波器之后得以凸现。选择性是60dB带宽与3dB带宽的比值。DSA1030A的中频滤波器选择性为5, 远远优于模拟滤波器的15。如图7和8。采用数字滤波器的DSA1030A更容易分辨两个相距9kHz, 幅度相差30dB的信号。
3. 采用全数字中频技术可以获得更高精度的幅度指标:
几乎消除了传统模拟中频由于中频滤波器切换误差, 参考电平不确定度, 刻度失真, 幅度对数线性切换误差等诸多因素造成的幅度误差, 从而得到更高的全幅度精度。模拟中频频谱仪中修改参考电平是通过调节模拟中频放大器实现的, 刻度保真度也受限于充当包络检波的对数放大器, 此外, 中频滤波器的切换是通过选择不同模拟滤波器实现的。由于模拟器件受环境温度等影响, 会导致各个环节都带来幅度误差。然而, 数字中频就大大减弱和消除了这些误差影响。DSA1030A的全幅度误差小于1dB。
4. 采用全数字中频可以获得更宽的动态范围和显示范围:
数字中频频谱仪将中频信号转换成数字信号后, 动态范围决定于数字定点处理过程中的字长, 只要充足的处理资源就可以得到很高的动态范围。而模拟中频受对数放大器等器件的动态范围制约。因此, 模拟中频的频谱仪通常只显示80dB的范围内的信号, 而数字中频频谱仪可以得到大的多的测量范围和显示范围。DSA1030A可以设置200dB的显示范围, 而相同设置下测量范围达到130dB。
5. 采用全数字中频技术可以得到更稳定的表现:
与传统模拟中频相比, 大大降低了模拟器件的使用, 降低了硬件系统复杂度, 同时也降低了由于通道老化和温度敏感以及器件失效等造成的系统不稳定度。系统越复杂, 越不稳定。做硬件设计的都知道, 越简单的单板一定越稳定, 因为, 器件减少, 必然降低了出错的概率, 系统稳定性依赖于每个器件的稳定性。而使用数字中频, 复杂的器件组合编程固化在芯片中的代码, 经过反复测试调试, 程序可以按照设计的程式工作, 而不用担心其中一段代码突然工作不正常。
6. 采用全数字中频技术可以获得更快的测量速度:
数字中频滤波器技术的采用, 大大提高了滤波器的带宽精度和选择性, 减小了响应时间, 从而大大降低了扫描时间, 提高了测量速度 (见式2) 。
其中:Span—当前测量设置的扫宽, 单位Hz;RBW—当前设置的分辨率带宽, 单位Hz;VBW—当前设置的视频带宽, 单位Hz;KRBW—当前RBW的瞬态响应时间的比例系数;KVBW—当前V BW的瞬态响应时间的比例系数;
RBW的瞬态响应时间的比例系数与频谱仪的中频滤波器的实现有关, 模拟中频的频谱仪, 由于响应迟钝的晶体和LC型滤波器, 比例系数K一般为3左右。而像DSA1030A一样采用数字中频方案的数字滤波器可以得到更小的比例系数K, DSA1030A的比例系数达到1, 如图9所示。例如, 同样将频谱仪扫宽设置成10MHz, RBW设置成1kHz, VBW大于1kHz, 此时DSA1030A对应的K值为1, 扫描时间为10s;而模拟中频中K值如果为3, 则需要30s。
结语
全数字中频技术对频谱仪性能的提升具有里程碑意义。相对于模拟中频, 数字中频意味着更大的显示和测量动态范围, 更高的精度、信号分辨力、灵敏度, 更快的测量速度, 更稳定的表现以及更平易近人的价格, 相信频谱分析仪这个射频微波测量的利器将在工程师手中发挥越来越大的作用。
参考文献
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雷达中频模拟器 篇6
1 ADSP21535简介
ADSP21535是Blackfin DSP系列产品的成员之一,由ADI公司和Intel公司共同开发,采用了Micro Signal Architecture(MSA)结构。这种体系结构将dual-MAC DSP引擎,RISC式微处理器指令集的优点,以及单指令多数据(SIMD)多媒体处理能力结合起来,形成了一套独有的指令体系。其突出特点为速度高,性价比高且简单易用,适用于高速控制系统的设计。AD-SP21535具有高达300 MHz内核时钟;2个16位乘加器,2个40位算术逻辑单元,2个40位累加器,4个8位视频算术逻辑单元,以及1个40位移位器。内核电压范围:0.9～1.5 V,I/O电压3.3 V,有利于减小功耗。在系统的集成方面,ASDP21535系统外设包括4个定时器、16个双向可编程标志I/O引脚、两个异步串行通信口、两个全双工同步串行口、串行总线、实时时钟、看门狗定时器、1×～31×倍频的片内PLL,以及用于外设扩展的USB和PCI总线。在中频信号模拟器的硬件设计当中主要用到的资源为定时器、双向可编程标志I/O引脚、异步串行通信口及全双工同步串行口。AD-SP21535的总线宽度为32位,他的存储器分为片内和片外两部分。片内存储器分4块:L1指令存储器、L1数据存储器、临时数据RAM和256 kB的高速SRAM。片外存储器大体分为三块:PCI存储配置空间、异步存储器空间、同步DRAM空间。本设计使用的存储空间为片内存储器及片外异步存储器空间。ADSP21535的操作模式共3种:仿真模式、管理员模式及普通用户模式。其不同之处主要在于不同的操作模式对于控制寄存器的操作权限不同,前两者对于系统控制寄存器的操作没有限制,后者则有限制。用户可通过程序来设置ADSP21535的工作模式。为了便于系统的控制,我们使DSP工作于管理员模式。
2 中频信号模拟器设计
中频信号模拟器采用ADSP21535作为核心控制器,主要是因为其内核速度快,完成指令运算的时间短,可大大缩短DSP控制DDS芯片产生中频信号所需的控制与转换时间,使模拟输出信号更接近于实际信号。中频信号模拟系统的工作环境,模拟系统的工作环境包括系统射频单元、天线组合等;系统射频单元包括高速频率合成器、上变频器与功率放大器。整个系统由本地计算机控制。中频信号模拟器为本系统的核心部分,负责产生各种雷达中频信号及组合信号。中频信号模拟器的硬件结构为中频信号模拟器的系统结构,整个信号模拟器的核心部件为高速信号处理器ADSP21535和高性能直接数字频率合成器AD9854,前者用于高速控制及波形参数的计算,后者用于中频信号的产生。可编程逻辑器件EPM7160产生系统的同步信号及AD9854的频率更新信号(updclk),计数器芯片82C54用于产生ADSP21535的中断触发信号。
系统硬件工作分为两个阶段:
第一阶段为参数初始化阶段。中频信号模拟器读取本地计算机所发参数,调用参数整理程序,将所得到的参数加以整理分类,转换为所需要的控制数据,例如频率控制字、相位控制字编码信号的码序列等,以便于快速地控制直接数字频率合成器。然后,ADSP21535便开始进行自身及外部设备的初始化,包括内部定时器及外部定时器组、直接数字频率合成器、双向可编程IO引脚。完成上述步骤后,系统便进入波形产生阶段。第二阶段为波形产生阶段。下面以四相码编码调制信号的产生为例介绍中频信号模拟器产生信号的流程。由于AD9854只有两个相位调整寄存器,因此要想产生四相码必须使其工作于单频模式,在updclk信号产生之前,将频率字、相位字及工作模式字置入AD9854,当updclk来临后AD9854开始按置入的频率字及相位字产生频率为F1,初始相位为P1的单频率信号。基于单频模式的工作波形,设计的四相码信号的控制流程如下:
(1)向AD9854的频率控制字1中写入四相码的基频。
(2)向AD9854的相位调整寄存器2内写入相位0度。
(3)向AD9854内写工作模式字000,使其工作于单频模式。
(4)根据四相码序列判断相位值,并将其写入AD9854的相位字寄存器1内。
(5)产生频率更新脉冲(updclk),启动AD9854产生波形,同时启动ADSP21535的定时器,对码元宽度进行计数,在计数器中断服务程序内重复(3)～(5)步骤。
3 在雷达改善因子测试中运用
改善因子I是评价MTI雷达工作质量的一种常用的性能指标。改善因子的定义是,动目标显示系统输出的信号杂波功率比(So/Co)和输入信号杂波功率比(Si/Ci)之比值,I=。其中:Si和So为在目标所有可能径向速度上取平均信号功率,G为系统对信号的平均功率增益,Co是对消滤波器输出的剩余杂波。回波模拟器用于模拟运动目标回波。雷达工作时,能搜寻到孤立的地物回波。调整信号模拟器输出大小,使在A/R显示器上模拟运动目标回波与地物回波等幅度显示。接通对消电路,地物回波经对消后为剩余幅度,模拟运动目标回波没有受对消。增加输出回波信号的衰减量,使模拟运动目标回波幅度与地物回波剩余幅度相等。此时,回波模拟器输出增加的衰减量即为测试的MTI雷达的改善因子值。
3.1 测试系统的工作原理
在信号产生电路设计中,利用基于ADSP21535的中频信号产生器产生中频信号,引入雷达的同步时钟解决与雷达信号的同步问题,用雷达中频信号作为DDS电路的晶振,采用数字锁相环技术,产生与雷达中频信号完成相参的信号,通过对信号的相位旋转控制使其产生多普勒频移,通过上变频器对信号进行上变频,通过信号增益控制,将信号送到被测雷达的接收机,作为测试用模拟动目标回波信号。
3.2 测试系统的硬件组成
测试系统基于Windows操作系统,以PXI总线和基于ADSP21535的中频信号产生器为核心,同时配以锁相环技术、信号上变频器和虚拟的测试软件,构成一个雷达改善因子测试系统。
(1)虚拟控制面板
它由Visual C++编程实现,主要完成对整个系统进行实时控制,完成控制目标回波的产生及改善因子测试的自动引导。
(2)电路的硬件组成
用ADSP21535芯片中频信号产生器,由与计算机的接口电路,脉冲延时电路,可变衰减和带通滤波电路,方波产生电路,上变频器以及信号增益控制电路等组成。
(1)用基于ADSP21535的中频信号产生器产生30 MHz,60 MHz,90 MHz的可变中频的信号,引入雷达同步时钟信号解决信号同步问题。
(2)锁相电路的设计采用数字锁相技术利用雷达中频信号作为基准,解决信号的相参问题,通过可变衰减和带通滤波将信号送至上变频器。
(3)信号的上变频电路的设计:在信号上变频过程中,用被测雷达的高频信号或信号源作为基准,对中频信号进行上变频,最后送到雷达接收机。
3.3 基于虚拟仪器技术的系统软件设计
3.3.1 设备驱动器的程序设计
(1)进入VC 6.0编程环境,从FILE菜单中选择NEW命令,在打开的对话框中,选择PROJECT选择卡,在LOCATION和PROJECT NAME输入框中指定DLL所在的路径和工程名称,并在列表框中选择WIN32 DYNAMIC-LINK LIBRARY项,按OK后创建一个的工程。
(2)在FILE菜单中的NEW命令打开对话框。将ADD TO PROJECT复选框选中,并在FILE输入相应的要创建的文件名称。选择FILES选项卡中的C++SOURSE FILE项,确定后关闭对话框。
(3)在源文件的代码中,将自动插入标准的DLL入口函数。
(4)在源文件中加入头文件。
(5)在源文件中加入自定义函数和相关代码。
(6)头文件是Visual C++工程自动生成的开始文件,在基中对函数或类型进行说明。
(7)编译和调试代码后,点击工程口中的BUILDE命令,形成动态链库应用程序JULISHDLL.DLL。
(8)将JULISHDLL.DLL放到C:/Windows/SYSTEM目录下,便可从VB中进行调用了。
3.3.2 VB中对DLL进行调用
Visual Basic通过DECLARE(声明)来访的DLL,其编译器根据声明确定的参数,检查数据类型,VB在运行期间也可根据声明确定参数,进行压栈,出栈的管理工作,只要程序在FROM部分或公共模块声明了DLL过程,用户就可以像使用VB关键字或用户定义的VB的过程一样,方便地使用DLL的函数。
3.3.3 虚拟面板的设计
在设计虚拟面板过程中,设计一个直观形象、布局合理、功能齐全的仪器面板。
4 结语
采用ADSP21535设计的中频信号产生器可较好地产生预定波形,通过示波器观察与实际当中的波形相符。采用此技术所研制的中频信号模拟器可用在改善因子动态测试,实践证明运用DDS数字合成构建一个改善因子动态测试系统在信号的产生、实时控制、动态测量上具有方便、快捷、准确等特点。因而此种方法在改善因子动态测试中有较为广阔的运用的前景,同时在雷达装备的生产和研制过程中具有较强的实用价值。在解决电子战设备性能测试中对复杂雷达信号的仿真问题方面具有广泛的应用前景。
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