一種具有g(shù)1hz瞬時(shí)寬帶的數(shù)字接收機(jī)

一種具有g(shù)1hz瞬時(shí)寬帶的數(shù)字接收機(jī)

1數(shù)字接收-pcr數(shù)字接收器是雷達(dá)通信接收機(jī)的發(fā)展方向。與傳統(tǒng)接收機(jī)相比,數(shù)字接收機(jī)可以保留信號的全部信息;可以采用數(shù)字信號處理的方法實(shí)現(xiàn)參數(shù)的高精度測量,通過脈內(nèi)和脈間分析可以給出雷達(dá)信號特征的詳細(xì)描述,便于信號的分選與識別,也可以通過相關(guān)算法獲得高的靈敏度;可以解決對特殊疑難信號的分析問題;可以處理多批同時(shí)到達(dá)信號。數(shù)字接收機(jī)按帶寬不同可以劃分成基于窄帶中頻的數(shù)字接收機(jī)、基于寬帶中頻的數(shù)字接收機(jī)和基于寬帶射頻的數(shù)字接收機(jī)。具有1GHz瞬時(shí)帶寬的寬帶數(shù)字接收機(jī)是目前研究的熱點(diǎn),以此為基礎(chǔ)可以開發(fā)出具有更寬瞬時(shí)帶寬的數(shù)字接收機(jī)。2寬帶色散數(shù)字信息調(diào)整型2.1并行處理陣列的處理頻率測量是偵察接收機(jī)最主要的任務(wù),對于瞬時(shí)帶寬達(dá)到1GHz的寬帶接收機(jī),通常采用信道化的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對信號頻率的測量?；贔FT的信道化接收機(jī)結(jié)構(gòu)簡單,可以根據(jù)測頻精度的要求靈活選擇一次處理的數(shù)據(jù)長度,能夠給出基于STFT的信號時(shí)頻分布,便于分離同時(shí)到達(dá)信號,并能夠?qū)π盘柦Y(jié)構(gòu)有更深刻的認(rèn)識?；贔FT的寬帶中頻數(shù)字信道化接收機(jī)的結(jié)構(gòu)見圖1。從該框圖可以看出這種接收機(jī)由兩部分組成,一部分是受主計(jì)算機(jī)控制的寬帶中頻接收機(jī),另一部分是具有高速并行處理能力和海量存儲能力的主計(jì)算機(jī)。寬帶A/D變換由數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn),采集卡可工作在連續(xù)采集狀態(tài),為保證數(shù)據(jù)的連續(xù)傳輸,采集卡內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器采用乒乓緩沖結(jié)構(gòu),并行處理陣列通過自定義的高速數(shù)據(jù)總線和采集卡交換數(shù)據(jù),主機(jī)通過PCI接口實(shí)現(xiàn)對采集卡的控制及和采集卡之間的信息交換。構(gòu)成并行處理陣列的各個并行處理器之間通過自定義的高速數(shù)據(jù)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,主機(jī)和并行處理器之間通過PCI接口交換數(shù)據(jù)。存儲陣列由大容量高速硬盤及存儲控制器構(gòu)成,該存儲陣列在主機(jī)控制下工作并以文件的形式存儲采樣數(shù)據(jù)。該信道化接收機(jī)可以選擇FFT芯片作為處理單元,還可以選擇具有FFT內(nèi)核的高速FPGA作為處理單元,不一定全部選擇DSP作為處理單元。對于這種結(jié)構(gòu)的數(shù)字接收機(jī)采樣頻率通常為2.5GHz,量化位數(shù)8bit,數(shù)據(jù)采集到并行處理陣列的數(shù)據(jù)總線寬度設(shè)計(jì)為64bit,通過鎖存電路把每8個采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)拼成1個64bit數(shù)據(jù)再傳輸,這樣數(shù)據(jù)總線上的傳輸速度就只有采樣速度的1/8,可以有效解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i問題。并行處理陣列主要完成頻率的高精度快速測量,主計(jì)算機(jī)主要完成信號的分選識別、數(shù)據(jù)存儲、事后分析及各種控制功能,主計(jì)算機(jī)具有雷達(dá)情報(bào)數(shù)據(jù)庫,該庫內(nèi)的雷達(dá)參數(shù)是分選與識別的依據(jù),主計(jì)算機(jī)上的脈內(nèi)分析軟件用來對存儲下來的數(shù)據(jù)進(jìn)行事后分析,其分析結(jié)果可以用來更新雷達(dá)數(shù)據(jù)庫。該信道化接收機(jī)的信號處理流程見圖2。數(shù)字接收機(jī)初始化完畢后,數(shù)據(jù)采集卡按幀連續(xù)進(jìn)行寬帶高速數(shù)據(jù)采集,采集到的數(shù)據(jù)一路通過PCI總線送主機(jī),在主機(jī)存儲控制器的控制下送硬盤陣列存儲,一路通過高速數(shù)據(jù)總線送并行處理陣列提取參數(shù),參數(shù)提取結(jié)果送主機(jī)進(jìn)行分選識別,主機(jī)根據(jù)分選識別的結(jié)果決定是否保留這一幀數(shù)據(jù)。這一處理流程是比較靈活的,可根據(jù)不同任務(wù)的需要進(jìn)行剪裁。在預(yù)先偵察條件下可以按照上面的流程,提取參數(shù)并存儲不明數(shù)據(jù),通過事后分析,給出盡可能詳盡的雷達(dá)情報(bào);在另外一些場合,可以不再存儲未知數(shù)據(jù),只進(jìn)行頻率測量,這樣可以進(jìn)一步提高信號處理速度。圖中的并行處理包括4個部分,其中數(shù)據(jù)調(diào)理部分把由多個采樣點(diǎn)拼成的輸入數(shù)據(jù)分開,頻域檢測和頻率測量部分實(shí)現(xiàn)信號的參數(shù)測量。在這一處理流程中,FFT運(yùn)算是制約處理速度的關(guān)鍵,為解決這一問題,讓并行處理陣列的多個處理單元按流水線方式工作,通過時(shí)間上的重疊,讓多個處理單元在時(shí)間上交錯重疊并行執(zhí)行運(yùn)算和處理,通過時(shí)間并行來提高處理速度。在理想情況下,當(dāng)各段流水的執(zhí)行時(shí)間相同時(shí),N段流水的處理速度為單個處理單元處理速度的N倍,因此,處理速度可以得到顯著提高。2.2網(wǎng)絡(luò)數(shù)字接收與相關(guān)數(shù)據(jù)的處理流程基于FFT的寬帶中頻數(shù)字信道化接收機(jī)的結(jié)構(gòu)和處理流程都比較簡單,但這種結(jié)構(gòu)的接收機(jī)為保證實(shí)時(shí)處理,并行處理陣列的所有運(yùn)算都要在高的采樣頻率下工作,對數(shù)據(jù)交換速度和處理能力的要求都比較高,為降低每個處理單元的數(shù)據(jù)處理壓力和傳輸速度可以采用基于多項(xiàng)濾波的信道化處理方式。這種處理方式的數(shù)字接收機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)與圖1相同,也就是兩種數(shù)字接收機(jī)可以共用同一種硬件結(jié)構(gòu)。這也是數(shù)字接收機(jī)的一個顯著優(yōu)勢,同一種硬件結(jié)構(gòu)因算法的不同可以構(gòu)成不同類型的數(shù)字接收機(jī),可以根據(jù)用戶的需要自由配置。圖3給出了這種數(shù)字接收機(jī)的處理流程,其流程與圖2基本相同,區(qū)別僅在于并行處理陣列的信號處理方式不同,因此圖中除并行處理陣列之外的其它部分就不再給出了。圖3中數(shù)據(jù)調(diào)理的作用和圖2相同,經(jīng)過調(diào)理的數(shù)據(jù)分成M條支路,每條支路上的數(shù)據(jù)做M倍抽取,這樣每一條支路上的信號傳輸速度就只有采樣速度的1/M,各個支路上的數(shù)據(jù)傳輸速度大大降低。除第1條支路外的其它支路在數(shù)據(jù)抽取前都需要做單位延時(shí)。抽取后的數(shù)據(jù)經(jīng)M個濾波器組構(gòu)成的多項(xiàng)濾波器組濾波,濾波后的數(shù)據(jù)送到并行FFT處理單元做并行FFT運(yùn)算,最后向主處理計(jì)算機(jī)輸出測頻結(jié)果。在處理過程中M的大小決定了信道數(shù)目的多寡,M越大,信道數(shù)越多,頻率分辨率越高,但M不能太大,M太大會造成FFT運(yùn)算時(shí)間的急劇增加,從而影響整個數(shù)字接收機(jī)的處理速度,通常M可以選擇為32,這樣劃分的信道比較粗,為提高測頻精度可以在這種接收機(jī)后接其它接收機(jī),通過構(gòu)成復(fù)合接收機(jī)來提高測頻精度。3信號頻率處理寬帶中頻單比特瞬時(shí)測頻接收機(jī)通過降低采樣量化的比特?cái)?shù),簡化后續(xù)處理來提高速度,實(shí)現(xiàn)寬帶瞬時(shí)測頻,其硬件結(jié)構(gòu)和圖1類似,但要求中頻組件具有限幅放大功能,同時(shí)采樣電路采用2比特量化。單比特瞬時(shí)測頻接收機(jī)的基本原理和基于FFT的信道化接收機(jī)相同,都是通過FFT運(yùn)算給出信號的頻率,其處理流程見圖4。由于高速A/D采用2bit量化方式,64bit寬的數(shù)據(jù)總線可以同時(shí)傳輸32個采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù),這樣數(shù)據(jù)傳輸速度僅為采樣速度的1/32。為進(jìn)一步簡化運(yùn)算,FFT核采用單比特量化方式,因此其蝶形運(yùn)算部分只有加法沒有乘法,能顯著提高處理速度。由于2比特量化是非線性的,因此其頻率檢測和測量部分較為復(fù)雜,通常需要采用多級檢測的辦法來實(shí)現(xiàn)。在一定條件下,這種接收機(jī)可以對同時(shí)到達(dá)的兩個信號實(shí)現(xiàn)測頻,當(dāng)同時(shí)到達(dá)信號多于2個時(shí),這種接收機(jī)不能給出正確結(jié)果,為解決這一問題,可以和其它接收機(jī)結(jié)合,解決多信號問題。單比特瞬時(shí)測頻接收機(jī)的處理單元可以采用DSP,也可以采用FPGA,由于其內(nèi)部沒有乘法運(yùn)算,所以用FPGA實(shí)現(xiàn)更為簡單,當(dāng)FFT的點(diǎn)數(shù)比較小的時(shí)候有可能在一片F(xiàn)PGA上實(shí)現(xiàn)這一算法,這樣就有可能在一塊芯片上實(shí)現(xiàn)具有1GHz帶寬的數(shù)字式瞬時(shí)測頻接收機(jī)。4色散基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字接收機(jī)4.1基帶低通濾波器的工作原理寬帶射頻數(shù)字接收機(jī)是數(shù)字接收機(jī)的最終發(fā)展趨勢,理想情況下,可對整個頻段用超高速超寬帶A/D采樣量化,然后利用超高速并行處理陣列對信號進(jìn)行處理,提取參數(shù)輸出結(jié)果,但是在目前技術(shù)條件下很難實(shí)現(xiàn)。為此,可在寬帶中頻數(shù)字接收機(jī)的基礎(chǔ)上,將整個頻段劃分成多個子信道,構(gòu)建射頻信道化的數(shù)字接收機(jī),對每一個信道分別處理以克服上述困難。射頻折疊信道化數(shù)字接收機(jī)是在寬帶中頻數(shù)字接收機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,其結(jié)構(gòu)見圖5。從圖中可以看出,接收機(jī)的射頻部分被濾波器組劃分成了不同的子信道,每個信道的寬度為1GHz,將每個子信道下變頻到基帶,對基帶信號可以按照寬帶中頻數(shù)字接收機(jī)的處理方法處理。這種接收機(jī)的結(jié)構(gòu)比較簡單,由于所有子信道都具有相同的基帶頻率,因此采樣和后處理完全相同,整機(jī)的可擴(kuò)展性好。為降低成本和系統(tǒng)的復(fù)雜度,可以根據(jù)需要決定采集處理部分的數(shù)量,在后處理時(shí)可以利用一個或幾個采集處理部分對各個信道依次處理,處理順序和處理方式可以通過程序控制。由于射頻濾波器頻率響應(yīng)的非理想性,射頻濾波器組的各個濾波器之間要適當(dāng)重疊,以覆蓋整個頻段,圖6說明了這種情況。圖6(a)給出了射頻濾波器組的頻率響應(yīng),當(dāng)濾波器的矩形系數(shù)不為1時(shí),為覆蓋整個頻段,濾波器之間必須重疊。圖6(b)給出了基帶低通濾波器的頻率響應(yīng),這一濾波器和圖6(a)的濾波器存在相同問題,當(dāng)信號頻率落入兩個濾波器的重疊部分時(shí),在兩個信道都會產(chǎn)生響應(yīng),出現(xiàn)頻率模糊。為解決這一問題,可以采用具有圖6(c)頻率響應(yīng)的抗混疊數(shù)字濾波器,該數(shù)字濾波器具有接近1的矩形系數(shù),經(jīng)過抗混疊濾波后就可以把重疊部分濾掉,這種濾波器本身可以做成多項(xiàng)形式,直接構(gòu)成多項(xiàng)形式的信道化數(shù)字接收機(jī),這種將抗混疊和多項(xiàng)濾波數(shù)字信道化合二為一的辦法,是一種比較理想的處理流程。4.2多濾波器組合的數(shù)字信道化接收射頻折疊信道化數(shù)字接收機(jī)需要把各個子信道變換到基帶再采樣處理,對于大帶寬的信號變頻和濾波都比較困難,很難保證接收機(jī)在所有子信道內(nèi)保持幅度和相位上的一致性。采用射頻直接帶通采樣可以省去混頻和模擬基帶濾波這兩個環(huán)節(jié),從而減少信號處理過程中的失真,并降低系統(tǒng)成本和實(shí)現(xiàn)難度,這種接收機(jī)的結(jié)構(gòu)見圖7。從圖中可以看出,射頻信號被濾波器組劃分成不同的子信道,各個子信道采用直接帶通采樣經(jīng)數(shù)字低通濾波后實(shí)現(xiàn)數(shù)字下變頻。低通濾波部分同樣采用多項(xiàng)濾波實(shí)現(xiàn),這樣各個子信道就直接構(gòu)成了基于多項(xiàng)濾波的數(shù)字信道化接收機(jī)。這種接收機(jī)依據(jù)整帶帶通采樣實(shí)現(xiàn)數(shù)字下變頻,為避免出現(xiàn)頻率混疊,要保證各個濾波器的通帶范圍在1GHz內(nèi),由于前端模擬濾波器的非理想性,在兩個信道相鄰處不可避免地會出現(xiàn)采樣盲區(qū),為此,還需要增加一定數(shù)目的盲區(qū)濾波器及采樣處理部分,保證對整個頻帶的覆蓋,圖8說明了這一問題。從圖中可以看出,射頻濾波器組的各濾波器之間沒有頻率重疊,每個射頻濾波器覆蓋1GHz的瞬時(shí)帶寬,根據(jù)整帶帶通采樣定理,可以按照2GHz的采樣頻率對各個信道采樣量化,而不會出現(xiàn)信號混疊。由于射頻濾波器的矩形系數(shù)不為1,如圖8(a)所示,在相鄰兩個射頻濾波器的過渡帶出現(xiàn)了盲區(qū),為不丟失信號,還需要采用如圖8(b)所示的盲區(qū)濾波器對盲區(qū)濾波,同時(shí)對該部分信號采樣量化。由于各個盲區(qū)濾波器的位置不同因此其采樣頻率也不相同,這樣整個接收機(jī)就構(gòu)成了一個多速率處理系統(tǒng)。4.3射頻跟蹤濾波器前兩種射頻數(shù)字接收機(jī)采用的是先模擬信道化、再數(shù)字信道化處理的方式,這種結(jié)構(gòu)可以保證接收機(jī)有高的截獲概率,但由于模擬信道的數(shù)目多、成本高、體積大,不適用于低成本、小體積的場合,在這些場合可以使用射頻跟蹤濾波數(shù)字接收機(jī),這種接收機(jī)的結(jié)構(gòu)見圖9。射頻跟蹤濾波器是一個中心頻率可調(diào)的帶通濾波器,該濾波器具有1GHz的瞬時(shí)帶寬,可以通過改變中心頻率來覆蓋接收機(jī)的整個頻段范圍。這種接收機(jī)也需要盲區(qū)濾波器來消除濾波盲區(qū)。盲