（电子科学与技术专业论文）数字波束形成原理及其系统的设计和实现.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t d i g i t a lb e a m f o r m i n gt e c h n o l o g yi sam e a n st oa c h i e v eb e a m f o r m i n gw i t hd i g i t a l m e t h o d s ，i tc a l lp r o c e s st h ea n t e n n aa r r a ys i g n a lb yu s i n ga d v a n c e dd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e s ，a s i tr e t a i na l lt h em e s s a g e so fa n t e n n au n i t s i g n a l t h e t e c h n o l o g y o f d i g i t a lb e a m f o r m i n gc a nd r a m a t i c a l l ye n h a n c e sa r r a ya n t e n n a p e r f o r m a n c e s t h e s ep e r f o r m a n c e si n c l u d i n gf a s ta d a p t i v ep a t t e r nn u l l i n g ，u l t r a 1 0 w s i d e l o b e s ，a d a p t i v es p a c e t i m ep r o c e s s i n g ，h i 曲r e s o l u t i o nd i r e c t i o nt i d i n g ，e t c t h e t e c h n o l o g yo fd i 百t a lb e a m f o r m i n gi so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so ft a r g e td e t e c t i o nf o r t h en e w m i l i t a r yr a d a r b e s i d e s ，t h ed b ft e c h n o l o g yh a sb r o a dp r o s p e c t sf o ra p p l i c a t i o n i nc o m m u n i c a t i o n s ，n a v i g a t i o n ，e a r t h q u a k e s ，m e d i c a le l e c t r o n i c sa n do t h e rf i e l d s f o r m a n yy e a r s ，t h eh i 曲c o s to ft rr e s t r i c ti t su s e h o w e v e r ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to f e l e c t r o n i cd e v i c e s ，m i c r o w a v ec o m p o n e n t sa n dh i g h - s p e e dd i g i t a lp r o c e s s i n ge q u i p m e n t i nr e c e n ty e a r s ，t h i sp r o b l e mi sr e s o l v e dg r a d u a l l y 。n o w ，t h ed b f t e c h n o l o g yp l a yam o r e i m p o r t a n tr o l ei nt h ep h a s ea r r a y , a n di t sl l s ei sn o tl i m i t e dt ot h e l a r r o w - b a n do ra t s u b a r r a yl e v e l t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 a h i g h p r e c i s i o na n d f e a s i b l e a l g o r i t h m & s o f t w a r ef o ra d cd y n a m i c p a r a m e t e r st e s ta c h i e v e ss u c c e s s 2 r e a l i z en a r r o w b a n dd b fi n f p g a , p r e l i m i n a r ya c c o m p l i s h b r o a d b a n d d b f d e s i g na n dv e r i f i c a t i o n 3 p r o p o s ean o v di m p e d a n c e - m a t c hm e t h o df o r fo u t p u tt oa d c ，f i n da n d r e s o l v eab a d i m p e d a n c e - m a t c ha d c o fl i n e a rw h i c hw eu s e d 4 r e s e a r c h0 1 1d b fs y s t e ms y n t h e s i z e s i m u l a t i o n ，f i n i s h e d t h eb e h a v i o u r s i m u l a t i o no fr f f r o n t e n d p r e l i m i n a r ys t u d y t h ec o s i m u l a t i o nw i t h m a t l a b ，c a d e n c e ，e t c 5 f i n i s haf l a s hm e m o r ys y s t e mw h i c hc a ns a v ed a t a sa tar a t eo f3 0 0 m b i t k e yw o r d s ：d i g i t a lb e a m f o r m i n g ，a d cd y n a m i cp a r a m e t e rt e s t ， c o r r e c t i v e m o d e l ，s o f t w a r ed b f s y s t e m ，h i g h s p e e ds a m p l ea n ds t o r a g e i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 菝塞日期：2 d 叶年多月谚日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：? 囊鏖_ 导师签名：二茎! 尝 日期：瑚。丫年占+ 月艿曰 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 数字波束形成( d b f ) 是随着数字信号处理方法的发展而建立起来的一门新 技术，这种技术不仅能充分保留阵列天线上收集的信息，而且能利用复杂的数字 信号信号处理方法对信息进行处理，因此它具有一般雷达不具有的超低分辨率和 低副瓣的性能，波束扫描，自适应波束控制等。由于采用了先进的数字信号处理 方法和自适应技术，d b f 雷达不仅性能优越，而且非常灵活，被认为是下代雷达 系统中广泛使用的一项新技术。 相对于一般模拟波束形成技术，数字波束形成技术具有非常多的优点，比如 超低分辨率，超低副瓣，抗电子干扰，扫描迅速，多目标处理，高性能并行数字 处理等。 自适应波束形成( a d b f ) 卅针对复杂信号环境对波束形成的一个很好的补充。 它的核心思想是采用各种优化算法和自适应算法，根据阵列对不同环境的响应， 产生不同的加权系数，己取得最好的信号特征。自适应波束形成可以实现自适应 的空一时处理，进行各种非线性处等，波束灵活，抗干扰强，具有较好的自校正和 自适应能力。 1 2 研究历史及发展现状 3 0 年前，德国就研制成功了第一部采用d b f 技术的雷达，时至今日，d b f 技 术尚未达到广泛成熟使用的地步。目前，在大型阵列上实现d b f 技术的普遍应用 还具有很大的难度，一是它会极大的增加雷达系统的复杂程度；二是在某些技术 上还不足以实现多波束的瞬时处理，还有一个是它的造价比较昂贵，这也限制了 它的广泛应用。多年来，世界各国在d b f 技术中投入了大量的人力物力，取得了 许多突破性的进展陌嘲。 在d b f 技术的研发和应用领域，美国走在了前面，比如其著名的静寂哨兵等 雷达系统。此外，还有德国的e l r a 相控阵雷达，英国普莱赛公司和英国海军研究 所共同研制的m e s a 多功能相控阵雷达，法国汤姆逊公司的r i a s 系统等。 电子科技大学硕士学位论文 随着各种雷达器件的高速发展和各国对d b f 雷达的重视，d b f 技术得到了越来 越好的发展。可以预见，今后d b f 技术的应用将会在阵列规模和带宽大小以及自 适应技术上得到不断突破和完善。对于大型阵列，以前只能形成子阵级的d b f 。现 在情况不然了，比如以色列埃尔塔公司已经在s 波段、2 5 0 0 个阵元阵列的单元级 实现d b f ，这是一个重大的突破口1 。利用d b f 可以省去模拟混合硬件与模拟下变频， 与之相关的所有误差也不再存在。这样将带来超低的旁瓣，允许波束指向不同的 方向。利用d b f 技术，可以在同一时间内，针对不同的应用自适应的使用天线的 不同部分。还可以使平均发射功率与搜索占用频率降低两倍，由此而节省的成本 比因增强信号处理而增加的成本要大的多，同时搜索精度提高了4 0 ，d b f 还可 以获得更好的自适应阵列处理。 1 3 本文的主要内容和章节安排 本文针对d b f 系统的设计和实现进行了研究。第二章主要介绍了数字波束形 成技术原理，自适应波束形成技术原理，以及分析了带宽大小对波束形成的影响， 最后简要介绍了数字波束形成系统的工作原理和结构。 第三章详细介绍数字接收机的原理和硬件实现，分别介绍了窄带和宽带数字 接收机，并在f p g a 内实现了窄带接收机。接着对数字接收机的关键器件a d c 的性 能做了详细地分析和描叙，对于动态参数计算中的影响计算精度的频谱泄漏问题 提出了采样后相干的解决办法，使动态参数的测试方法和精度更进了一步，结合 时频域计算以及经典谱估计中的周期图法，最后完整的解决了动态参数的测试问 题。相比其他公布方法，该方法是目前比较准确和方便的，已得到较好的应用。 第四章讨论了数字模拟系统中的信号完整性问题，主要针对以前对下变频后 到a d c 芯片输入的匹配关注不多的情况进行了研究。随着电路工作频率的不断提 高和数字处理速度的不断增长，信号完整性的问题面临着越来越严重的挑战。本 章对信号完整性的几个方面进行了论述，主要分析了反射中的阻抗匹配问题，特 别是针对a d c 芯片级的匹配进行了讨论和实践，提出可基于修正模型的新方法， 取得了很好的研究成果。本章还对信号串扰和其他信号完整性问题进行了讨论和 分析，并提出了相应的解决措施。 第五章首先介绍了d b f 系统的结构和工作流程；接着分析了e d a 技术在d b f 系统中的应用，并建立了射频前端行为仿真模型，在e d a 工具中进行了仿真和验 证，在验证设计合理性的同时也验证了e d a 工具在系统设计中的重要作用，然后 2 第一章绪论 对纯软件的d b f 设计进行了初步探讨和展望。最后介绍了d b f 高速数据存储系统 的设计和实现。 第六章对全文进行了总结。 3 电子科技大学硕士学位论文 第二章数字波束形成技术 本章将介绍数字波束形成的原理和优点，自适应波束形成的原理和常用算法， 信号带宽对数字波束形成的影响，数字波束形成的工作原理和结构。 2 1 数字波束形成技术概述 阵列信号处理是现代信号处理的一个分支，其本质是利用空间分散排列的传 感器阵列和多通道接收机来获取信号的时域和空域等多维信息，以达到检测信号 和提取其参数的目的。迄今为止，阵列信号处理的应用已经开始涉及诸如雷达， 声纳，导航等领域。阵列信号处理的主要内容可分为波束形成技术哺1 ，空间谱估计 等方面技术，他们都是基于对信号进行空间采样的的数据进行处理，因此这些技 术是相互渗透和相互关联的。 2 1 1 数字波束形成原理 假设接收天线为n 阵元均匀直线阵，目标的来波方向为口，第k 个波束指向为 幺，相邻阵元间距为d ，信号波长为名，且各阵元都是各向同性的，对k 阵元的加 权分别为w k ，w 2 置，w 胧，信号是窄带信号。简单地讲，数字多波束形成器就是一 个乘加器，如图2 - 1 所示。茏表示第f 阵的接收信号经过a d 变换和数字正交后的 ，一 复数字信号。加权系数t = qe x p ( - - j a o ) ，其中。= 等ds i n o k 表示提供的阵内 几 相位补偿值，a i 表示降低天线副瓣所需的幅度加权。进行相位和幅度补偿后，并 对各阵列的输出信号相加，即可得： n - 1 e ( d = w t 薯 ( 2 1 ) i = 0 对式( 2 一1 ) 进行求模，就可以得到第k 个波束的天线方向图函数。天线的方向 图不是唯一的，根据要求，相同的数据可以用不同方法加权( 改变权因子) ，以便 形成不同形式的波束、和任意多的波束。通过数字波束合成后输出的信号( 如信 号确实投射在该波束内) 可以大幅度的提高信号的s n r 。最后得到的复输出信号再 直接送入后续处理单元。 4 第二章数字波束形成技术 图2 - i 自适应数字波束形成原理图 表示成矩阵形式如下： e ( 秒) = r 五 ( 2 2 ) 嵫为权矢量，为数据矢量，t 表示转置，它们都为列矢量。 2 1 2 数字波束形成的优点 波束形成按照其实现方式的不同，可以分为模拟波束形成( a n a l o g o u sb e a m f o r m i n g ) 和数字波束形成( d i g i t a lb e a mf o r m i n g ) 两大类。数字波束形成的主 要处理过程要求全部信号与某个复数加权因子分别相乘，然后把这些加权量加在 一起，改变加权因子可以形成各种不同的波束。 数字波束形成技术在抗干扰处理上具有很明显的优势，主要表现如下： ( 1 ) 由d b f 的基本原理可知，通过数字波束合成后输出的信号强度大大增加 ( 如信号确实投射在该波束内) ，因此可以大幅度的提高信号的s n r ，如图2 2 所示。 5 电子科技大学硕士学位论文 图2 2 d b f 对信号s n r 的影响 ( 2 ) 波束形成器还可以对杂波信号进行抑制。由于杂波具有较大的角度扩展， 因此降低旁瓣电平在目前是一种行之有效的方法，对数字信号进行相位加权求和 可以改变其波束的指向，同时对数字信号进行幅度加权则可以达到压低旁瓣电平 的目的，使其从主波束以外的地方进入的信号得到一定抑制。但降低旁瓣电平的 同时，主瓣波束将会展宽，增益下降，因此应根据实际应用进行折中。 在覆盖1 8 0 。的方位面内，产生1 个波束l ，波束的指向为1 8 。如图2 - 3 所 示。图2 4 是所示的是同样的波束，但进行了压低旁瓣的处理，按一3 0 d b 旁瓣电平 的切比雪夫幅度加权结果。比较图2 - 3 和图2 - 4 可以发现，压低旁瓣后，主瓣波 束展宽了1 2 倍 ， 。 p 。 x ，l 羚 ： 6 第二章数字波束形成技术 图2 _ 4 旁瓣- 3 0 d b 加权产生1 个波束 ( 3 ) 波束形成器的另一个作用是通过一定的算法设置可以对干扰方向置零， 从而抑制了干扰源对有用信号的干扰。到目前为止，置零的方法逐渐得到完善， 形成了窄带窄角、窄带宽角、宽带窄角、宽带宽角等多种的置零方法。图2 5 展 示的是宽带宽角的置零方法，其原理是采取窄带权和时变宽带相结合的办法，预 先生成窄带权，使得该窄带权形成的方向图在干扰方向形成零点并且让该零点加 深加宽。宽的凹口对小的方向偏移不敏感，可增加干扰方向的稳健性。用单频权 与时变宽带权相乘并作适当的处理，可在宽带干扰方向形成零点。 罗。：7 叩? ? 雕7 唧z ，j 一譬掣_ 辫7 一一叫7 一? 玛誓一呷罗笋? y 嚣。”弦零。盯”谭_ 一r 一“甲巾m 霹 1 ；1 霎媚 罗：薄 ，一 、 ； j m 一指向方位角 。，：+ + 0 ，。二，一j 。，| 一 图2 - 5 宽带宽角d b f 置零 7 电子科技大学硕士学位论文 2 2 自适应数字波束形成的原理和常用算法 2 2 1 自适应数字波束形成的原理 d b f 技术是当代雷达的热点技术之一3 ，对于阵列信号处理来说，它往往和自 适应技术相互联系。因为面对非常复杂的环境时候，恶化的工作环境将会使不具 备自我适应，自我调整能力的d b f 雷达的性能急剧下降。因此，为了提高d b f 系 统的抗干扰能力，必须求助于自适应数字波束形成( a d b f ) n 们技术，自适应阵列是 实现a d b f 的基础。自适应阵列的结构框图如图2 - 1 示。 从图中可以看出自适应阵列是由按一定空间排列的多个阵单元构成，是一种在 实际环境下自行控制其方向图的天线系统。它能实时地对外界未知的干扰环境作 出反应，在干扰的到达方向形成零点或降低此方向的副瓣电平，这样便可以保证 接收所需信号与干扰噪声的信噪比有一个最佳值。自适应阵列正是利用这种空间 特性，改善了阵列输出s n r ，抑制了强干扰。 自适应技术的核心思想是优化理论n ，我们熟悉的优化理论有拉格朗日求极 值函数的变分法，最陡下降法，最t j 、- - 乘法等。 目前常用的最佳准则有最小均方误差( m m s e ) ，最大信噪比( m a x s n r ) ，线性约 束最小方差( l c m v ) ，最大似然( m l ) ，最小二乘法( l s ) 等，下面简单介绍几种 较常使用的准则n 纠引。 ( 1 ) 最小均方误差准则( m m s e ) 最小均方误差准则就是使阵列输出e ( 秒) = r t ( k 代表k 时刻) 与参考信 号d ( k ) 的均方误差最小，均方误差为： e ( e 2 ( 尼) ) = e d ( 尼) 一w 名t j l 】2 ( 2 3 ) 上式展开得， e ( e 2 ( 尼) ) = e d ( 尼) 】2 2 ，+ 呢7 尺 ( 2 4 ) 其中r = e ( d ( k ) x k ) ，r = e ( x x ) ，一般地，将r 称为互相关矩阵。将式( 2 4 ) 对 于权向量求梯度，得到梯度算子： v 矽( e ( 2 ( 尼) ) ) = - 2 r + 2 r ( 2 5 ) 令梯度算子为零，得到最小均方误差准则下的最佳权向量： w o p t = r 一1 ， ( 2 6 ) ( 2 ) 最大信噪比原则( m a x s n r ) 最大信噪比原则是基于期望信号的功率与噪声功率之比最大的准则，假设期望 第二章数字波束形成技术 信号为s ，且足= e ( s s ) ，r = e ( u u ) ，其中u 表示噪声，则有： = e ( i w h s l 2 ) = 矽h r ) v = e ( i w h u l 2 ) = 形片rw ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) 这时，输出的信噪比s n r 为： s n r ：莲= 些坚 ( 2 - 9 ) 形爿r 形 经计算，使得输出信噪比最大的最佳权向量是对应于矩阵巧1 r 的最大特征值 的特征向量，得到的最佳权系数满足： 巧1 足= k ( 2 1 0 ) ( 3 ) 线性约束最小方差准则( l c m v ) 在已知期待信号的来波方向和参考信号的条件下，最小方差准则是通过最小 化阵列输出的噪声方差，来取得对信号s 的较好的增益。经权重后的波束形成器 的输出为： y ( t ) = w r x ( t ) = w r s + 形r u ( 2 1 1 ) 为保证波束形成对信号s 的增益，必须对波束形成器的权向量加以限制，使 其在信号s 的方向产生一定的增益，即： w a 口= g ( 2 1 2 ) 其中，为期望信号的方向矢量，则最佳权重可以表示为： w o p l = 穗( 2 - 1 3 ) 2 2 2 自适应波束形成算法 自适应波束形成器则是在信号干扰环境的统计特性是未知或是变化的情况下， 利用实时的输入信号和干扰矢量进行估计，从而算出近似最佳权值。常用的自适 应算法有l m s 算法、采样矩阵求逆( s m i ) ，递推最小二乘( r l s ) 算法等，下面分 别简单介绍。 ( 1 ) 最小均方算法( l m s ) 最小均方算法是应用最广的一种波束形成算法，它是在已知期望信号的参考 信d 的条件下，利用随机梯度法最小化误差e ( k ) ： p ( 尼) = d w 7 ( k ) x ( k ) ( 2 1 4 ) 9 电子科技大学硕士学位论文 从而得到权向量的迭代公式： w ( k + 1 ) = w ( k ) + j u x ( k ) e + ( 尼) ( 2 1 5 ) 其中，为步长因子，它决定了算法的收敛速度。 ( 2 ) 采样矩阵求逆算法( s m i ) 直接采样矩阵求逆( s m i ) 算法是一种数字开环计算方法，它通过直接求解阵列 协方差矩阵r 来估计权矢量，从而避免了闭环自适应中收敛速率对输入相关矩阵 特征值的依赖性。 r 的无偏估计可由下式给出： r = 专碟 ( 2 1 6 ) z ，j 而采样的互相关向量为： 尸= 专k ( 2 1 7 ) 矿u 通过矩阵求逆可以进一步确定最优权矢量估计为： w = r 一1 p( 2 1 8 ) ( 3 ) 递推最小二乘算法( r l s ) 一一 这是一种数据域递归算法，r l s 算法使利用递推方法来完成矩阵求逆运算的， 即： pc尼+，=丢r尸c后，一兰a兰兰专蚤喜毛黼， c2 一，9 ， 口 十五i 厅十l 烈拓) 五i 庀十lj 权矢量更新的递推关系式表示为： w ( k + 1 ) = 删+ 鬲笔煮嚣丽从1 ) m “) ( 2 _ 2 0 ) 这里，d ( k + 1 ) 表示第k + 1 次快拍的参考信号：a ( o a 变频、数字滤 配滤波电路 转换 波、多倍抽取 图3 1 4 数字接收机结构图 3 3 2 数字控制振荡器 数字压控振荡器n 刀( n c 0 ) 是d d c 的关键技术之一，它决定了d d c 的性能， n c 0 的目的就是产生一个理想的正弦或余弦样本，如下式： c o s ( n ) = c o s ( 2 n n ( f 。z ) ) ，( 咒= o ，1 ，2 ) ( 3 3 7 ) 式中：丘为输入信号中心频率，z 为a d 的采样数率。n 的多少由2 x n ( f 。z ) 的周期 决定，比如用5 0 m h z 采3 0 m h z 的信号n 为0 、1 、2 、3 、4 ，当n = 5 时和o 对应的是一 样的值，即是说另外一个周期开始了。 n c o 产生正弦波最有效的办法就是查表法，即事先根据各个n c 0 正弦波相位计 算好相位的正弦值，并按照相位角度( 或对应的地址变量) 作为地址存储该相位 的正弦波数据。d d c 工作的时候，每输入待下变频的采样样本，n c 0 自动增加一个 2 乃( 丘f ) 的相位增量，然后根据相位累加角度作为地址，输出该地址上的数值。 通过上述的原理可知，单频点的n c 0 样本产生频率是易于编程实现的，我们 可以将一个周期内的离散值存在f p g a 片内的存储器中，然后将其按顺序重复输出 即可。另外，对于可工作在不同的中心频率的n c o 的样本值产生问题，我们可以 将所用到的频率对应1 周期离散值都按顺序存在存储器中，给每个频点离散值分 配一段地址，然后增加一个译码器以针对不同的频点产生不同的寻址起点，其结 构如下图所示。 3 0 第三章数字接收机的原理和设计 选 图3 1 5 多频点n c o 的实现方案 3 3 3 数字接收机的设计实现 弦输出 弦输出 1 、处理器件选择 由于模拟中频信号在数字接收机的a d 采样后，数据的主要处理工作都在f p g a 芯片中进行，所以对芯片提出了很高的要求，本论文采用x i l i n x 公司v i r t e x 一4 系列的x c 4 v s x 5 5 芯片。它是采用9 0 n m 制造工艺，3 0 0 m m 晶圆技术，面向超高性能 信号处理而优化设计的多平台f p g a 产品，该芯片具有如下的优点： ( 1 ) 丰富的逻辑资源 x c 4 v s x 5 5 有1 2 8 x 4 8 个可编程逻辑块( c l b ) 阵列，c l b 在面积和速度上都进行 了优化，以适用于小型高性能设计。每个c l b ( 可配置逻辑模块) 有4 个块，可实 现任意的组合电路与时序电路。每块都有4 输入查找表( l u t ) 、触发器、多路复 用器、运算逻辑、载体逻辑以及专门的内部布线，专门的a n d o r 逻辑实现了很宽 的输入。x c 4 v s x 5 5 共计有2 4 5 7 6 个s l i c e s 以及5 5 2 9 6 个l o g i cc e l l s 。 ( 2 ) 大容量的r a m 所有c l bl u t ( 查找表) 都配置为快速、紧凑的1 6 位移位寄存器，级联l u t 还 可以构建更长的移位寄存器，实现管道寄存器和缓冲器，方便用于视频和无线应 用。多达3 8 4k b i t 分布式r a m 和高达5 7 6 0k b 的嵌入式b l o c kr a m ，可以很容易 的实现波形存储器和f i f o 。 ( 3 ) 丰富的全局时钟资源和时钟控制管理单元( d c m ) x c 4 v s x 5 5 拥有丰富的时钟资源：高达3 2 路时钟输入( 差分或单端) ，3 2 个全 局时钟网络，1 6 - 4 8 个局域时钟网络，8 - 2 4 清晰的时钟区。它还具有丰富的时钟 管理特性：高达2 0 个时钟管理者( d c m s ) ，多达8 个相位匹配的时钟分频器( p m c d s ) 以及3 2 个全局时钟缓冲器可以让我们很灵活地产生和管理从2 4m h z 一5 0 0m h z 的 频率。 ( 4 ) 丰富的端口资源，支持多种电平标准 电子科技大学硕士学位论文 x c 4 v s x 5 5 最多可有6 4 0 个i o 端口，输入适当的参考电压，可以支持多种电 平标准。 2 、接收机软件设计 由前面数字接收机原理和结构分析可知，接收机两个比较关键的技术就是d d c 和数字滤波器的实现。简单的o o c 特别是单频点的d d c 我们可以直接用简单的程 序实现，简洁高效。更方便的是，在x i l i n x 系列f p g a 开发工具中的i p 核生成工 具中提供了大量成熟、高效i p 核为用户所用。这些根据x i n l i n x 的f p g a 器件特 点和结构而设计的i p 核，用底层硬件语言描叙，充分发挥了芯片功能，综合后的 结果在面积和速度上都令人满意，因此，d d c 程序的设计可用i p 核。打开工p 核生 成器，在工p 核功能目录中选择信号处理器，在具体的内容中即有d d c ，可以看到 它支持的v i r t e x 系列器件。双击打开该核项目可以进行各项参数的设置，之后就 可以生成i p 核。同样的是数字滤波器也可以通过采用i p 核来实现，需要说明的 是，滤波器系数的设计需要从系数文件中导入。 3 、数字接收机的f p g a 实现 图3 - 1 6 数字接收机的结构图 接收机系统框图如图3 - 1 6 所示，系统由a d c 和数字下变频模块构成。系统工 作时钟由外部提供，该时钟必须和系统工作时钟同源，这样才能保证接收机和系 统的工作是同步的。数字下变频模块除了输出i ，q 两路数据外，还将输出系统时 钟，作为同步时钟提供给基带处理单元。数字下变频模块的功能全部由f p g a 实现， 包括数据分路及时钟分频模块、多倍抽取滤波器组模块、n c o 模块以及后端数据处 理模块等。 3 2 第三章数字接收机的原理和设计 最后对整个系统进行了综合和时序仿真，综合实现后仿真结果正确，可以满足 系统设计需要，f p g a 芯片的资源消耗见表3 - 2 。 表3 - 2 窄带数字接收机f p g a 资源消耗表 3 4 宽带数字接收机的设计探讨 纵观数字接收机的发展，不难发现数字接收机的瞬时带宽在逐渐变宽，采样 频率在逐渐的提高，数据采集逐渐的靠近天线，信号处理能力增强。这是数字接 收机发展的必然趋势，因为带宽更宽意味着通信系统中，单位时间传送的信息就 越多：在雷达系统中，对目标的分辨率越高：在电子战系统中，监视带宽越宽则目 标截获概率越高。尽管宽带系统的研制有很大的挑战性，但是宽带系统阻4 1 的广阔 应用前景还是吸引了很多的研究机构从事该方向的研究，宽带数字接收机就是其 中的研究热点之。 3 4 1 宽带数字接收机的设计方案 目前中频( 射频) 接收机设计方案一般分为：( 1 ) 射频全宽带低通采样结构； ( 2 ) 射频直接带通采样结构( 3 ) 中频带通采样结构；( 4 ) 信道化接收机。第一 种射频全宽带低通采样结构是比较理想的结构其硬件平台一旦完成后就有很强的 灵活性，是最符合软件无线电思想的，但对于接收频率范围很大的情况下，比如 1 g h z 以上的情况，其实现对硬件的要求很高，目前的硬件还有很大程度的限制； 第二种带通采样结构方案就是针对第一种方案对采样频率要求过高无法实现而提 出的，可以对感兴趣的有效带宽内信号通过带通采样的方式得到，这样可以很大 程度的降低a d 的采样时钟，大大的降低了对硬件的要求，特别是a d c 的要求。这 3 3 电子科技大学硕士学位论文 种方案的问题是带通采样设计有可能造成信号在带内发生混叠的现象，但通过在 前端增加电可调窄带滤波器就可以有效的解决这个问题。同时应用零中频的思想， 将射频或中频信号直接变成基带信号，取消信号先转成低中频信号的过程，极大 的降低了系统的复杂过程，而且现有的器件已经可以成功的解决了以前存在地直 流漂移信号的问题，使得零中频的思想可以应用到实际领域。第三种宽带中频带 通采样结构方案是与常规的超外差无线电结构类似的，差别就是带宽不一样，前 者的带宽更高。这种方案的优势是对a d c 的采样频率和后续的d s p 处理速度要求 不高。但宽带中频结构的射频前端设计的难度很大，其通过本振将信号的中心频 率逐级降低的过程中受本振的泄漏频率的影响很大，而且在中心频率处极易产生 镜像干扰，给系统的调试带来很大的困难。第四种多信道方案将整个所要研究的 电磁频率信号带宽划分为许多邻接的部分，每一部分仅对应于电磁环境整个带宽 的很小一段。这样，接收机的每个并行信号处理信道就只对全部频带宽度的许多 分开的信道带的一个频带起作用。因为并行信道是独立的，所以能在没有信息损 失的情况下，同时截取一个以上或多个时间重合信号。 3 4 2 宽带数字接收机目前还存在的问题 宽带接收机是电子战接收机发展的必然趋势，由于数字接收机的硬件电路日趋 通用化，数字接收机的信号处理技术就成为决定数字化接收机优劣的关键因素。 电子战宽带数字接收机的信号处理技术经过不断的深入研究已经取得了一定的成 果，目前这一技术正处于不断发展之中，有不少的问题口5 2 5 3 需要解决。 一是现在的大多的宽带数字接收机，严格来说还是属于中频接收机，射频接 收机的研究将会也来越得到重视。射频接收机将有更高的采样率，更少的射频单 元，数字化逐渐向天线靠拢，对a d c 和数据处理能力的要求将会大大地提高，将 不可避免数据处理瓶颈的问题。二是多信号同时到达问题，宽带数字接收机不可 避免的出现多信号同时达到的问题，为解决这一问题可采用信道化技术。然而， 测频不精是这一技术的通病。三是超宽带信号处理问题，为了满足信息时代战争 的需要，现代的雷达越来越多的采用了超宽带信号，为了实现信号的检测，通常 要采用非平稳信号处理技术。目前，非平稳信号处理技术己得到了长足的发展。 但这一技术在实际应用中面临一定的困难，主要是现有大的算法大都比较复杂， 无法满足电子战接收机对处理速度的要求。 3 5 本章小节 第三章数字接收机的原理和设计 本章第一节介绍了数字接收机的原理和基本结构，第二节分析了数字接收机 中重要的器件a d c 的动态参数的测试方法和理论，针对频谱泄漏的问题，提出了 采样后相干的新方法，对频谱泄漏的抑制效果非常好；对于在频域计算信号功率 易受到栅栏效应影响的问题，提出了时频域分别计算的方法。通过信号的重构， 恢复出测试信号并在时域内计算信号的功率，从而避免了频谱泄漏和栅栏效应的 影响。最后在频域内计算出噪声功率，由此计算出信噪比，信号与噪声加失真比， 有效位等动态参数，得到了非常准确的结果。第三节介绍了窄带数字接收机的设 计方案和硬件实现方法，分别介绍了n c o ，d d c 和数字滤波器等在f p g a 内的实 现，最后在f p g a 中实现了8 路数字接收机。第四节对宽带接收机的几种设计方 案进行了分析和研究，并概括了当前宽带接收机面临的技术难点。 电子科技大学硕士学位论文 4 1 信号完整性概述 第四章信号完整性设计 随着现代电子技术的发展，电子系统的工作频率也越来越高，电子器件、设 备的尺寸也越来越小。这种条件下，信号完整性的带来的问题就越发的凸现，我 们设计系统的难度将会加大，当然，系统的性能将会不断的得到提升。目前为止， 信号完整性的问题不仅得到了各大设备器件制造商的关注和研究，很多测试仪器 厂商也推出了很多相应的信号完整性测试仪器，对于电路设计人员来说，这更是 一个不能不面对的问题。信号完整性问题陋6 1 一般可分为为反射、串扰、地弹和延 迟等。 ( 1 ) 反射 反射的原因是信号的源端和终端以及他们之间的传输线之间没有达到很好的 匹配，造成信号的发射，功率损耗等现象。不良的布线结构、端接不匹配，导体 传输不连续等因素均会导致信号反射。 ( 2 ) 串扰 串扰是两个不是直接相连，不应有任何电气联系器件或设备间由于电磁耦合 产生干扰信号，影响系统正常工作的现象。随着电子系统工作频率的不断增加， 器件尺寸的不断减少，由串扰产生的问题将会更加的明显，理应获得我们更多的 关注。 ( 3 ) 地弹 地弹主要是源于电源路径，芯片封装和地之间的分布电感的存在。当系统的 工作频率很快，存在众多的1 0 引脚的时候，当系统中大量的i o 同时由高电平变 成低电平或者低电平变成高电平的时转换，由于地线吸收电流的能力不足，就会 在电源线上和地线上产生较大的瞬态电流，导致器件的误操作。 ( 4 ) 延迟 我们知道，信号在导线中的传输速度是很快的，但并不代表我们可以忽略它 的延时的存在。特别在高速电路系统中，这个问题更加的严重，现在对于大多数 芯片来说，信号在导线上的延迟已经远远超出器件的延时影响。 3 6 第四章信号完整性设计 4 2 模拟数字系统的阻抗匹配设计 为了改善电路的反射情况，首要的问题是改善电路的阻抗匹配情况。阻抗匹 配是高频电路设计时需要经常考虑的问题，而在某些低频应用场合( 比如数字电路) 也需要考虑阻抗匹配。在数字信号处理系统中，时钟信号和数字信号传输因其传 输线路始端和终端阻抗不匹配，所传输信号会在阻抗不连续处产生反射，使传输 的信号波形出现上冲、下降和振荡。反射还会降低器件噪声容限。加大延迟时间， 如传输线传输时间与所传输的延迟时间大致相同，引起的反射会带来严重后果， 有的使传输的信息产生错误，有的使电压超过电路的极限值影响电路的正常工作。 对于高速a d c 采样电路来讲，前端调理电路显得尤为重要，不仅要有足够的 带宽而且还要可以将单端的输入信号变成差分信号提供给a d c 以减少次谐波的产 生，同时本身的噪声也要小，这样才不会对a d c 的精度产生影。下面就d b f 系 统中中频输出到a d c 芯片的以前很少受人关注的匹配问题，进行了研究和讨论， 提出了基于修正模型的匹配方法，并通过实践证明该方法的有效性，同时该方法同 样适用于模拟或其他数字电路的匹配研究。 4 2 1 阻抗匹配的基本理论 对于低速信号的输入和输出端口，为了得到最大负载功率，需要端口阻抗匹 配乜7 吨町( 如微波电路，功率电路等) ；如果不需要负载功率，也无须做匹配( 低速数 字电路如此) ，而此时传输线电气长度比起波长来讲微不足道，可以作为等势导体， 无须阻抗匹配。当信号速度提高，当传输导体尺寸和波长可比时，存在波峰波谷 电势差，这样传输线上就会有反射，造成瞬态电压累计变化，影响信号判决，这 时候为了稳定电压，需要传输线或者源端负载端添加匹配，用来抑制反射。 许多匹配网络实际上并不是仅仅为了减少功率口蜘损耗而设计的，他们还具有 其他功能，如减少信号反射，减少噪声干扰、提高功率容量和提高频率响应的线 性度等等。随着当今电路工作频率的不断增加，这些由匹配不好带来的问题对电 路性能的影响越来越大，因此阻抗匹配是当今电路设计一个非常重要的问题。 随着阻抗匹配技术的不断发展，逐渐形成一套完整的技术，比如电压变换 器( t r a n s f o r m e rm a t c h i n g ) ，集总参数匹配( l cn e t w o r k s ) ，万和t 匹配网络( p ia n dt - n e t w o r k ) ，分布参数匹配( m i c r o s t r i pm a t c h i n g ) 等等。我们可以根据带宽的宽窄，频率的高低选用不同的匹配方式。特别是各种 微波电路仿真软件的广泛使用，使得这些工作得以更好更快的完成，大大的节省 3 7 电子科技大学硕士学位论文 了研究成本。但由微波软件建立的仿真环境和实际中的电路还是存在不少的差异 的，比如很多电路板加工出来以后和仿真得到的结果是不一致的，特别是电路中 使用了非标准元件。我们如何建立一个和真实电路一样的仿真模型，以期能以这 个模型来指导我们的改进工作，到现在为止还没有人完整的讨论过。 由于一直以来数字电路的工作频率都比较低，因此大部分的匹配方式都属于 集总匹配口方式，比如得到广泛使用的串行端接和并行端接就是两个l c 匹配的 典范。串行端接是通过在尽量靠近源端的位置串行插入一个电阻r s ( 典型1 0 q 到 7 5 q ) 到传输线中来实现的，如图4 1 所示。串行端接是匹配信号源的阻抗，所插 入的串行电阻阻值加上驱动源的输出阻抗应大于等于传输线阻抗。即这种端接方 法通过使源端反射系数为零从而抑制从负载反射回来的信号再从源端反射回负载 端。 支z n 去 图4 - 1 串行端接一 并行端接主要思想就是在靠近终端的地方连接一个或几个上拉或下拉电阻， 构成一个匹配网络，吸收电流反射，实现和终端的阻抗匹配的目的，并行端接可 分为以下几种类型： ( 1 ) 并行端接 这种端接方式非常的简单，在负载端连接一个到地的电阻即可，为了保证阻 抗匹配，必须保证辟( 碍= z o ) ，如图4 - 2 ( a ) 所示。采用这种端接的条件是驱动端必 须能够提供足够大的输出电平，以保证通过端接电阻的高电平电压满足门限电压 要求。为了保证足够的门限电压以驱动终端，输出电流必定很大，消耗的功率也 将会很大，因此一般来说，很少会采用这种端接方式。 ( 2 ) 戴维宁并行端接 戴维宁( t h e v e n i n ) 端接也叫分压器型端接，如图4 - 2 ( b ) 示。在终端前并联上 拉电阻r 1 和下拉电阻r 2 构成端接电阻，通过尺1 和r 2 网络吸收反射电流。尺1 和 r 2 阻值的选取由下面的条件决定：r l 的最大值由可接收的信号的最大上升时间决 定，冠的小值由驱动源的吸电流数值决定。r 的选择应满足当传输线断开时电路 逻辑高电平的要求。戴维宁等效阻抗可表示为： 第四章信号完整性设计 以= 垡生 1 r + r ( 4 1 ) 为了达到最佳阻抗匹配，要求辟必须等于传输线阻抗z 0 。该端接方案的优点 是对源端器件驱动能力的要求比较低，缺点是由于电阻墨和足连在和 g r o u n d 之间，必将一直在从系统电源吸收电压电流，直流功耗较大。 ( 3 ) 主动并行端接 采用这种端接方法的话，端接电阻b ( 碍= z o ) 将负载端信号拉至一偏移电压 ，如图4 2 ( c ) 所示。圪协的选择依据为：使输出驱动源能够对高低电平信号有 汲取电流能力。这种端接方式需要一个独立的电压源来满足输出电压的跳变速度 的要求，而且要求这个电压源具有吸、灌电流能力。 ( 4 ) 并行a c 端接 如图4 2 ( d ) 所示，并行a c 端接使用集总参数网络( 电容和电阻组成的网络) 作为端接阻抗。一般来说，电阻r 要小于或等于传输线阻抗z 0 ，电容c 采用大于 l o o p f 的电容。1 0 0 p f 的电容相当于一个高通滤波器，在电路中起到隔直的作用， 也就是说r 不是驱动源的直流负载，很明显它不消耗任何直流功耗。 ( b ) 几 u 矗s z o ( d ) 图4 - 2 并行端接各种方式 ( 5 ) 二极管并行端接 当二极管的开关速度至少比信号上升时间快4 倍以上的时候，根据条件和应 用需要，我们可以使用肖特基二极管进行传输线端接。 图4