雷达数字中频接收机及数据处理系统.doc

雷达数字接收机及数据处理系统一、 前言 软件无线电的思想已在通信、雷达等领域进行了应用性研究，并取得了可喜的成果。其高性能数字式接收系统中，常以高速ADC和高性能DSP为基础，以现代的先进信号处理技术为核心。中频接收机中采用数字混频法（直接中频采样、数字下变频、数字I/Q解调）或直接I/Q采集法得到数字正交信号，降低了转换误差、得到了良好的幅度平衡度和相位平衡度、提高了正交性、消除了零点漂移。这表明了在镜频抑制比上的明显优势。尽管如此，完全软件无线电尚未实用化，究其原因主要是接入瓶颈的限制，即ADC很难在速度、分辨率、价格方面同时占优，高速、高分辨ADC制作难度较大，导致在要求极宽动态范围的多通道宽带接收机（使用AGC会导致强信号压制弱信号的问题）或雷达接收机中实用化的难度。二、数字中频系统欠采样原理可有效降低对中频的采样率，现代数字信号处理理论指出了在ADC有限动态范围条件下提高系统信噪比SNR的办法，先进的数字信号处理器技术为实现这种算法提供了实现空间。目前，国内外同行已着手或正在进行这方面的研究和尝试。我们要解决的主要问题是从直接中频采集中获得足够宽的动态范围，并研究合适的处理算法以及获取性能足够高的信号处理器。 直接中频采集变换单元：a) 根据Shannon通带采样原理(2fo+B)/(K+1)fs(2fo-B)/K，且fs2B，K为任意正整数，则信号被不失真采样，采样率不必高于中频上边频的两倍，这是欠采样原理。高采样率将ADC的噪声基底Noise_Floor = 6.02N+1.76+10log(fs/2)分布到更宽的频带而被压得更低，因此在ADC允许的条件下尽可能提高采样率将对噪声特性有利。b) 高分辨率高速采集：宽的模拟信号输入带宽、低的采样时钟的相位抖动和加颤（或称加扰）Dither技术可使噪声频谱扩展，噪声电平相对降低，相应的会增加无杂散信号动态范围SFDR和降低非线性误差DNL是提高ADC性能的关键，模/数隔离和有效的抗干扰措施是实现ADC高性能的保证，二者既重要又艰难。 数字中频信号处理单元：a) 在有限条件下提高系统动态范围：ADC自身的动态范围不能光靠提高分辨率指标获得，并且分辨率也不能无限提高，因此只有依赖于从噪声中挖掘信号的办法来提高动态范围，包括抽取处理增益、低信噪比处理增益和近饱和处理增益，这要探讨比较合理的算法。b) 根据信号处理理论SNR=6.02N+1.76+10log(fs/2B)，高转换率抽取为低采样率将导致SNR的改善，从而获得处理增益10log(fs/2B)，提高系统动态范围。c) 如果雷达数据进行脉间平均，则由于回波信号的脉间相参性/相关性，平滑后噪声被抑制，系统信噪比SNR也略有提高（相参雷达约有近4dB的收益。）d) 中频采样不同于基带采样，只要设置合适的ADC饱和点，则可通过某种校正方法获得部分饱和处理增益（国外已获得约6dB的饱和处理增益。） 数字正交处理单元：a) 数字中频通过和复本振信号数字混频并通过数字滤波器处理可得到正交基带信号。b) 当使用I/Q直接采样fs=4fo /(2M-1)2B(M为正整数)时，可采用希尔伯特变换、数字内插或多相滤波等多种方法得到正交基带信号。 数字信号处理器单元（DSP应用程序）：a) 基于DSP的信号处理器实际上就是实现某种算法的程序代码。利用MATLAB这一强有力的理论/工程工具平台，可仿真、验证算法的有效性，对最新DSP器件进行控制/算法编程，可灵活实现相应处理功能，并保证接收机动态范围比ADC有更大的提高。b) 寻求最佳正交处理及滤波算法：不同的正交处理方法要求不同的滤波算法，其实现难度也有较大差异，同时还会导致解调信号性能的优劣。合适的中频、采样频率，可较好的抑制带外信号。 研究准备：a) 已对Dither、降时钟抖动、高速采集、欠采样、数字中频正交处理、获取处理增益等方面的原理和实现技术进行了较为深入的探讨，这将对全面的研究、的实施和进一步的探讨有所帮助。b) 初步探索：由(自行制作的双通道80MHz宽带/20MSPS高速/12bits高分辨)模数转换电路采集得到的雷达数据和计算机仿真数字正交结果的初步比较，定性说明本项目的可行性。c) 相关工作经验：中频线性放大器、中频瞬时AGC、模拟正交解调电路、ASIC、高速接口、DSP软硬件系统的开发经验以及雷达系统的研发、调试、安装经验。d) 相关项目研究的借鉴：教育部青年骨干教师资助项目“5公分天气常规雷达多参数化改造的研究”涉及的相位信息问题有一定的相关性。e) 已有工作条件：雷达系统、逻辑分析仪、MATLAB工具软件平台、中级DSP开发系统及软件仿真器、EPLD开发系统、宽带高速高分辨ADC器件（250MHz、65MSPS、14bits）。 创新性a) 系统：窄动态范围数字接收处理技术目前国内已有研究成果，基于AGC技术的宽动态范围数字接收处理系统在国外已有产品。但它是利用模拟的办法补偿数字系统的不足，存在精度、稳定性和一致性等问题。本项目的大动态范围、纯数字式的接收处理系统的建立将在系统性能、实现成本、电路简洁程度、制造便利性等方面具有明显优点。b) 模/数转换：在ADC技术上，Dither是以前提出来但因各种原因并未使用，现在国外将其作为一种新技术应用于产品中。c) 处理增益：由于器件速度和处理技术的限制，处理增益以前也只是设想，由于集成电路制造工艺的飞速发展，以及处理算法的快速进步，特别是ADC和DSP技术的日新月异，现在已变得趋于实用化了。 先进性a) 在直接中频采样正交性方面，9499年间，孙晓兵用希尔伯特变换、高玉良用贝塞尔中间插值、吴远斌/李景文用多相滤波(这些属直接I/Q采样)，而梁志霄则采用数字混频，先后分别进行了研究。条件3.57.5MHz中频、410MHz采样率、80K1MHz信号带宽、12bits ADC，结果I/Q幅度误差0.0080.4dB，相位误差0.10.25，令人满意。b) 本项目采用14bits ADC、57.6(4867)MHz中频、46MHz采样率、2MHz信号带宽，有望正交性超出上述水平。同时国内尚未解决的宽输入频带、大动态范围(85100dB)、高处理精度、优良稳定性等将是我们研究解决的目标，具备先进性。国际上，2000年12月，美国Segmet公司类似技术的RVP7/IFD雷达数字中频系统研制成功。其参数为14bits ADC、36MHz采样率、当使用2232MHz中频、2MHz信号带宽，动态范围约95dB。三、数字中频系统在相参雷达和非相参雷达中的应用 本项目的目的是研制一个在相参雷达或/和非相参雷达等领域通用的宽输入频带、高动态范围、优接收性能的数字中频接收机系统，用于这类脉冲雷达接收机中，取代模拟中频系统，具有实用价值。在非相参雷达中，中频数字接收机性能会有所降低，但其稳定性和动态特性会明显优于模拟系统。除此以外，还可以很方便的在接收机的AFC系统中改制成数字AFC电路。同时，最为一种远景，常规雷达也有希望获取多普勒速度信息。目前，国内外常用的气象多普勒雷达有两种制式，即全相参和半相参（也称中频相参或准相参）。全相参雷达可直接测得多普勒频移，而半相参雷达则需采用某些算法来消除非相参带来的随机性后可测得多普勒频移。全相参雷达需整机锁相，结构复杂，成本较高。而半相参雷达只要求稳频不锁相，结构简单，成本较低，但性能不够理想。我国现有常规（磁控管）气象雷达数量极多，如能将常规气象雷达不作较大的变动而改造成可测速的多普勒雷达，则其意义重大。雷达测速就是测量多普勒频移fd，雷达发射脉冲较窄，其发射频率f0可认为不变，则雷达回波频率fe与发射频率f0之差f即是多普勒频移：fdffef0只要雷达发射机采用频率稳定度较高的磁控管，则发射频率f0不变的假设很容易实现。这样只要对接收机进行改造，测量出发射机的初始相位和频率，在回波中将这些随机初始量扣除，再进行相应处理即可演算出回波速度来。四、性能指标1、 ADC性能指标：a) 模拟输入i. 信号类型：交流中频信号ii. 中心频率范围：1060MHziii. 带宽：2MHz（可根据要求改变）iv. 输入阻抗：50/75v. 输入电平：-82dBm12dBmb) 抗混叠滤波器i. 中心频率：对应中频频率ii. 带宽：2MHzc) A/D转换器i. 分辨率：14bitsii. 无失真输入信号电平：-77dBm10dBm（125uVp_p2Vp_p）iii. SNR：74dB(对应30MHz中频时)iv. 有效位：12.3bitsv. 采样时钟：1555MHz，与中频锁相vi. 输出：二进制补码，14bits2、 数字中频性能指标：a) 输入i. 格式：二进制补码，1416bitsii. 数据采样率：1560MSPSb) 处理单元i. 数字下变频