基于數(shù)字中頻存儲的雷達中頻目標模擬

蔣路華，李 鵬

（船舶重工集團公司723所，揚州 225001）

0 引 言

為了有效地考核雷達的探測概率以及跟蹤精度，對于窄帶雷達系統(tǒng)，可以在中頻采用數(shù)字儲頻的方案來模擬雷達目標回波、假目標以及干擾和雜波信號，以考核中頻接收機及信號處理機等終端設備的性能。在模擬雷達目標時，可以直接利用雷達頻率合成器輸出的中頻信號或者經(jīng)過耦合的雷達中頻信號作為樣本信號進行采集和存儲。由于中頻信號保留了相位信息，對于大多數(shù)相參系統(tǒng)來說，能夠保證相位相參。同時由于中頻信號相對射頻信號的采樣率要低得多，采集的樣本數(shù)據(jù)也就小得多，因此目標延時可以更長。更為重要的就是中頻采集位數(shù)較高，因此能獲得較高的信號動態(tài)范圍和較好的信號雜散指標。

1 數(shù)字中頻存儲

數(shù)字中頻存儲和數(shù)字射頻存儲的基本原理是一致的，使用高速模數(shù)轉換器（ADC）對信號進行采集，將采集后的數(shù)據(jù)進行處理和存儲，然后讀取存儲的數(shù)據(jù)，利用數(shù)模轉換器（DAC）將信號恢復。在模擬雷達目標時，數(shù)字中頻存儲一般將存儲的頻率放在60 MHz左右的中頻，利用中頻欠采樣的方式對樣本信號進行采集，可以直接對采集后的數(shù)據(jù)進行存儲，也可以對采集的中頻樣本信號進行時域抽取和頻譜搬移，以數(shù)字下變頻的方式將中頻信號降至基帶信號來存儲。在信號的恢復方式上也有2種，其一是直接讀取存儲的中頻樣本信號，用數(shù)模轉換器恢復為中頻信號；其二是將存儲的基帶信號進行數(shù)字上變頻調(diào)制，再變?yōu)槟M中頻信號［2］。數(shù)字中頻存儲的2種方式分別見圖1、圖2。

方式2相對于方式1，將中頻樣本信號降至基帶來進行存儲，存儲的樣本信號將更少，能夠獲得更大的信號延時，同時能夠在基帶對信號進行解調(diào)和調(diào)制，應用更廣泛、更靈活，本文主要就方式2進行討論。

圖1 數(shù)字中頻存儲方式1

圖2 數(shù)字中頻存儲方式2

2 樣本信號的采集和目標模擬通道

為了保證雷達系統(tǒng)相位相參和嚴格的時序同步，在雷達目標模擬當中需要采集的信號包括雷達頻率合成器輸出的中頻信號或經(jīng)過耦合的雷達中頻信號、零距離脈沖包絡信號、雷達定時信號、正北脈沖信號（搜索雷達）。在模擬時，以雷達定時信號作為同步信號。雷達目標模擬包括目標回波（含假目標）模擬、雜波模擬以及干擾和噪聲的模擬。模擬通道包括和路中頻信號通道、方位差路中頻信號通道、俯仰差路中頻信號通道以及其它2個中頻信號模擬通道。其系統(tǒng)框圖見圖3。

圖3 雷達目標模擬系統(tǒng)框圖

3 雷達目標模擬

3.1 概述

在獲得了基帶樣本信號后，需要對樣本信號進行調(diào)制來獲得基帶雷達目標回波信號、雜波信號以及噪聲和干擾信號，然后對基帶信號進行合成、調(diào)制來獲得相應的中頻目標回波信號、雜波信號以及噪聲和干擾信號。

3.2 基帶目標回波模擬

基帶目標回波模擬包括脈沖壓縮和非脈沖壓縮雷達目標回波的模擬，在基帶以I、Q 2路進行模擬。對于脈沖壓縮雷達，需要進行匹配濾波，在相應的目標位置上產(chǎn)生1個目標回波信號。匹配濾波實際上就是對樣本信號在時域進行卷積計算，或者在頻域進行有限沖激響應（FIR）濾波。對于非脈沖壓縮雷達，直接對樣本信號進行延時、多普勒以及天線方向圖調(diào)制即可獲得目標回波信號。其目標回波模擬原理框圖見圖4。

圖4 目標回波模擬框圖

基帶樣本信號分2路，其中一路為I通道，另一路為Q通道。I、Q通道分別經(jīng)過多普勒調(diào)制通道和距離衰減通道的調(diào)制送入到目標回波基帶波形產(chǎn)生器當中。數(shù)字控制振蕩器（NCO）用于非脈沖壓縮雷達目標回波模擬，F(xiàn)IR用于脈沖壓縮雷達目標回波模擬。

3.3 基帶雜波模擬

雜波模擬也是以存儲的基帶信號為樣本信號，對基帶樣本信號進行高斯雜波譜的擴展以及海雜波的模擬，高斯雜波譜擴展主要用于模擬干擾、氣象和地雜波。雜波模擬框圖見圖5。

3.4 基帶干擾和噪聲模擬

干擾和噪聲信號主要包括接收機熱噪聲以及有源噪聲干擾信號。由于熱噪聲和雷達信號相關性很差，為白噪聲信號，有源噪聲干擾信號主要以功率壓制為主，因此，干擾和噪聲信號不采取基帶樣本信號調(diào)制的方式產(chǎn)生，而直接采用基帶高斯噪聲展寬的方式產(chǎn)生。

圖5 基帶雜波模擬框圖

3.5 信號合成

在基帶將目標回波信號、雜波信號以及噪聲和干擾信號進行合成。首先使用干擾和噪聲對雜波信號進行調(diào)制，形成雜波和干擾信號，然后I、Q通道分別和目標回波信號疊加，實現(xiàn)基帶功率合成。其功能框圖見圖6。

圖6 基帶功率合成框圖

基帶信號合成之后輸出給數(shù)字上變頻器（DUC），將基帶信號上變頻至中頻信號，然后再通過DAC變?yōu)槟M中頻信號［3］。

對于天線不同通道的基帶信號合成，基本原理都是一致的，只是在基帶信號產(chǎn)生上略有不同，這里不再詳述。

4 信號帶寬和動態(tài)范圍分析

采用數(shù)字中頻存儲的方式進行雷達目標模擬最關心的問題，其一是相位是否相參，其二是所模擬信號的帶寬和動態(tài)范圍如何。對于前者，由于目標模擬本身就是以雷達中頻信號或者經(jīng)過耦合的中頻信號作為樣本信號而獲得的，所以解決了系統(tǒng)相參性問題；對于后者，下面作一些簡要分析。

對于1個60 MHz的中頻樣本信號，根據(jù)中頻欠采樣定理：

式中：f s為信號的采樣率；B為信號帶寬；f0為信號載頻；n為自然數(shù)。

若ADC的采樣率最高可達105 MHz（當n＝2時，實際運行80 MHz），信號帶寬理論值最高為40 MHz，為了降低存儲數(shù)據(jù)率，可以對采集的數(shù)據(jù)在時域基2進行數(shù)據(jù)抽取，根據(jù)式（2）：

式中：B0為采集后的信號帶寬；B為抽取后的信號帶寬；D為數(shù)據(jù)抽取率，取自然數(shù)。

信號帶寬則變?yōu)?0 MHz，再乘以損耗系數(shù)0.8（經(jīng)驗值），信號帶寬變?yōu)?6 MHz；若處理器性能足夠高，存儲容量足夠大，可以不進行時域抽取，信號帶寬理論值最高為40 MHz，加上損耗，信號帶寬可達到32 MHz。對于窄帶雷達系統(tǒng)，中頻信號帶寬一般小于15 MHz，因此在信號帶寬上，數(shù)字中頻存儲是滿足要求的。對于帶寬較寬的雷達系統(tǒng)，可以增加采集通道來增加帶寬，即采用多個儲頻通道并行采集和存儲。

對于信號的動態(tài)范圍，若采用12位的ADC和DAC，根據(jù)香農(nóng)定理可知，信號的動態(tài)范圍理論值為72 d B，考慮到帶寬、噪聲和雜散的影響，信號實際動態(tài)范圍應該可達60 dB［4］。若采用14位的ADC和DAC，實際動態(tài)范圍應該在85 d B左右。

5 結束語

采用數(shù)字中頻存儲的方式來進行雷達中頻目標模擬，特別適合于相參雷達系統(tǒng)的模擬，能夠很好地解決目標相位相參性問題、大延時問題；另外一方面，由于中頻存儲采樣位數(shù)較高，因此也能獲得較高的動態(tài)范圍和較好的雜散指標。

［1］宗孔德.多抽樣率信號處理［M］.北京：清華大學出版社，1996.

［2］Interactive Circuits ＆ Systems Ltd.Software Defined Radio（SDR）Products for Radio and Radar［EB／OL］.http：／／www.ics.com，2000－03－26.

［3］Interactive Circuits ＆Systems Ltd.Digital IF Processing［EB／OL］.http：／／www.ics.com，1999－09－26.

［4］楊小牛，樓才義，徐建良，等.軟件無線電原理與應用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2001.