雙通道相關干涉測向接收處理技術研究

【摘要】相關干涉測向是通過測量不同天線單元在不同的波前位置所接收的信號之間的相位差，再將測得的相位差與已知的某角度入射波的相位差（即樣本）進行比較。經過相關運算和插值處理，從相關性最大的數據測定無線電波來波方向。相關干涉測向體系是目前應用最多的一種無線電測向體制，由于其優異的性能，在軍事和無線電管理上得到廣泛的應用。相關干涉測向系統由測向天線和接收處理單元組成，其中接收處理單元由雙通道接收機和測向處理器組成，負責對測向天線陣不同基線兩端射頻信號進行接收，分析相位差并進行相關計算。

【關鍵詞】雙通道干涉測向無線

一、雙通道接收機

測向接收機的作用是把從測向天線中收到的射頻信號轉換成中頻信號，供測向處理器分析。以前大多數接收機都是全部使用模擬電路，但目前最先進的接收機已把數字技術和數字信號處理器引入到接收機中。ITU對用作VUHF頻段無線電監測的模擬或數字接收機的關鍵性能指標有以下典型推薦值：

數字接收機比模擬接收機在頻率轉換、濾波、增益控制和解調上有更優越的性能和靈活性。數字接收機將模擬中頻信號數字化，并經過數字信號處理器實現濾波、微調諧和解調。數字化中頻輸出可用作進一步的處理，如調制度、帶寬和信噪比等指標的測量。干涉儀測向機只需從接收機的模擬中頻輸出中提取相位信息。

在接收機的射頻特性方面，接收靈敏度越高越好，但是高靈敏度的射頻放大器往往會導致較差的線性度，產生接收互調，使接收機產生大量的假信號，影響正常接收。因此，接收機除了有高的靈敏度外，高的二、三階互調截獲點和低的噪聲系數也至關重要。

除了要有合適的性能指標外，測向接收機的兩個通道都必須是同型和同本振，以確保兩通道的相幅一致。

測向系統通常安裝在地勢最高的山頂，以達到最大的覆蓋范圍。但往往廣播電臺也出于此目的將發射臺放在同一山頂，這種情況經常碰到。為了避免由于附近強信號造成的阻塞，在這種情況下可在射頻前端插入廣播頻段的20dB帶阻濾波器。

計算機可通過以太網接口對接收機進行控制，實現頻率設定，功能器件選擇，濾波器、解調方式、增益控制、靜噪的設置，以及接收機自檢等等功能。接收機模擬中頻輸出直接用于干涉儀測向。

二、測向處理器

來自雙通道接收機的兩路模擬中頻信號在測向處理器中提取出相位差信息，作相關運算后得出示向度。測向處理器通常是裝有信號處理器的計算機，由信號處理器來完成相位差的測量，再由計算機作相關運算，并完成測向顯示功能。

測量相位差通常有兩種方法，一種是用鑒相器直接測量兩路模擬中頻信號的相位差，再作A/D轉換，該方法通常應用在窄帶信號；另一種方法是先把模擬中頻信號經A/D轉換，數字中頻數字下變頻成基帶信號，最后在DSP中作FFT及相位差提取，通常用在寬帶測向。后者的測量精度往往比前者要高，下面介紹基于這種方法的設計方案

快速寬帶測向系統通常先把兩路寬帶中頻信號作A/D轉換成數字中頻，再經數字下變頻（DDC）后成基帶信號。對基帶信號經FFT轉成頻域，同時保留兩路信號在同一時刻的相位信息。對在頻率域上信號進行數字鑒相得到相位差數據作相關運算，最后得出相應的示向度（如圖3左圖）。也可以將基帶時域信號先進行數字鑒相，再作FFT（如圖3右圖）。兩種方法中前者的鑒相精度會略高于后者，尤其在低信噪比的情況下。

有兩種方法實現以上功能：一種是基于計算機的方法：A/D轉換和數字下變頻由硬件實現，FFT、數字鑒相和相關運算在計算機上由相應軟件實現。因為A/D轉換和數字下變頻目前都有專用的芯片和處理板，無需對硬件編程，實現較為簡單。但大量的運算在計算機上完成會影響測向處理的速度。另一種是基于DSP/FPGA的方法：所有功能均由硬件實現，除了A/D轉換和數字下變頻專用芯片外還需要有高速信號處理器。這種方法需要對DSP作繁復的編程，但測向處理的速度較快，測向的實時性強。而且運用DSP還可以完成對信號的解調、采集以及對接收機增益等的控制等。運用FPGA和DSP來代替計算機完成測向處理的功能，而計算機僅用于實現數據接口和結果顯示的功能。以下是基于這種方法的測向處理的設計構想。

雙通道接收機輸出的兩路模擬中頻信號經ADC和DDC完成數字化、下變頻和數字濾波，再在FPGA中完成復信號的FFT。由于用FFT運算復雜，用DSP實現時占用大量資源，速度較慢（ADSP作1024點FFT要將近1ms），不利于寬帶高速測向。FPGA具有高的可重配置性、巨大的I/O帶寬、高速的運算能力能完成系統控制邏輯和執行運算速度快的算法，完成1024點復數FFT僅需幾十微妙。兩路頻域基帶信號在DSP中完成數字鑒相和相關運算。

以上方法都是通過FFT加窗的方式來得到在FFT帶寬內信號的對應解析度頻譜的示向度。解析度越細，完成一次FFT帶寬測向的時間越長。另外還可以先對基帶時域信號依指定的解析度帶寬作窄帶濾波，再做時域鑒相。這種方法可以避免FFT的加窗泄漏造成的頻譜干擾，但實現起來比較困難。