采用全數(shù)字接收機(jī)的航管二次雷達(dá)系統(tǒng)研究

馮華平

摘 要：全數(shù)字接收機(jī)技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，本文給出了一種采用全數(shù)字接收機(jī)技術(shù)的航管二次雷達(dá)系統(tǒng)方案，對(duì)系統(tǒng)中全數(shù)字接收機(jī)部分進(jìn)行了重點(diǎn)論述。經(jīng)實(shí)際使用，證明了全數(shù)字接收機(jī)技術(shù)應(yīng)用于航管二次雷達(dá)系統(tǒng)中是可行的。

關(guān)鍵詞：航管二次雷達(dá) 全數(shù)字接收機(jī) 直接數(shù)字合成

中圖分類號(hào)：TN959.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）08（b）-0010-01

航管二次雷達(dá)是應(yīng)用于傳統(tǒng)空中交通管制系統(tǒng)中的重要設(shè)備，可對(duì)空中合作目標(biāo)進(jìn)行有效監(jiān)視，能夠向管制中心提供目標(biāo)的方位、距離、A代碼和氣壓高度等信息，具有S模式的二次雷達(dá)與普通A/C模式的二次雷達(dá)相比，不僅可以提供更好的監(jiān)視能力，還可以提供空中和地面的數(shù)據(jù)鏈接能力[1]，增強(qiáng)地面與空中目標(biāo)的信息交互。

航管二次雷達(dá)工作于L波段，最初采用的是視頻采樣技術(shù)。隨著雷達(dá)接收機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了數(shù)字中頻采樣技術(shù)，該技術(shù)已經(jīng)十分成熟，因此視頻采樣技術(shù)逐漸被數(shù)字中頻技術(shù)替代。近年來，雷達(dá)接收機(jī)的數(shù)字化水平越來越高，超高速數(shù)字電路技術(shù)迅速發(fā)展，目前L波段的全數(shù)字化接收機(jī)技術(shù)已經(jīng)逐步成熟。本文介紹了采用全數(shù)字化接收機(jī)技術(shù)的航管二次雷達(dá)系統(tǒng)的組成和原理，重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)中的全數(shù)字接收機(jī)部分，并在實(shí)際的項(xiàng)目中對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 航管二次雷達(dá)系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)組成

航管二次雷達(dá)一般由天線系統(tǒng)（包括天線、天線座和伺服系統(tǒng)）、饋線系統(tǒng)、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、信號(hào)處理器、數(shù)據(jù)處理器和顯示與控制單元組成。

1.2 系統(tǒng)工作原理

（1）二次雷達(dá)詢問信號(hào)的產(chǎn)生。

在航管二次雷達(dá)的顯示與控制單元界面上可以對(duì)二次雷達(dá)的工作模式進(jìn)行設(shè)置，該設(shè)置命令發(fā)給二次雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理器，數(shù)據(jù)處理器將命令轉(zhuǎn)發(fā)給信號(hào)處理器的定時(shí)模塊，由定時(shí)模塊產(chǎn)生詢問脈沖序列，送往接收機(jī)的激勵(lì)模塊進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)送發(fā)射機(jī)進(jìn)行功率放大，得到大功率的射頻信號(hào)，該射頻信號(hào)經(jīng)饋線系統(tǒng)傳輸至天線，由天線向空間輻射。

（2）二次雷達(dá)對(duì)應(yīng)答信號(hào)的接收與處理。

飛機(jī)上的應(yīng)答機(jī)接收到詢問信號(hào)后，會(huì)對(duì)詢問信號(hào)進(jìn)行模式判別，然后根據(jù)詢問模式產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)答脈沖序列，再對(duì)應(yīng)答脈沖序列進(jìn)行調(diào)制和功率放大，形成大功率射頻信號(hào)，送往應(yīng)答機(jī)天線，由天線向空間輻射。

二次雷達(dá)的天線接收到應(yīng)答信號(hào)后，通過饋線系統(tǒng)將應(yīng)答信號(hào)送入接收通道，根據(jù)系統(tǒng)方案的不同，接收通道可以輸出射頻信號(hào)，也可以輸出中頻信號(hào)或視頻信號(hào)，送入信號(hào)處理器做應(yīng)答預(yù)處理、應(yīng)答處理，處理形成的應(yīng)答報(bào)告送往數(shù)據(jù)處理器進(jìn)行點(diǎn)、航跡處理，最終形成航跡報(bào)告，送往顯控終端或管制中心進(jìn)行顯示。

2 采用全數(shù)字接收機(jī)的航管二次雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 全數(shù)字接收機(jī)與信號(hào)處理器功能模塊劃分

全數(shù)字接收機(jī)由模擬部分和數(shù)字部分兩部分組成。

（1）模擬部分。

模擬部分對(duì)天線來的射頻應(yīng)答信號(hào)進(jìn)行濾波和低噪聲放大，對(duì)數(shù)字部分產(chǎn)生的D/A輸出信號(hào)進(jìn)行濾波和放大，另外還產(chǎn)生系統(tǒng)所需的時(shí)鐘。

（2）數(shù)字部分。

數(shù)字部分對(duì)定時(shí)模塊產(chǎn)生的基帶信號(hào)進(jìn)行數(shù)字上變頻和D/A轉(zhuǎn)換，對(duì)模擬部分輸出的放大后的射頻應(yīng)答信號(hào)進(jìn)行射頻A/D采樣和數(shù)字下變頻。

與全數(shù)字接收機(jī)相匹配的信號(hào)處理器的組成及模塊劃分與傳統(tǒng)的航管二次雷達(dá)信號(hào)處理器相同：均由定時(shí)模塊、應(yīng)答預(yù)處理模塊和應(yīng)答處理模塊組成，完成詢問序列的產(chǎn)生和應(yīng)答處理功能。其不同之處在于定時(shí)模塊產(chǎn)生的詢問序列的信號(hào)形式不同：傳統(tǒng)的定時(shí)模塊產(chǎn)生的是脈沖框架，采用DDS方式的定時(shí)模塊產(chǎn)生的是數(shù)字化的I/Q序列。

2.2 全數(shù)字接收機(jī)與信號(hào)處理器硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中將接收機(jī)模擬部分的功能合并為一個(gè)模塊，接收機(jī)數(shù)字部分與信號(hào)處理器集成在一塊印制板上。

接收機(jī)模擬部分由濾波和放大電路、激勵(lì)放大電路和時(shí)鐘源組成；數(shù)字部分由兩塊FPGA、DAC和射頻ADC組成[3]。（在FPGA中完成數(shù)字上變頻、數(shù)字下變頻、定時(shí)和應(yīng)答處理功能）。

數(shù)字上變頻的功能包括濾波、內(nèi)插和混頻，即將數(shù)字I/Q序列分別通過FIR內(nèi)插成型濾波器，將數(shù)據(jù)的采樣頻率提高到射頻采樣頻率，NCO產(chǎn)生兩路完全正交的數(shù)字離散載波，保證調(diào)制時(shí)I、Q兩路數(shù)據(jù)完全正交[4]。合成后的信號(hào)送DAC，產(chǎn)生模擬的激勵(lì)信號(hào)。

數(shù)字下變頻的功能包括混頻、濾波和抽取，即將射頻數(shù)字信號(hào)變成零中頻數(shù)字信號(hào)，通過濾波器將需要的信號(hào)濾出來，通過抽取將數(shù)據(jù)速率盡可能降低[3]。

2.3 全數(shù)字接收機(jī)與信號(hào)處理器的工作過程

全數(shù)字接收機(jī)的工作過程為：

定時(shí)器產(chǎn)生正交調(diào)制的I/Q數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)字上變頻、D/A轉(zhuǎn)換、帶通濾波、放大，形成1030MHz的激勵(lì)信號(hào)送發(fā)射機(jī)；

天線來的應(yīng)答信號(hào)經(jīng)過接收通道的濾波和放大后，輸出1090MHz的射頻信號(hào)進(jìn)行射頻A/D采樣，然后進(jìn)行數(shù)字下變頻，輸出基帶的I/Q信號(hào)送信號(hào)處理器做應(yīng)答預(yù)處理和應(yīng)答處理。

2.4 接收機(jī)技術(shù)指標(biāo)要求

（1）接收靈敏度：優(yōu)于-90 dBm。（2）接收帶寬：8 MHz±1 Hz。（3）接收動(dòng)態(tài)范圍：不小于80 dB。要達(dá)到指標(biāo)，接收通道及ADC的動(dòng)態(tài)范圍均需達(dá)到80dB，ADC的位數(shù)至少需要14位。（4）接收通道增益.由于射頻ADC的噪聲相對(duì)中頻ADC的噪聲要大一些，因此采用射頻ADC的接收通道增益應(yīng)比采用中頻ADC的接收通道增益適當(dāng)大一些，以減小系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，保證系統(tǒng)靈敏度能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)測(cè)的全數(shù)字接收機(jī)指標(biāo)如下。

（1）接收靈敏度達(dá)到了-95dBm。（2）接收帶寬8MHz。（3）接收動(dòng)態(tài)范圍為81dB。

將該采用全數(shù)字接收機(jī)的航管二次雷達(dá)接入天、饋線及伺服系統(tǒng)平臺(tái)，在外場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

經(jīng)過實(shí)際觀測(cè)，雷達(dá)的作用距離不小于400 km，目標(biāo)的距離精度為43 m，方位精度為0.08°，航跡平滑、連續(xù)。

4 結(jié)語

本文首先介紹了航管二次雷達(dá)的系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理，然后給出了采用全數(shù)字接收機(jī)的航管二次雷達(dá)系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)論述了系統(tǒng)中的全數(shù)字接收機(jī)部分，最后給出了采用全數(shù)字接收機(jī)的航管二次雷達(dá)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

本文涉及的全數(shù)字接收機(jī)已應(yīng)用于航管二次雷達(dá)上。經(jīng)工程實(shí)踐證明，采用全數(shù)字接收機(jī)的航管二次雷達(dá)方案是可行的，后續(xù)還需對(duì)雷達(dá)的測(cè)量精度做進(jìn)一步的優(yōu)化，以滿足實(shí)際使用的要求。

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