基于調頻廣播的無源定位系統接收機設計

盧玉杰

（華東電子工程研究所，安徽　合肥　230088）

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基于調頻廣播的無源定位系統接收機設計

盧玉杰

（華東電子工程研究所，安徽合肥230088）

摘要：基于調頻廣播的無源定位系統由于具有隱蔽性好，反隱身等特點，一直受到人們的關注。文章主要基于調頻廣播信號的特征，以及無源定位系統直達波功率遠大于目標回波功率這一特性，對接收機展開研究。分析了適用于基于調頻廣播的無源定位系統的信道化射頻數字接收機的主要特點。

關鍵詞：無源定位；調頻廣播信號；接收機

利用民用FM廣播對目標進行無源定位和跟蹤是一種新的探測目標手段，也是目前國內、國際上比較熱門的一個研究課題。具有許多優點，如隱蔽性好，工作頻帶寬（跨米波和分米波2個頻段），兼具雙基地或多基地的優點，可用于探測隱身目標，其生存能力和生命力是非常強的。由于FM廣播是全向連續發射的，在無源探測系統探測目標時，天線始終處于發射信號的照射下，又由于米波頻段信號的衍射特性以及地雜波和多徑干擾的存在，很難在接收天線上獲得非常好的方向抑制；相對于這種直達波和干擾，目標回波的功率要弱很多，這就要求探測系統的動態范圍必須足夠大，能提取微弱的目標反射波，并不因直達波和干擾而飽和。結合以上特點，以及近年來高速ADC技術和高速信號處理技術的發展，本文將討論針對基于FM廣播信號無源探測系統中大動態、高靈敏度信道化射頻數字化接收系統的設計。

1　FM電臺信號特性分析

頻段：85～110MHz；

FM電臺主要分為單聲道和立體聲2種體制。目前城市中以立體聲電臺較多，而且兩種體制的信號差異不大。調頻廣播電臺的頻段在85～110MHz，規定電臺的通頻帶最大為200KHz，頻道間隔100KHz（單聲道180KHz）。目前FM廣播基本上是立體聲廣播，我國和美、日等國的FM立體聲采用導頻制式。傳遞的信號經過和、差調制，變成立體聲復合信號a（t）；a（t）對主載波進行調制，發射出去。FM信號幅度穩定，信號的瞬時頻率和瞬時帶寬等受調制信號a（t）強度、頻率的直接影響。

FM立體聲調制語音信號頻譜如圖1所示。

圖1　FM信號基帶頻率譜

100%調制時的頻偏：±75KHz；音頻信號最大頻率：15K；

發射天線極化：水平；載頻最大頻偏：Δfmax=±2KHz；

信號中頻間隔：±100KHz；信噪比：高頻1KHz，最大調制度：S/N＞55dB；

38KHz的副載波抑制：≥20dB；

19KHz導頻信號調制度10%，頻偏差＜±2Hz，相位偏差：±5°；

2)試驗表明，41.41%-0.074mm磨礦細度條件下，通過弱磁一粗一精一掃流程可獲得最終精礦鐵品位64.15%，產率87.63%，回收率92.47%。

FM信號由于播送的節目內容a（t）不同，頻譜上存在較大差異。

一般情況下，FM信號的瞬時帶寬在100KHz以內，很少超過150KHz。由于調制的語音或音樂等音頻的信號變化是緩慢的，在一定時間范圍內（如0.1秒以下），可以認為其調頻頻譜是相對穩定的。

2　接收機特性分析

由于FM廣播信號是全向連續發射的，在無源探測系統探測目標時，天線始終處于發射信號的照射下，又由于米波頻段信號的衍射特性及地雜波和多徑干擾的存在，很難在接收天線上獲得非常好的方向抑制；系統接收到的信號是由直達波、多徑干擾和目標回波信號組成，相對于直達波和干擾，目標回波的功率要弱很多，這就要求探測系統能在強的直達波和干擾信號中提取微弱的目標反射波，即要完成在強信號背景下對弱信號的檢測；要求接收機無雜散動態范圍必須足夠大。

調頻廣播應用廣泛，一個地點在85～110MHz范圍內可能收到多達幾十個電臺的信號，如果同時進入接收通道，將會產生嚴重的互調和干擾，使系統無法正常工作，因此必須對頻段進行劃分濾波，頻段劃分過細將帶來設備量和成本的增加，因此頻段劃分的原則是盡可能少的頻段劃分，使同時進入通道的電臺數目盡量少，并且數字接收的多音干擾盡量小。基于SAW 開關濾波器組由于其體積小、易于集成、高矩形系數（高Q值）、帶內線性度以及一致性好等優點廣泛應用于米波頻段接收機設計中，該濾波器同時還可以對AD C采樣時鐘的諧波進行抑制，防止其進入射頻通道放大器并與輸入信號產生互調干擾。

廣播電臺的發射信號波形具有很強的隨機性， 該體制下的無源定位雷達系統主要利用廣播信號的直達波（參考信號）與目標反射波作多普勒相關處理（模糊函數圖）進行檢測和定位。信號在通道間傳播時，接收機前端放大器和混頻器帶來的非線性失真、通道間的不平衡和系統噪聲等因素會降低其相關性。在這一頻段，當前的ADC器件已能夠在該頻段的射頻輸入端進行直接數字采樣后利用數字方法混頻和正交化，避免模擬信號混頻器固有的非線性影響，提高檢測性能。

由于各FM廣播電臺分布的不同，在接收通道中需加入自動增益控制（AGC）適應不同收發間距和天線轉動帶來的信號強度變化。單通道接收機的組成框圖如圖2所示。

圖2　單通道接收機的組成框圖

3　系統設計關鍵點分析

3.1接收通道與A/D接口設計

模數轉換器（A/D）是影響接收機性能的因素之一。AD變換器的有效分辨率制約著接收機的動態范圍；而量化噪聲影響著接收機的靈敏度。接收機設計中，通常將A/D變換器看成一個附加噪聲源，通過計算出接收機與A/D變換器的組合噪聲系數，根據組合噪聲系數的變化來衡量A/D量化噪聲對靈敏度的影響。由經典的噪聲系數定義，可推導出系統組合噪聲系數如下：

Fs=F×（M+1）/M

取對數形式，則有：NFs=NF+10lg（M+1）-10lgM

上式中，M為接收機的輸出噪聲功率與A/D變換器的量化噪聲功率的比值，F、NF為接收機自身的噪聲系數，Fs、NFs為系統的組合噪聲系數。由上述公式可知，M值越大，A/D的量化噪聲對接收機與A/D組合后的總噪聲系數的影響就越小。按現有器件水平，我們可以選擇16位A / D變換器（ADC16DV160）。該A/D變換器的最大采樣率為160MHz，典型滿刻度輸入信號電平是2.0Vp-p（50歐姆阻抗）。據此可計算出該A/D的量化分層電平為Q=0.03mV，則理想情況下量化噪聲電平為Q/（，折合成50歐姆阻抗的功率電平為：-88dBm。這樣理想的情況下接收機噪聲電平遠大于量化噪聲電平，選擇目前最高采樣率及分辨率的ADC是滿足系統設計要求的一個關鍵。

3.2采樣時鐘的產生

在數字化接收機設計中采樣時鐘的產生是一個關鍵，采樣時鐘的沿的抖動將引起ADC的孔徑不確定性，而孔徑的不確定性來自2個方面：一個是ADC內部采保或帶鎖存比較器取樣時，樣本時間延遲的變化，在給定型號ADC說明書中給出了典型值，選定了ADC器件這一項也就確定了；另一個是采樣時鐘本身沿觸發抖動，也就是我們設計時必須考慮的。

在系統中，采樣時鐘的選擇既要滿足帶通采樣定律，也要考慮頻率穩定性，在無源定位系統中，由于采用射頻數字化方案，接收機不需要變頻組件，因此整個系統中不需要混頻本振時鐘，系統所需頻率只是一個低速時序參考時鐘以及采樣時鐘。采用直接頻率合成的方式來實現，可以保證各時鐘具有優良的相位噪聲，同時方案也比較簡單，可靠性高。一個高性能的時鐘源，除優秀的方案和合理的設計外，選擇一個合適的高質量參考源也是至關重要的。

4　結語

利用民用FM廣播對目標進行無源定位和跟蹤是一種新的探測目標手段。本文對其接收機特點進行了初步分析，確定了信道化RF數字接收機的方案，具體的細節問題還有待于進一步解決。

［參考文獻］

［1］趙洪立，吳鐵平，保錚.基于調頻廣播單站無源定位系統的低空探測［J］.現代雷達，2005（10）：64-67.

［2］伍小保，王冰，鄭世連，等.米波雷達射頻數字化接收機抗干擾設計［J］.雷達科學與技術，2015（4）：87-90.

［3］丁鷺飛，耿富錄.雷達原理［M］.西安：西安電子科技大學出版社，1995.

Receiver Design of Passive Location System Based on FM Broadcast Signals

Lu Yujie
（East China Electronic Engineering Research Institute， Hefei230088， China）

Abstract：The passive location system based on FM broadcast signals has been paid attention to by people because of its good invisibility, anti stealth and so on. This paper mainly based on the characteristics of FM broadcast signals, as well as the direct wave power of the passive location system is much larger than that of the target echo power. The main features of the channel radio frequency digital receiver which is suitable for passive location system based on FM broadcast is analyzed.

Key words：assive location; FM broadcast signals; receiver

作者簡介：盧玉杰（1986-），男，山西大同，工程師；研究方向：電子對抗，雷達接收機及高速數據采集。