機場天氣雷達雙通道數字中頻處理系統的實現

馬　勇

(民航西南空管局 氣象部,　成都 610225)

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機場天氣雷達雙通道數字中頻處理系統的實現

馬勇

(民航西南空管局 氣象部,成都 610225)

機場天氣雷達要求能夠從復雜的天氣環境中識別不同的天氣狀況以保障航空飛行安全，其接收機大動態以及抗噪性能設計對雷達至關重要。在分析模數轉換器(ADC)對雷達中頻接收機動態范圍制約的基礎上，根據中頻帶通采樣和數字下變頻的原理，實現了基于現場可編程門陣列的雙通道ADC采樣數字中頻處理系統，并給出了系統的設計原理、方法以及測試結果。通過對雙通道ADC采樣的數字中頻處理系統的實現，能夠很好地提高天氣雷達接收機的動態范圍，并應用于機場多普勒天氣雷達數字中頻接收機。

機場天氣雷達；數字中頻；數字下變頻；數字濾波;動態范圍

0　引　言

數字中頻接收技術是近年來迅速發展的數字技術之一，具有瞬時動態大、失真小、幅相一致性和I/Q正交性高等特點[1-3]，該技術已經廣泛應用到機場天氣雷達系統之中。機場天氣雷達的目的是保障終端區航空飛行氣象安全，因此其監測的氣象目標較為廣泛，從晴空風切變到強降水、雷暴均需要準確探測，而且監測距離范圍達到200 km以上。這些氣象目標具有反射能力差別懸殊、變化迅速的特點，其回波幅度變化范圍較大。一般來說，各類氣象目標的變化范圍超過100 dB，所以大動態范圍成為機場天氣雷達設計追求的目標。由于機場天氣雷達需要準確測量以利于反演降水量及判斷危及航空安全的天氣現象。因此，要求在大動態范圍中保持較高的線性度。過去雷達采用模擬接收機，中頻則采用自動增益控制技術來滿足大動態范圍的要求。近年來，數字中頻接收機的應用提高了雷達性能，簡化了雷達結構，同時，為實現高線性度大動態范圍提供了更多的方法。

當前國內機場多普勒天氣雷達普遍采用單通道模數轉換器(ADC)采樣進行數字化處理，這種方式容易導致系統動態范圍受限于ADC動態[4]。本文采用雙通道數字中頻處理技術，可將動態范圍擴展超過100 dB，滿足機場天氣雷達的使用要求。

1　模數轉換器及動態范圍

采用數字化中頻接收技術首先要進行模數(AD)采樣，雷達的動態范圍往往受限于ADC的動態[4]。動態范圍為最強信號與最弱可檢測信號的功率之比，最強信號功率往往采用ADC輸入的飽和值，最弱信號一般采用靈敏度的功率值。可見，對于ADC動態(最大信噪比)而言，影響其大小的因素主要有兩個：一是ADC的飽和功率大小，二是ADC的量化噪聲功率大小。這就意味著如果回波功率超過ADC的飽和功率，雷達系統就會發生過載現象，造成目標失真；而如果回波功率低于ADC的量化噪聲功率，信號則會淹沒在噪聲當中，必須通過數字信號處理才能把信號從噪聲中提取出來。

ADC的最大輸入范圍通常定義為振幅與ADC的最高電平相匹配的正弦波。如果信號比這個最大電平還大，則輸出波形將被限幅。如果一個輸入信號比該信號小，則不是所有的比特位都能被置位。最大電平通常決定動態范圍的上限。如果沒有噪聲且輸入電壓與ADC的最大范圍匹配，則最大電壓Vmax為

Vmax=2b-1×q

(1)

式中：b為AD位數；q為每一量化電平的電壓。式(1)表明正弦波可以達到最大量化電平的頂部和最小量化電平的底部。

幅度與最大電壓相匹配的正弦波的功率為

(2)

式(2)中，輸入阻抗假設為單位阻抗，在實際計算中需要包含實際阻抗以獲取實際的功率，但不影響我們的分析。

ADC將模擬信號轉化成數字信號的過程是一個非線性過程，在正弦波的真實值和量化值之間存在一個差值，這個差值隨著ADC分辨率(位數)的提高而不斷減小，但一直存在，這就是量化噪聲。研究表明量化噪聲在量化電平q上是均勻分布的，概率密度為1/q，這樣就可以求得量化噪聲功率

(3)

這就是理想ADC的靈敏度電平，將之代入動態范圍的公式

10lg1.5+20blg2=1.76+6.02b

(4)

采樣后進行信號抽取，則數字信號處理得益為

D=10lg(fs/2B)

(5)

式中：fs為ADC的采樣時鐘；B為信號帶寬。

由式(5)可見，b和fs兩個指標都會對接收機動態D產生影響。ADC芯片的采樣頻率fs每增加1倍，接收機瞬時動態D改善3 dB，分辨位數每增加1位，接收機瞬時動態增加6 dB。14 bit的ADC動態范圍理想情況下也僅有84 dB左右。實際上，AD的信噪比還受到其他因素的影響，提高采樣率則時鐘抖動對AD的影響變大，當AD位數提高，導致最小量化電平降低對參考電源要求更高。當工藝水平達不到相當水平非線性失真和線性失真將大大限制AD的有效信噪比。14 bit的AD變換器目前達到的有效信噪比在76 dB左右，遠低于84 dB的理想水平，這對于100 dB的天氣變化范圍要求，很難完全滿足需求。

2　系統原理和設計構架

本設計中系統動態范圍擴展的核心是模擬中頻信號經過功分器后變成兩路中頻模擬信號，它們分別進行功率放大和功率衰減后送入ADC中進行數字化處理，之后對下變頻輸出的從屬于每一路的I/Q信號通過算法進行選擇鏈接，輸出一路I/Q信號。下面結合天氣雷達接收機對系統原理進行分析。

天氣雷達接收機系統原理圖如圖1所示[5]。雷達接收機的動態范圍一般是由圖1中的低噪放大器(LNA)限定的(一般大于100 dB)，現有工藝技術下模擬器件對系統動態影響很小，可以忽略不計。對于單路中頻采樣的動態，如果采用14 bit量化的ADC，動態范圍大約可以達到82dB(1MHz帶寬)，則靈敏度為+6 dBm(最大輸入信號)-82 dBm = -76 dBm。

圖1　雷達接收機框圖

本文設計方案原理是采用兩個ADC進行采樣，其中，一個ADC處理高端信號，另一個ADC處理低端信號。14 bit的ADC動態為82 dB，那么兩個ADC協作的動態理論上就可以達到2 dB×82 dB=164 dB。因此，充分利用這兩個ADC，使得所需要的動態范圍通過放大和衰減都能在其中某一個ADC中非飽和情況下得到檢測。

假設接收系統輸入端等效噪聲就是熱噪聲，模擬前端的噪聲系數是1 dB，這樣模擬前端的噪聲基底就是

Nn=kTNA=-114dBm/MHz+1dB=

-113dBm/MHz

(6)

式中：k為玻爾茨曼常數，k=1.38×10-23J/K；T為290 K；NA為模擬前端噪聲系數。

再假設模擬前端的增益為G，這樣我們就可以計算出數字中頻輸入端的噪聲為-113 dBm/MHz+G。為了獲得最佳的動態范圍和靈敏度需要折中考慮，也就是確定前端增益G。我們用Ni和Nd分別表示輸入到數字中頻的噪聲功率和數字中頻自身的噪聲功率。需要說明的是為了使前后的帶寬一樣我們這里討論的均以1 MHz帶寬為基準，所以這里所說的噪聲功率可以理解為噪聲密度，實際使用中以系統的最終帶寬為準。這樣就可以計算靈敏度損失和動態范圍損失，分別記為ΔS和ΔD

(7)

這兩個特性都取決于輸入到數字中頻的噪聲功率和數字中頻自身的噪聲功率的比值，即

(8)

從式(7)可以看出接收系統的動態范圍極限值就是數字中頻的動態范圍，同時，靈敏度也將損失殆盡。當比值R=1時(輸入噪聲和自身噪聲相同時)，靈敏度和動態范圍同時損失3 dB，這與傳統計算一致。在靈敏度與動態范圍的取舍中建議在保證靈敏度的情況下盡量減少動態范圍的損失。在這里取1 dB的靈敏度損失，動態范圍將損失6.9 dB，R=5.9 dB，系統的增益G的取值如下(Nd=-76 dBm/MHz)

G=-76dBm/MHz-(-113dBm/MHz)+R=

42.9dB

(9)

假設LNA的噪聲系數為1 dB、動態范圍為105 dB(-113 dB～-8 dB)，這樣輸入到AD端口的信號將達到-70 dBm～+35 dBm，這在小功率放大器中是不可能的，也是不現實的。在實際電路中可以使用不同的增益配置分成兩段：一段采用43 dB的增益，保證小信號能在-70 dBm～+10 dBm(10 dBm為放大器的飽和電平)；一段采用14 dBm的增益，保證大信號不飽和，輸入信號為-94 dBm～+6 dBm。這樣就能保證104 dB動態范圍。

為驗證系統作如下假設：

(1)模擬中頻信號經過功率分配器產生兩路模擬中頻信號，則每一路中頻信號功率為原來的1/2，兩路模擬中頻信號動態范圍均為76 dB(-70 dBm～+10 dBm)。

(2)第1路信號加入衰減器，衰減大小4 dB，則第1路模擬中頻信號輸出S1動態范圍為76 dB(-80 dBm～+6 dBm)，模擬大信號；第2路不處理，模擬信號限幅至10 dBm，第2個通道信號功率為-70 dBm～+10 dBm，模擬小信號。

通過以上分析可見，105 dB 動態范圍的中頻信號經過數字化處理后都會不失真地存在于第1路或第2路信號中(并有交疊)，我們所需要做的工作就是把這兩個通道中的信號通過數字信號處理的方式分離并組合出不失真的I/Q信號，進而求出回波信號的幅度和相位信息。

系統設計構架如圖2所示。

圖2　系統設計框圖

3　雷達中頻處理系統實現

本系統的中頻硬件板設計構成，如圖3所示。圖中，系統的硬件組成主要包括Altera StratixII EP2S30F484C5現場可編程門陣列(FPGA)、AD采樣芯片AD6645、時鐘轉換芯片AD9510以及電源管理模塊。同時，為了滿足FPGA硬件配置以及信號差分傳輸的需要，系統中還包括EPCS16配置芯片和AM26LS31差分傳輸芯片。

圖3　雷達中頻處理硬件結構

由于硬件板內部芯片對電源要求各不相同，如：FPGA內部共需要有1.2 V、3.3 V數字電壓和1.2 V模擬電壓，AD6645需要5 V模擬電壓和3.3 V數字電壓，并且其他芯片也需要相應指標電源供電，所以電源管理模塊需要為硬件系統產生各種所需要的電源。為了減少噪聲，硬件中采用了模擬電和數字電獨立供電的方式，其中，輸入模擬電壓和數字電壓均為6 V，其他各種所需要電源電壓分別通過LT1765、LT1763、LT196333等電壓轉換芯片完成。在硬件設計中，由于系統既存在模擬電路也存在數字電路，并且信號數據速率很高，為了減少數字電路對模擬電路的干擾(主要是數字電路對AD6645的串擾)，影響模擬電路的性能，這里對模擬電路和數字電路采用IT715芯片進行了磁隔離。硬件中經過FPGA處理的數據(如：定時時鐘、I/Q數據)對外走線均采用差分走線方式，通過差分轉換芯片AM26LS31完成信號的差分數據轉換，差分轉換后的I/Q信號以及相應時鐘通過PCI總線送數據處理板。

由于 FPGA是使用靜態存儲器單元存儲配置數據的，每次掉電后，配置數據必須重新下載到FPGA中。設計中采用串行配置芯片EPCS16SI16N對FPGA進行配置，設計中預留了JTAG接口和主動配置接口，以便于硬件調試和配置。

系統設計指標如下：

輸入模擬中頻信號：60 MHz

信號模擬中頻帶寬：1 MHz

輸出數據率： 1 MHz

采樣頻率：48 MHz

動態范圍：≥100 dB

I/Q正交一致性： ≤0.2°

I/Q幅度一致性： ≤0.1 dB

4　數據驗證與測試

本系統測試平臺如圖4所示，ADC采集的數據送入數字中頻處理系統當中，當系統工作的時候通過QuartusII 內嵌的邏輯分析儀SignalTap功能將處理后的I/Q數據導入計算機當中，在Matlab中進行時域和頻域分析。在采集數據過程中SignalTap數據長度設置為256，即每組數據采集256個點。

圖4　測試平臺

當輸入信號A(59.9 MHz,-40 dBm)時，輸出I/Q信號時域和頻域變換，如圖5所示。

圖5　測試數據圖

由圖5可以看出，系統產生大約0.1 MHz的頻偏。為了測試系統動態范圍，輸入中頻60 MHz的單頻正弦信號，測出了隨著輸入信號功率變化，輸出信號強度變化的趨勢，測試結果如表1所示。

表1動態測試結果

按照表1中數據做出系統動態范圍曲線，如圖6所示。

圖6　動態測試曲線

可以看出，在輸入動態范圍-96 dB～16 dB內，輸出都能保持很好的線性，即系統動態達到112 dB。

5　結束語

本系統采用雙通道ADC采樣方式解決了天氣雷達數字中頻接收機動態范圍受限的重要問題，并且這種解決方式是在不破壞原始信號相位信息的基礎上，適合應用于多普勒天氣雷達當中。

本文采用的系統硬件主要包括 Altera Striax II FPGA開發平臺、功分器、衰減器。硬件代碼采用QuartusII6.0集成開發環境進行仿真綜合。經過綜合后，FPGA程序占用資源為：LC寄存器10 519個、RAM745 688位、鎖相環1個、DSP單元280個。在雷達中頻60 MHz，采樣頻率48 MHz，帶寬1.2 MHz的工作條件下，該硬件系統完成了對雙通道雷達I/Q信號的解調，并且工作正常。實驗表明：該設計方案是可行的，能夠很好地提高雷達接收機的動態范圍，并應用于多普勒天氣雷達數字中頻接收機當中。

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馬勇男，1983年生，工程師。研究方向為航空氣象裝備管理。

Implementation of Dual-channel Digital IF Processing System for Terminal Weather Radar

MA Yong

(Meteorology Division of South West Air Traffic Management Bureau,Chengdu 610225, China)

Terminal weather radar requires the ability to identify different weather conditions from complex weather conditions for safety of aviation, so the design of large dynamic receiver and noise performance is critical. Based on the constraint analysis of analog digital converter (ADC) to the dynamic range of radar IF receiver, according to band-pass sampling and digital down conversion principle, a digital IF processing system based on field programmable gate array with dual-channel ADC sampling is achieved, and system design principles, methods and test results are given. Through the realization of digital IF processing system with dual-channel ADC sampling, the dynamic range of weather radar receiver is well improved, and this system can be applied to the digital IF receiver of terminal Doppler weather radar.

terminal weather radar; digital IF; digital down conversion; digital filter; dynamic range

馬勇Email：mayong_2002@qq.com

2016-03-18

2016-05-20

TN959.4

A

1004-7859(2016)07-0067-05

·收/發技術·

DOI：10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.07.017