高集成度多波段外輻射源雷達接收機的設計與實驗

謝簡策+萬顯榮+劉玉琪+方高

摘 要： 針對現階段外輻射源雷達多波段軟件無線電（SDR）系統集成度低，體積大和硬件結構復雜的不足，設計了一種高集成度、多波段、小型化、低成本的外輻射源雷達SDR接收機系統。系統由高集成度的AD9361射頻芯片、現場可編程門陣列（FPGA）和USB 3.0傳輸模塊組成，目的是利用調頻（FM）廣播、中國移動多媒體廣播（CMMB）和數字電視地面多媒體廣播（DTMB）第三方機會照射源實現對目標的探測。實測數據結果表明，該系統能夠對多波段信號進行正確的采集，并將數據傳輸到上位機。外場實驗驗證了該系統的可靠性以及良好的目標探測性能。

關鍵詞： 外輻射源雷達； 多波段； 軟件無線電； AD9361

中圖分類號： TN957?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）19?0018?04

Design and experiment of high?integration multiband receiver for passive radar

XIE Jiance， WAN Xianrong， LIU Yuqi， FANG Gao

（School of Electronic Information， Wuhan University， Wuhan 430072， China）

Abstract： For the current software defined radio （SDR） system of passive radar has the disadvantages of low integration， large size and complex hardware structure， a high?integration， multiband， minimum and low?cost SDR receiver system of passive radar is designed. The system is composed of the high?integration AD9361 RF chip， FPGA and USB 3.0 transmission module. The third?party opportunity illuminator including FM broadcasting， CMMB and DTMB is used to detect the target. The measured data shows that the system can acquire the multiband signals correctly and transmit the data to the host computer. The reliability and high target detection performance of the system are verified with outfield experiment.

Keywords： passive radar； multiband； SDR； AD9361

0 引 言

外輻射源雷達是一種利用第三方發射的電磁信號來探測目標的新體制雷達系統[1]。外源雷達具有無需頻率分配、隱蔽性強等優點引起了越來越多研究者的關注[2]。現階段，外源雷達可利用的第三方輻射源非常廣泛，其中包括FM廣播[3]、數字音頻廣播（DAB）[4]、DVB?T（Digital Video Broadcast?Terrestrial）[5]、DTMB[6]、CMMB[7]、LTE[8]、WiFi[9]等波段。不同照射源在距離覆蓋、分辨率性能和地域上的獨特優勢使得它們在某些特定場景下具有更好的應用價值。因此，兼容多波段的雷達系統應運而生[10?11]。但是，現階段的SDR雷達系統往往存在硬件結構復雜、集成度低和體積龐大的不足，與真正意義上的SDR平臺還存在一定的差距。因此，針對目前SDR雷達系統存在的不足，本文提出一種高集成度、小型化、低成本、多波段的軟件無線電通用接收機系統。該系統直接與天線連接，通過簡單的配置就能將感興趣的射頻信號下變頻至基帶信號，并將基帶數據傳輸至上位機。現場實驗利用FM頻段中國數字音頻廣播（CDR）、CMMB和DTMB信號對該系統進行測試。實測數據結果表明，本接收機系統能夠完成雷達多波段信號正確接收的功能，根據合作目標探測的實測結果驗證了該系統的有效性。該系統的小型化和低成本等優勢為多頻段雷達的組網提供了一定的參考意義[12]。

1 外輻射源雷達系統

本系統設計的目的是根據實際目標探測的需要可以靈活地選取相應的照射源而不必受限于系統的硬件平臺。本節描述了FM，CMMB，DTMB波段照射源的優勢和不足，并且針對他們的特點給出系統的硬件設計與實現。

1.1 第三方照射源

FM音頻是被全世界廣泛應用的一種廣播標準。FM頻段廣播發射功率大，覆蓋范圍很廣，是外輻射源雷達遠距離目標探測最常用的照射源信號。但調頻廣播信號帶寬小，而且帶寬的大小還受到廣播內容的影響，因此目標探測的精度和距離分辨率不夠優良，探測的性能還呈現出不穩定性[13]。目前，多調頻廣播外輻射源雷達通過利用多調頻信號增加調頻廣播帶寬的方式可以提高距離分辨率的性能。

CMMB是廣播電視總局基于我國國情推出的視頻廣播行業標準。CMMB采用正交頻分復用（OFDM）的調制技術。上層數據流經編碼、字節交織、低密度奇偶校驗（Low Density Parity Check，LDPC）碼和比特交織共同構成了CMMB物理層信道編碼部分，隨機化后的比特流使得信號探測性能不隨廣播內容變化。信號帶寬為8 MHz，帶寬穩定。CMMB信號相比FM頻段能夠提供更好的探測精度和距離分辨率。目前該信號已經覆蓋了絕大多數的大中小城市，為研究和利用CMMB信號提供了良好的條件。endprint

DTMB是我國具有自主知識產權的數字地面電視廣播標準。DTMB采用的也是正交頻分復用調制技術，信號帶寬也為8 MHz。DTMB信號與CMMB在信號結構、探測精度、距離分辨率性能和發射站覆蓋范圍上具有很大的相似度。根據上述內容，表1總結了本次實驗利用的第三方照射源的特征。

1.2 系統的硬件實現

針對表1所述CDR、CMMB和DTMB第三方照射源的頻率、信號帶寬和發射功率的特點，設計并完成了本系統的硬件部分。該系統由天線、系統板和上位機軟件組成。其中系統板包括AD9361、FPGA和USB 3.0芯片EZUSB3014。系統的參考時鐘由外部穩定的時鐘源提供。AD9361有兩個接收通道，接收通道直接通過電纜與天線連接，每個通道搭載兩個高動態范圍ADC，先將收到的I信號和Q信號進行數字化處理，通過數字下變頻后以相應的采樣率生成12位輸出信號。基帶數據由FPGA進行緩沖并送往USB 3.0芯片，最后通過USB線纜送往上位機接口，供上位機采集和后續處理。該系統具有很高的集成度，AD9361內部集成RF前端與靈活的混合信號基帶部分為一體，集成頻率合成器，為處理器提供數字配置接口，支持可編程和靈活配置。該系統的工作頻率范圍為70 MHz～6.0 GHz，支持的通道帶寬范圍小于200 kHz～56 MHz。系統最大的實時傳輸速率可達到380 MB/s。在實際試驗中，可以將多個AD9361組成一個多波段系統，以實現多個照射源的目標探測應用。2 實驗場景

本次實驗利用本系統的雙通道接收結構，接收站位于武漢大學電子信息學院實驗教學中心樓頂，發射站位于武漢龜山電視塔（CDR信號中心頻率為102.6 MHz，帶寬為400 kHz；DTMB信號中心頻率為8 MHz，帶寬為8 MHz）。系統包括用于接收參考信號的參考天線和用于接收目標回波信號的監測天線兩個部分。其中，CDR波段天線為6單元高增益、高方向性的八木天線，CMMB和DTMB信號均屬于UHF頻段，因此參考和監測天線均由高增益、高方向性的12單元八木天線組成。為了測試系統的性能，分別采集了各個波段的照射源信號并驗證了實測數據的有效性。系統利用CMMB和DTMB波段照射源完成了合作目標的探測實驗。監測天線和參考天線分別指向合作目標的飛行區域和龜山廣播電視發射站的位置。合作目標沿監測天線的延長線方向以最大速度遠離或靠近接收站。

3 實驗結果

3.1 FM波段實驗結果

圖1展示了武漢地區FM頻段CDR信號實測數據的頻譜結構。此調頻信號為模數混播結構，頻譜中間代表模擬部分，帶寬150 kHz，旁邊兩個數字邊帶各50 kHz。為了驗證該系統接收到的CDR信號的正確性，從頻譜中提取出了數字邊帶，并對其進行解調，參考通道數字邊帶解調后的系統信息映射如圖2所示。從圖2中可以看出，星座映射為4QAM，且各點比較聚焦，顯示出了良好的解調效果。同時證明了該接收系統能正確接收CDR波段信號。

3.2 CMMB波段實驗結果

參考外輻射源雷達的信號處理流程，來自參考天線的CMMB信號與監測信號進行雜波對消、0距離元抑制和匹配相關處理，得到的實測數據信號處理結果如圖3，圖4所示，分別展示了CMMB波段的矩形頻譜和互相關檢測器連續檢測后輸出的距離多普勒譜，從圖中可以看出疑似目標點跡連續。目標所在的負多普勒單元表明目標正遠離接收站。

3.3 DTMB波段實驗結果

利用DTMB波段實施目標探測實驗的信號處理流程與CMMB的處理流程一致。圖5顯示了DTMB波段矩形頻譜，根據目標檢測理論對該目標進行了連續的檢測，得到如圖6所示的點跡圖，由圖6可以明顯地看出目標的點跡連續，因此確定該疑似目標為合作目標。目標所在的正多普勒單元表明目標正勻速地靠近接收站。

4 結 語

本文設計并成功實現了高集成度、小型化的外輻射源雷達多波段軟件無線電系統。經過現場測試驗證，該系統能夠正確采集各個波段的射頻信號以及實現數據有效地傳輸和存儲。此外，該系統利用CMMB和DTMB信號實施的目標探測結果進一步驗證了系統的有效性和良好的目標探測性能。與傳統的外輻射源雷達接收機相比，該系統集成度更高，成本更低。依靠多波段和便攜的優勢，該系統能夠在外場實驗的前期起到推進實驗順利進行的先導作用。該系統的成功實現也為研究者探索新的雷達接收機解決方案提供了指導方向。

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