高頻地波雷達頻譜監測儀的設計

(武漢大學電子信息學院,湖北武漢430072)

高頻地波雷達頻譜監測儀的設計

唐 瑞,岳顯昌,張 蘭,王市委

(武漢大學電子信息學院,湖北武漢430072)

高頻地波雷達的工作很受外界環境和噪聲的干擾,嚴重影響了雷達的信號質量。為了監測外界噪聲的頻譜,讓雷達工作在信噪比較高的工作頻段上,針對目前武漢大學海態實驗室所研制的雙頻多通道高頻地波雷達系統,設計了一種頻譜監測儀,該頻譜監測儀從高頻地波雷達的工作波形設計與探測原理出發,采用外差式與快速傅里葉變換算法相結合的頻譜監測設計方案 ,具有傳統模擬式和數字式的頻譜儀的優點,并通過設計及驗證,完成了整個系統的設計,閉環實驗結果表明能夠有效檢測到外部噪聲,能夠適用于新一代雷達系統,為后續雷達數據的采集和處理有更好的改善。

高頻地波雷達;頻譜檢測;外差式結構;快速傅里葉變換

0 引言

海洋雷達環境監測技術是一個由無線電科學、信息技術和物理海洋學交叉形成的新的學科方向?；趯﹄姶挪ㄅc海洋粗糙面相互作用機理的認識,20世紀60—70年代以來海洋雷達技術得以迅速發展起來,用于海洋監測的雷達按頻段主要分為高頻海洋雷達和微波海洋雷達兩大類[1-2]。前者有高頻地波雷達、高頻天波雷達和天地波一體化雷達,主要用于實時監測海洋表面風、浪、流、潮等海面動力學參數,以及實現對海上的低速目標的監測。與現有的其他海洋遙感設備相比,高頻地波雷達具有覆蓋面積大、探測精度高、造價適度、運行費用低、可以全天候工作等優點,并能夠探測到視距以外的海域,被認為是最理想的海洋環境檢測設備之一。

由于其雷達的工作頻段在3～30 MHz,除了環境噪聲和外部干擾外,夜間的短波電臺對雷達的工作頻率會帶來嚴重的噪聲干擾,影響雷達的探測性能。為選擇最佳的雷達工作頻率,對噪聲和干擾頻譜進行分析是一項十分重要的工作[3]。頻譜監測的目的就是為了得到雷達的工作頻段內噪聲的頻譜[4],通過頻譜監測去獲得外界噪聲的頻帶,為雷達實時選取信噪比最高的工作頻段。目前的無線電頻譜監測設備監測的頻譜范圍太廣,遠超地波雷達的工作范圍,導致資源的浪費;并且它也不能很好地適應地波雷達收發共站的模式,雷達高功率的發射信號極有可能損壞頻譜監測設備。武漢大學海態實驗室研制的天地波混合組網海態高頻地波雷達系統采用天波發射、地波接收和地波發射、地波接收兩種模式實現對海洋表面動力學參數,如海洋表面流場、風場等的監測[5]。在該系統中,高頻地波雷達工作在雙頻模式,跨越兩個頻段,相對于單頻模式更易受到外界噪聲和干擾影響,因此對于外界環境頻譜的監測就顯得尤為重要。針對高頻地波雷達雙頻工作模式,設計了頻譜監測儀,作為雷達工作時外部頻譜監測的輔助設備,并為雷達選聘提供依據。

高頻地波雷達的頻譜監測模塊一般采用窄帶中頻數字化的結構,一次變頻、高中頻采樣的方式[6],文獻[7]用機器學習進行了高頻雷達頻譜的預測,文中從高頻地波雷達的工作波形設計與探測原理出發,結合天地波一體化雷達系統探測[8-9]的需要采用掃頻外差式結構和快速傅里葉分析法相結合的零中頻采集方案,設計了高頻地波雷達的頻譜監測儀,系統接收雷達工作環境周圍的電磁信號,獲取環境噪聲與干擾信號的頻譜圖,為雷達工作選取信噪比高的工作頻段,使其不僅可以接收高頻地波雷達工作環境中的短波段干擾和噪聲,也能為后期的數據收集提供噪聲數據,而且還可以為雷達選擇合適的工作頻率作參考,從而提高雷達的整體性能。

1 系統的工作原理及設計思路

1.1 HFSWR頻譜監測系統的工作原理

雷達工作模式是收發共站,雷達工作波形采用線性調頻中斷連續波(FMICW),雷達系統產生線性調頻連續波(FMCW)本振信號

式中:f0為載頻;K=B/T為掃頻斜率,B為雷達工作帶寬,T為掃頻周期,本系統設置的雷達工作帶寬為30 k Hz,掃頻周期為125 ms。本振信號S(t)經過門控脈沖后調制為發射信號ST(t),脈沖調制過程如圖1所示。

圖1 脈沖調制過程

上圖中TS為雷達工作周期,T為掃頻周期,TR為間隙期監測的時間,在TR期間雷達處于發射的間歇期,發射機不工作,利用這段時間來進行頻譜監測,對環境噪聲和干擾信號進行采集。

1.2 頻譜監測的設計思路

文中所設計高頻地波雷達的頻譜監測儀主要是基于外差式和FFT的原理,其設計思路如圖2所示。

圖2 基于外差式和FFT的頻譜儀

在頻譜監測期間,本振輸出為單頻信號fL0,由本振信號和射頻信號fR以及低通濾波器的截止頻率fL確定外部噪聲信號的頻譜,頻率范圍為fL0～fL0-fR。當采集完1 024個點數,即完成一次采樣,此時,本振源的輸出為fL0+1 k Hz,此時得到的外部噪聲的頻率監測范圍為fL0+1 k Hz～fL0+1 k Hz+fL,當累計得到1 500個帶寬為fL的頻譜信息,就已經完成1.5 M Hz帶寬的掃頻,完成一次頻譜監測。

現有的雷達系統的一個完整的掃頻周期T=125 ms,每個掃頻周期的間隔Tint=3.125 ms,門控脈沖的周期Tq=3.125 ms,脈沖寬度Tp=(3.125/2)ms。也就是我們需要在(3.125/2)ms內作一次采樣,現以天線接收12～13.5 M Hz的信號為例說明,為了更清楚地理解頻譜監測的過程,可以看圖3的信號流程圖。

圖3 頻譜監測的信號流圖

文中設計的頻譜監測儀的低通濾波器截止頻率為300 Hz,A/D采樣頻率為100 k Hz,每一次的頻譜監測共有采樣8個脈沖間隔時間(Tad=8×3.125/2)ms,則可采集1 250(100×103×8×3.125/2×10-3)個點,然后作FFT,得到300 Hz帶寬內的信號信息,同時,DDS轉換一次頻率fL0+1 k Hz,進行下一幀的采樣。如此積累,完成整個頻段的頻譜監測時間為(8×Tq×1 500=37 500)ms。然后對采集完的所有信號進行統計分析,得出外部噪聲信號的頻譜,從而為雷達選擇合適的工作頻率作參考。

2 頻譜監測儀的系統電路設計及實現

2.1 頻譜監測儀的總體設計

頻譜儀是研究一個給定信號,然后獲得其頻譜上各個頻率分量的能量分布的設備。本質上就是將一個復雜的信號分解為很多單一的信號,顯示各個頻率點的幅度和頻率的對應關系,然后得到信號的幅度和頻率。

掃頻超外差式頻譜儀是模擬式頻譜儀最常用的一種方案,其結構原理和無線電超外差接收機類似,能夠完成待測監測信號頻帶內的掃頻,并顯示出各個信號分量的幅度和頻率成分[10],其原理結構如圖4所示。

數字式頻譜儀中用的最多的是快速傅里葉變換(FFT)分析法[11],信號經模數轉換后,數字化的時域信號被采樣,而后經過FFT得到數字信號的頻譜,其原理結構如圖5所示。

圖4 掃頻外差式頻譜儀結構圖

圖5 FFT頻譜儀簡化結構

FFT頻譜分析儀能夠完成傳統的多通道濾波器一樣的功能,省去很多的帶通濾波器,大大簡化了系統結構,節省了成本。FFT頻譜分析儀可以實現對信號譜圖的實時顯示,其頻譜分辨率也是傳統模擬頻譜儀所不能比擬的。

文中結合模擬式頻譜儀和數字式頻譜儀各自的優點,采用掃頻外差式結構和快速傅里葉分析法相結合的零中頻采集方案,該方案省去了鏡頻抑制濾波器和混頻后的中頻帶通濾波器,結構簡單,降低硬件功耗的同時也降低了成本,并根據高頻地波雷達的工作波形特點,設計了高頻地波雷達的頻譜監測儀,完成對雷達工作環境中的干擾和噪聲的有效監測,從而提高雷達的整體性能。

2.2 電路設計與實現

頻譜監測儀主要由模擬前端、DDS電路模塊、A/D采樣電路、USB接口電路、上位機顯示軟件和FPGA控制模塊,以及其他附屬電路等部分組成,如圖6所示。

圖6 頻譜檢測儀整體電路

2.2.1 模擬前端電路的設計

在頻譜監測儀系統中,有兩條信號通路。第一條信號通路主要實現的功能就是通過一個帶通濾波器選取噪聲信號的接收頻段,經過兩級放大之后進入混頻器的RF端,整條通路的電壓增益為40 dB左右。第二條信號通路為DDS本振信號端,也是經過濾波放大,得到合適的增益,輸送到混頻器的L0端,該條通路的電壓增益大約為52 dB。

模擬前端主要用于完成天線接收的微弱信號的放大、選取,經過混頻電路,得到一個準零頻信號,具體電路實現如圖7所示。

2.2.2 DDS電路的設計

DDS(數字頻率合成器)電路是整個頻譜監測系統主要的組成部分,主要是每隔一個掃頻周期,得到一個單頻信號,放大濾波后與天線進來的信號進行混頻。其中通過更改其頻率控制字,輸出頻率就相應地改變,跳頻速率高,能夠很好地滿足本振源的輸出頻率,DDS電路圖如圖8所示。

2.2.3 A/D采樣電路設計

A/D采樣電路,經過混頻電路出來的信號為近零頻的窄帶信號,采用A/D采樣電路對模擬零頻信號進行采樣、量化和編碼輸出。混頻后的信號為一個0～300 Hz的窄帶信號,為了采樣后信號不失真,我們取100 k Hz的采樣頻率。經過調研分析我們選取了TI公司的ADS8505這款A/D芯片,A/D采樣外圍電路如圖9所示。

2.2.4 FPGA控制電路的設計

在整個系統中,FPGA控制模塊起著關鍵的作用,負責協調整個系統的運作,包括對DDS模塊的配置產生所需的本振信號,對A/D采樣器進行時序的控制使得采集準確的外部噪聲信號,同時對USB芯片進行控制,使得后端的數據可以正確地傳輸,FPGA模塊是該頻譜監測設備的中樞,只有合理的設計,才能讓整個系統運行,達到我們的要求。

系統采用ALTERA公司的CYCLONEIII系列的EP3C40F484C6芯片,該芯片功耗較低,性能良好,是一款應用比較廣泛的可編程門陣列器件,其資源比較豐富,如表1所示。

表1 EF3C40F484資源列表

控制程序的編寫使用Quartus II開發軟件,圖10為綜合后的RTL視圖。

FPGA控制的程序,主要包括A/D的采樣控制和USB數據傳輸的控制,以下分別進行說明。

1)A/D采樣控制

系統采用的A/D采樣芯片為ADS8505,該芯片控制相對簡單,控制時序要求轉換時間在40～1 750 ns之間,本系統設為1 000 ns,保證每次數據能完成轉換,最后產生一個周期為10 ns的采樣信號,其中低電平持續時間為1 000 ns。

2)USB數據傳輸的控制

系統采用零中頻結構,混頻之后低通濾波器最后得到的是一個0～300 Hz的窄帶信號,經有100 k Hz的采樣率對其采樣,進入FPGA,等待傳輸。若是采用同步寫模式這里存在一個問題就是數據率的匹配,采樣時鐘為100 k Hz,而USB傳輸控制模塊的時鐘則是48 MHz,相差幾百倍,如果不經任何處理,會導致傳輸出來的數據存在重大的誤差。這里面就需要一個重要模塊FIFO——進行調節,以解決兩個時鐘的不匹配導致的數據率的不同。本文為了方便穩定,采用了Quartus里面的IP核模塊進行設計。

通過Signal Tap抓取的數據流圖如圖11所示,由A/D采樣后的數據進入FPGA后,在通過USB的控制程序,進入USB設備的數據是一致的。程序調試完成以后,將程序編譯后的燒錄文件以AS模式下載到從配置期間EPCS中去,只要上電就可以運行固化好的程序。

圖7 模擬前端電路

圖8 DDS電路圖

圖9 A/D采樣電路

圖10 FPGA控制程序RTL視圖

圖11 Signal Tap抓取數據流圖

USB電路的設計及USB數據傳輸的固件和上位機軟件,這里就不詳細介紹了。整個系統的硬件實現如圖12所示。

圖12 頻譜監測儀的硬件實現

前期調試,RF信號采用13 MHz的單頻信號,而本振信號為與RF信號相差200 Hz的單頻信號(13.000 2 MHz),可以驗證頻譜儀的接收前端的正確合理性,然后用示波器檢測混頻之后待進入A/D采樣轉換電路的信號,可以得到一個幅度符合我們所需要的200 Hz的信號。

3 實驗結果及分析

通過硬件電路的設計和上位機實時頻譜顯示軟件,采樣后的數據實時譜如圖13所示。

為了驗證頻譜顯示的正確性,我們把上位機的數據導出,然后將數據導入到 Matlab中,作FFT變換,得到噪聲譜圖,如圖14所示。

在譜圖中峰值對應的頻率為195.3 Hz,這與模擬信號頻率200 Hz的信號是相對應的。因為采樣頻率是100 k Hz,采樣點數為1 024點,則頻譜的分辨率為97.65 Hz。如果作FFT處理時,點數足夠多,所得到的峰值對應的頻率將會無限接近或等于200 Hz。200 Hz的信號可以對應 Matlab譜圖中195.3 Hz,實時譜圖顯示正確,由此我們驗證了該頻譜監測儀設計的合理性。

圖13 數據采集的頻譜顯示

圖14 存儲數據的頻譜圖

4 結束語

結合模擬式頻譜儀和數字式頻譜儀各自的優點,采用外差式結構和快速傅里葉分析法相結合的零中頻采集方案,設計并實現了該頻譜監測方案,閉環實驗結果驗證了本頻譜儀設計方案的合理性。在雷達掃頻的間隙期,對外部噪聲進行采集、處理,從而能讓雷達選擇信噪比較高的工作頻段,該設備應用在高頻地波雷達雙頻系統,對后期海洋的動力學參數和目標的監測能力都會有比較好的改善。

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Design of Frequency Spectrum Monitoring Analyzer for High Frequency Surface Wave Radar

TANG Rui,YUE Xianchang,ZHANG Lan,WANG Shiwei
(School of Electronic Information,Wuhan University,Wuhan430072,China)

Suffering from the external environment and noises,the signal quality of the high frequency surface wave radar(HFSWR)is unsatisfactory.In order to detect the frequency spectrum of the noises to make the HFSWR work normally in the frequency bands in which the signal noise ratio(SNR)is perfect,a frequency spectrum monitoring analyzer is designed for the HFSWR developed by Radio Oceanography Laboratory of Wuhan University.By combining the advantage of the structure and principle of the traditional and digital spectrometer and considering the radar waveform design and detection principle of HFSWR,we propose a spectrum monitoring principle based on the heterodyne structure and fast Fourier transform(FFT)algorithm.This principle has been implemented in practice.In addition,the verification and simulation results demonstrate that it can detect the external noises effectively and satisfy the need of a new generation of radar system.It will have a better improvement for subsequent radar data acquisition and processing.

high frequency surface wave radar(HFSWR);spectrum monitoring;heterodyne structure;fast Fourier transform

TN957.51

A

1672-2337(2017)01-0108-07

10.3969/j.issn.1672-2337.2017.01.020

2016-07-04;

2016-08-20

國家自然科學基金青年基金(No.61401316);國家863計劃(No.2012AA091701)

唐瑞男,1991年生,湖北襄陽人,武漢大學碩士研究生,主要研究方向為無線電海洋遙感。E-mail:Mr Tang@whu.edu.cn

岳顯昌男,1975年生,遼寧人,武漢大學電子信息學院副教授,主要研究方向為中高層大氣及海洋數值建模。

張蘭女,1981年生,湖北襄陽人,武漢大學電子信息學院實驗師,主要研究方向為雷達信號處理。

王市委男,1987年生,山東人,武漢大學博士研究生,主要研究方向為無線電海洋遙感。