基于軟件無線電的射頻直采數字接收機研究

魯長來 倪文飛 夏 丹

(安徽四創電子股份有限公司 合肥 230088)

0 引言

軟件無線電概念[1]的提出至今已經二十多年了，經過這些年的技術理論發展和電路器件水平提升，軟件無線電的工程化應用研究也在深入推進。當前L波段一次航路監視雷達系統采用的是常規超外差兩次變頻接收機，在30MHz低中頻頻率進行信號帶通采樣數字化接收處理，從長遠來看，該雷達系統對接收機設備存在升級換代、新技術推廣、可靠性進一步提升、電路小型化高集成、配套功能多樣化、軟件化配置程度高等諸多新的應用需求。借助于軟件無線電的設計思想，本文提出了在L波段200MHz工作帶寬內實施直接射頻采樣數字化，然后再進行基于大規模高速FPGA的功能可配置實時接收處理，形成雷達的全程I、Q數字回波信號，最后通過光纖接口傳輸給雷達系統服務器進行軟件化信號處理，基本可以達到接收機硬件平臺化、軟件可配置、功能可擴展的軟件無線電目標。

1 設計參數

1)接收頻率范圍：1200MHz～1400MHz;

2)接收跳頻步進：1MHz;

3)接收跳頻時間：小于2μs;

4)瞬時動態：不小于65dB;

5)總動態：不小于90dB；

6)信號帶寬：2MHz；

7)接收靈敏度：優于-109 dBm。

2 設計思想

已經在應用的L波段一次航路監視雷達接收系統中，采用的方案是傳統的模擬超外差兩次下變頻接收體制，見圖1，最前級采用了高增益的低噪放(約30dB)設計確保接收靈敏度指標，利用STC電路提升接收機的動態性能，采用鏡頻抑制濾波器抑制混頻電路的鏡像頻率干擾信號以及射頻帶外信號，兩級混頻電路將1200MHz～1400MHz的有用回波信號先下變至550MHz一中頻，再下變頻至30 MHz二中頻，系統采用30 MHz中頻帶通采樣、DDC至數字I、Q輸出。系統還包含產生1750MHz～1950MHz、步進1MHz的一本振信號、520MHz的二本振信號以及80MHz、20MHz的采樣處理時鐘信號等電路，接收機的整體設備量較多，方案體制相對成熟。

得益于高速A/D器件技術的飛速發展，讓軟件無線電接收機在實現方案上也前進了一大步，本文針對圖1的傳統L波段PSR接收機做了技術改進設計，見圖2，重點采用基于1200MHz～1400MHz頻段內射頻直接采樣技術的硬件平臺進行接收機的軟件化處理，省去了復雜的頻率源電路和兩次模擬下變頻、濾波放大電路，采用低噪放1、STC、低噪放2、開關濾波器電路組成一個極其簡化的低噪聲射頻前端[4]，以確保接收機系統的靈敏度、動態及抗干擾性能，這里把STC電路放置在兩級低噪放之間是為了便于合理分配系統動態指標。

3 性能分析

3.1 射頻直采數字接收機工作機理

本案中的射頻直采數字接收機的硬件組成如圖2中虛線內部分所示，依據帶通采樣原理，在信號帶寬為B時，當采樣頻率fS和載頻f0之間滿足(1)式的關系時，就可不失真地恢復信號的信息。

(1)

這里取A/D的采樣頻率為950MHz，信號帶寬為2MHz，A/D器件內部在硬件上將單組950MHz高采樣率的數字信號并行處理形成兩組475MHz低采樣率信號通過LVDS接口輸出，最終以475 MHz數據速率與FPGA對接，然后在FPGA中進行軟件化接收處理[3]，軟件化功能框圖如圖3所示。

由采樣、抽取等經典理論可知，1200MHz～1400MHz的射頻信號經過950MHz采樣以及數據并行處理、多項濾波后，數字接收機可以直接解調頻譜變換后對應的25MHz～225MHz搬移譜信號，這樣就極大降低了對數字下變頻(DDC)部分的處理速度要求。數字接收機通過軟件設置32位數控振蕩器(NCO)的頻控字值實現25MHz～225MHz、步進1 MHz的工作頻點選擇功能，NCO的輸出頻率滿足式(2)的關系，從式(2)中推算可知，NCO的頻率分辨力可達到0.1Hz左右，完全滿足步進1 MHz的跳變間隔需求。同時，NCO的輸出幅度采用16位量化值，以滿足數字接收機動態截位要求，NCO的工作頻率通過FPGA內部25MHz時鐘鎖相得到475MHz主時鐘。

(2)

其中，FTW為NCO的頻率控制字，fNCO為NCO的輸出頻率。

圖3中數字混頻之后的數字基帶I、Q信號依然是475MHz的高速率信號，軟件設計上采用19倍抽取率的CIC濾波器，一方面達到數據速率降至相對較低的25MHz的目的，另一方面也達到抑制信號帶外邊譜的效果。最后采用5倍抽取率的反辛格FIR濾波器既補償前級CIC濾波器的帶內平坦度特性，又實現2MHz匹配濾波后I、Q信號的5MHz低速率基帶輸出要求，方便后續的信號傳輸與信號處理。

由器件參數得到，A/D的信噪比為50 dB，即A/D有效位數(ENOB)約為8.4位，輸入大信號為+5 dBm，而實際信號帶寬為2MHz，采樣頻率為950 MHz，相對于信號帶寬而言，高倍的過采樣率帶來了很大的信號比改善，由式(3)可以推算，射頻直采數字接收機的動態范圍將近74 dB，折算出小信號約-69 dBm。

(3)

DR為數字接收機動態范圍，SNRAD為A/D信噪比，fs為采樣頻率，B為信號帶寬。

3.2 接收機靈敏度

作為數字接收機的低噪聲前端設備，圖2中低噪放1增益為30 dB、噪聲系數1.3 dB，低噪放2增益為24 dB、噪聲系數1.3 dB，STC電路控制范圍30 dB、插入損耗1 dB，開關濾波器采用GaAs開關組合LC濾波器組實現，單路濾波器帶寬設計為20MHz，插入損耗3 dB，相鄰兩路之間頻帶保留2.5 MHz交疊以保證接收機能全頻帶覆蓋，共計12路。由公式(4)可以估算接收機級聯電路噪聲系數約為1.5 dB。

(4)

F0為接收機前端總噪聲系數，F1…Fn為接收機前端各級噪聲系數，G1…Gn-1為前端各級增益；再由公式(5)計算得到接收機整體靈敏度功率電平為-109.5 dBm(帶寬BW為2 MHz，噪聲系數NF為1.5 dB)。

Psmin=-114+10lgBW+NF

(5)

從前面的指標分配可算出低噪聲前端總增益為50dB，對于-109.5 dBm的靈敏度信號放大輸出為-59.5 dBm，而相對數字接收機輸入小信號-69 dBm，可以通過式(6)評估出數字接收機對接收機整機噪聲系數的惡化[2]約為0.4 dB，不影響系統-109 dBm的靈敏度指標要求。

NFs=NF+10lgM-10lg(M-1)

(6)

NFs為系統總噪聲系數，M為前端噪聲功率輸出與數字接收機等效輸入噪聲功率比值。

3.3 接收機整體動態范圍

L波段一次航路監視雷達系統要求接收機瞬時動態范圍不小于65dB，總動態范圍不小于90dB，前面論證了射頻直采數字接收機的瞬時動態范圍為74dB，滿足系統的要求，但要滿足總動態90dB的要求，也就是前端最大輸入為-19 dBm，所以在前端兩級低噪放之間設計了30dB的STC電路抗大信號飽和，這樣接收機整體的動態范圍指標就能完全滿足系統要求。

3.4 接收機跳頻性能

雷達系統為了解決抗干擾等陣地適應性功能要求接收機具備跳頻工作能力，具體指標要求接收跳頻步進1MHz，接收跳頻時間小于2μs。在用的雷達系統采用直接合成頻率源技術解決快跳頻和細步進問題，而基于射頻直采的接收機根本沒有頻率源設備，它可以通過軟件設置NCO頻率和程序控制開關濾波器的方法來實現，在跳頻速度和頻率步進上更具優勢。

4 實驗結果

測試中采用儀表信號源饋送1200MHz～1400MHz的射頻信號給L波段直采數字接收機，信號功率、頻率參數可調，樣機實物見圖4，計算機給實驗樣機加載配置工作軟件后，通過硬件JATAG接口從實驗樣機采集I、Q數據至計算機，然后利用MATLAB分析軟件對采集的信號進行信號參數與質量分析，重點針對接收機的大信號特性、小信號特性、帶寬特性、A/D性能以及軟件DDC之后的I、Q處理性能進行評估，具體參見圖5-圖9，能夠在線快速(約200ns)控制接收機工作頻率，通過對L波段直采數字接收機實驗樣機的多項實驗驗證測試，各項指標達到了預期的設計要求，表明在L波段采用基于軟件無線電的射頻直采數字接收機處理方法替代傳統模擬兩次變頻的方案是可行的，能夠滿足雷達整機系統的工程化應用要求。

5 結束語

在軟件無線電設計思想的引領下，雷達收發設備數字化向天線前移的趨勢不可阻擋，當前，硬件上采用低中頻或高中頻采樣數字化結合接收處理軟件化的方案及產品已經在成熟應用，而L波段及其以上頻段射頻直接采樣數字化結合軟件化接收處理的產品并不多，能夠真正得到工程化應用的也較少，所以繼續推進高頻段接收機的射頻直接采樣技術工程化應用研究很有現實意義。在本方案的實驗研究中，L波段直接采樣數字接收機的性能水平基本得到了全面驗證，能夠達到雷達整機的使用技術要求，為后續雷達系統的改進升級工作奠定了基礎。