數(shù)字相控陣二次監(jiān)視雷達關(guān)鍵技術(shù)

文/文傳勇 范輝輝

軟件無線電技術(shù)在實際工程項目中的應(yīng)用越來越廣泛，目前已應(yīng)用在個人移動通信系統(tǒng)、軍事通信、電子戰(zhàn)、雷達系統(tǒng)以及信息化家電產(chǎn)品中。

數(shù)字技術(shù)由于本身的優(yōu)點，大量工程應(yīng)用都采用了數(shù)字化方法，對數(shù)據(jù)速率和實時性提出了要求，需要寬的帶寬來進行數(shù)據(jù)傳輸。傳統(tǒng)的使用同軸電纜的傳輸方式，達不到高速數(shù)據(jù)傳輸和實時性要求，同時在抗干擾、設(shè)備復雜程度、設(shè)備安裝，鋪線方面等工程應(yīng)用方面，存在困難，不方便；由于光纖具有以下各種優(yōu)點：

（1）工作頻率高，通信容量大；

（2）衰減小，中繼距離長；

（3）保密性能好、抗干擾能力強，不受強電、雷達等干擾；

（4）體積小、重量輕、便于施工維護；

（5）原材料來源豐富，潛在價格低廉。

上述優(yōu)點滿足工程應(yīng)用中各種需求，它是未來數(shù)據(jù)傳輸主要媒介；高速串行數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)迫切成為各種應(yīng)用的必須的技術(shù)。在各個FPGA廠商，都配套開發(fā)了自己的高速串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腎P核，在ALTERA中Stratix V GX/GS/GT，在xilinx中開發(fā)GTX,GTH,在Vertex-5，Vertex-6和Vertex-7高端FPGA中，有對應(yīng)的IP核。

這些新的技術(shù)的引入，空管二次監(jiān)視雷達系統(tǒng)的組成發(fā)生了變化。在空管監(jiān)視設(shè)備中，分為艙內(nèi)設(shè)備（或者室內(nèi)設(shè)備）和艙外設(shè)備（室外設(shè)備），艙內(nèi)設(shè)備完成工作是數(shù)字信號處理、控制和顯示；艙外設(shè)備主要完成功能是信號的感知和采集。

傳統(tǒng)二次雷達組成由天線、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、射頻電纜、模擬接收機、三級固態(tài)功率放大的發(fā)射機、基帶A/D采樣、譯碼、點跡和航跡處理。

數(shù)字相控陣二次監(jiān)視雷達的組成由天線輻射單元、數(shù)字TR組件、光纖、數(shù)字信號處理模塊、顯控組成；數(shù)字TR模塊是每個通道獨立對應(yīng)一個輻射單元，其功率和相位可編程實時配置；數(shù)字信號處理模塊包括光模塊的數(shù)字收發(fā)同步、數(shù)字發(fā)送通道的數(shù)據(jù)合成、數(shù)據(jù)接收的通道數(shù)據(jù)分配和數(shù)字波束合成，對數(shù)壓縮、譯碼、形成點跡和航跡。其系統(tǒng)的硬件基本組成如圖1。

1 軟件無線電技術(shù)基本結(jié)構(gòu)

以現(xiàn)代通信理論為基礎(chǔ)，以數(shù)字信號處理為核心，以微電子技術(shù)為支撐的軟件無線電技術(shù)，經(jīng)過20年的發(fā)展，軟件無線電突破了傳統(tǒng)的無線電臺以功能單一、可擴展性差的硬件為核心的設(shè)計局限性，強調(diào)以開放性的、標準化、模塊化的最簡硬件為通用平臺，使寬度A/D和D/A轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線，盡可能地用可升級、可重配置的應(yīng)用軟件來實現(xiàn)各種無線電的設(shè)計新思路。同一硬件平臺可以通過選購不同的軟件來滿足不同時期、不同使用環(huán)境的不同的功能需求。

軟件無線電主要由天線、射頻前端、寬帶A/D-D/A轉(zhuǎn)換器、通用和專用數(shù)字信號處理器以及各種軟件組成。射頻前端在發(fā)射時主要完成上變頻、濾波、功率放大等任務(wù)，接收時實現(xiàn)濾波、放大、下變頻功能；在射頻變換部分，寬帶、線性、高效射頻放大器的設(shè)計和電磁兼容問題的處理是較困難的。軟件無線電的結(jié)構(gòu)基本上分為三種：射頻低通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)、射頻帶通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)和寬帶中頻帶通采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)。射頻低通采樣結(jié)構(gòu)對A/D轉(zhuǎn)換器的性能如轉(zhuǎn)換速率、工作帶寬、動態(tài)范圍等提出了非常高的要求，對數(shù)字信號處理速度的要求也特別高，難以滿足要求；射頻帶通采樣結(jié)構(gòu)很好的解決了射頻低通采樣結(jié)構(gòu)對A/D和數(shù)字信號處理要求過高、以致無法實現(xiàn)的問題。主要區(qū)別是A/D前采用了帶寬相對較窄的電調(diào)濾波器，根據(jù)所需的處理帶寬進行帶通采樣。這樣A/D采樣速率的要求就不高了，對DSP（Digital signal processor）的處理速度也隨之大大降低。但這種結(jié)構(gòu)對A/D工作帶寬的要求仍然還是比較高。寬帶中頻帶通采樣軟件無線電結(jié)構(gòu)與中頻數(shù)字化接收機結(jié)構(gòu)類似，都采用多次混頻體制，但前者主要特點是中頻帶寬更寬，所有調(diào)制解調(diào)等功能全部由軟件加以實現(xiàn)。軟件無線電中頻數(shù)字化結(jié)構(gòu)如圖2。在帶通采樣中，N的取值為奇數(shù)或者偶數(shù)，注意其對應(yīng)基帶高低頻率成分分布情況。空管二次監(jiān)視雷達的TR組件采樣該種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)中頻的調(diào)制解調(diào)功能。

2 光纖數(shù)據(jù)傳輸配置和數(shù)字波束合成流程

天線輻射單元48個，分為3組，每組16輻射單元；共3個TR，每個TR共16個獨立的通道，每個通道對應(yīng)一個輻射單元；采用軟件無線電中頻數(shù)字化結(jié)構(gòu)，數(shù)字下變頻到基帶IQ，TR的基帶IQ采樣率為10Mhz，16bibt數(shù)據(jù)寬度，IQ數(shù)據(jù)率為320Mbps，采用8B/10B編碼方式，即每個通道的數(shù)據(jù)率為400Mbps，光纖傳輸速率選擇2Gbps，發(fā)送選擇1字節(jié)寬度，接收選擇2字節(jié)寬度，其對應(yīng)時鐘計算如下：

發(fā)射時鐘TXUSRCLK2為200Mhz，接收時鐘RXUSRCLK2為100Mhz；系統(tǒng)的參考時鐘160Mhz，F(xiàn)PGA的接口時鐘通過PLL倍頻得到，通過5倍頻，然后4分頻，即160Mhz*5/4=200Mhz；包頭加上4通道數(shù)據(jù)，即為2Gbps，即每條光纖鏈路傳輸4路數(shù)據(jù)，16路需要4路光纖，發(fā)射和接收各4路。

數(shù)字信號處理模塊的數(shù)字波束合成處理流程如下：

發(fā)送部分：根據(jù)發(fā)射脈沖，IQ數(shù)據(jù)寬度為16bit，產(chǎn)生10Mhz的IQ信號，10Mhz->100Mhz，100Mhz的乘法器進行16bit*8bit的相位校平和進行24bit*8bit加權(quán)相乘，然后轉(zhuǎn)換為10Mhz的IQ數(shù)據(jù)，10MHz->50Mhz，進行數(shù)據(jù)包的封裝，50MHZ->200MHZ，F(xiàn)PGA把發(fā)送的數(shù)據(jù)送到GTX發(fā)射接口；

接收部分：數(shù)據(jù)從GTX的100Mhz的RXUSRCLK2通過RAM轉(zhuǎn)換到FPGA的100Mhz，100Mhz->50Mhz，進行數(shù)據(jù)包同步接收數(shù)據(jù)；50Mhz->10Mhz，進行各個通道的數(shù)據(jù)分配，得到對應(yīng)通道的IQ數(shù)據(jù)；10Mhz->100Mhz，100Mhz的乘法器進行16bit*8bit的相位校平和進行24bit*8bit加權(quán)相乘，然后轉(zhuǎn)換為10Mhz的IQ數(shù)據(jù)，送往數(shù)字波束合成。在FPGA內(nèi)部時鐘通過20Mhz參考時鐘倍頻和分頻得到，其中50Mhz的相位與100Mhz和10Mhz相位反向180°，變化的沿對齊。同時在外部時鐘，160Mhz時鐘是20Mhz通過PLL進行控制VCO，倍頻產(chǎn)生。

圖1：數(shù)字相控陣二次監(jiān)視雷達系統(tǒng)基本組成

圖2：軟件無線電中頻數(shù)字化結(jié)構(gòu)框圖

3 結(jié)束語

本文對傳統(tǒng)的空管二次監(jiān)視雷達系統(tǒng)的硬件組成和數(shù)字相控陣二次監(jiān)視雷達系統(tǒng)的基本硬件系統(tǒng)組成進行了介紹，詳細的對軟件無線電三種基本結(jié)構(gòu)、光纖數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)字波束合成處理流程進行闡述。這些新的技術(shù)在空管二次雷達監(jiān)視設(shè)備引入，使空管二次監(jiān)視雷達系統(tǒng)的組成有了新的變化。