多通道電離層斜向探測系統的接收通道設計與實現

周超 張援農 楊國斌

摘 ?要： 為了拓展傳統單通道電離層斜向探測系統的功能，依據數字化短波接收機理論構架了一種多通道（五通道）電離層斜向探測系統的接收通道。文中著重介紹了接收通道的設計與實現。相對于傳統的電離層探測系統，該系統在實現對電離層的常規探測時，可以通過陣列天線獲取來波信號的波達角信息。實驗結果證明了該系統接收通道設計的可靠性與實用性。

關鍵詞： 多通道; 電離層斜向探測系統; 短波通信; 短波數字化接收機; 調理電路; 通道校準; 波達角測量

中圖分類號： TN929.2?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）09?0145?04

Design and implementation of receiving channel of multi?channel ionospheric

oblique detection system

ZHOU Chao， ZHANG Yuannong， YANG Guobin

（School of Electronic Information， Wuhan University， Wuhan 430079， China）

Abstract： In order to expand the function of the traditional single?channel ionospheric oblique detection system， a receiver channel of a multi?channel ionospheric oblique detection system is constructed on the basis of theory of digital shortwave receiver. The design and implementation of the receiving channel are introduced emphatically. In comparison with the traditional ionospheric detection system， the proposed system can obtain the direction of arrival information of the receiving signal through the array antenna while performing the normal detection for the ionosphere. The experimental results prove the reliability and practicability of the designed receiver channel of the system.

Keywords： multi?channel; ionospheric oblique detection system; short?wave communication; short?wave digital receiver; conditioning circuit; channel calibration; direction of arrival detection

0 ?引 ?言

電離層斜向探測系統（以下簡稱斜測系統）是一種工作在短波頻段（2～30 MHz）的無線電探測系統。由于電離層能夠對高頻無線電信號進行反射傳播，因此，借助電離層斜測系統可對電離層進行實時監控[1]。

常規電離層斜向探測主要通過掃頻探測方式獲得各個探測頻率下回波對應的群時延及多普勒頻移特征參數，進而得到常規探測的電離層斜測圖，同時依據電離層斜測圖可以反演得到斜測鏈路中間點的電離層狀態參數信息（臨界頻率及電子密度剖面等信息[2?3]）。但傳統電離層探測系統僅采用一副天線進行接收，無法得到來波的波達角信息，對于電離層傾斜或者擾動情況下的電離層特征信息提取具有局限性。

鑒于此，本文提出一種多通道電離層斜測系統，該系統具備單通道斜測系統的功能，而且拓展了通過天線陣列進行波達角估計的功能，以此彌補傳統電離層探測系統功能上的局限性，對于電離層探測的工程應用研究具有重要意義。本文從分析多通道（五通道）電離層斜向探測系統的功能需求出發，給出了整機系統的設計方案，并且重點介紹了接收通道的設計。實驗結果表明，該系統功能正確，性能優良。實際探測中，該系統可達到探測功率小，測量波達角準確等效果。

1 ?接收通道設計

由短波通信的特性與雷達接收機設計理論可知，多通道電離層斜測系統工作在干擾嚴重的短波頻段內，系統往往采用超外差結構。同時，為保證較好的系統動態范圍，系統靈敏度與系統噪聲系數的設置需要進行權衡[4?5]。

為了簡化系統的設計復雜度，本系統僅采用一中頻超外差結構，混頻后的信號經過多級的窄帶濾波及放大，使系統抗干擾能力得到提高。經過調理后的中頻信號依托高性能的A/D轉換器進行采集，并在FPGA模塊內部實現高速數字信號的解調，得到基帶數字IQ信號。如圖1所示為多通道電離層斜向探測系統框圖。

在圖1中，正常探測時，天線接收的信號首先進入預選濾波器濾波，濾波后的信號輸入低噪放大器，經過初步放大后與本振信號一起進入混頻器進行混頻處理。混頻后的中頻信號經過窄帶濾波與放大，最后經調理的信號饋入A/D轉換器進行采集，得到的高速數字信號交由FPGA進行信號處理，再依托便攜式的USB 3.0總線傳輸至上位機進行存儲和處理[6]。系統技術指標參數如表1所示。

表1 ?系統總體設計指標

由表1可知，系統工作在2～30 MHz頻段內，為了避開此頻段的干擾，同時由于有源晶振在高頻段時容易實現較寬的帶寬，故將中頻設置的較高，為71.4 MHz。

式中：[B]為帶寬;[τ]為脈沖寬度，脈沖寬度決定了中頻帶寬大小。斜測系統的協作站約定發射脈寬時間為12.8 μs的脈沖信號，根據光速可計算出距離分辨率為1.98 km。計算帶寬時考慮系統余量，故將1.37設置為1.5。計算得到中頻帶寬[B=117.187 5 kHz]，近似為120 kHz。

1.1 ?噪聲系數設置

整個接收前端的設計需要考慮接收機的噪聲系數、靈敏度、動態范圍、增益，以及適當的A/D轉換器，最終確定系統的增益。

對于級聯的網絡而言，噪聲系數為：

式中：[Fi]，[Gi]分別為第[i]級網絡的噪聲系數和增益，[i=1，2，…，n]。由式（2）可知，對系統噪聲影響最大的是第一級網絡，因此第一級網絡需要更大的信噪比，使信噪比得以顯著改善。

系統的噪聲系數越低，則靈敏度越高，對微弱信號的檢測也就越強。但噪聲系數過低則使得靈敏度過高，帶內強干擾與弱信號同時被系統采集，往往使得目標信號被干擾信號的雜散或交調產物所淹沒[7]。由短波設計理論，本系統噪聲系數定為10 dB。

為了提高靈敏度，可以提高系統增益，但是系統增益提高會相應減小系統動態范圍。這將嚴重影響系統工作。靈敏度的表達式如下：

由式（3）可知，系統靈敏度與噪聲系數、中頻帶寬有關，其中中頻帶寬是靈敏度的主要決定因素。由前文已知噪聲系數與中頻帶寬，由式（3）得靈敏度[S=-110] ?dBm。

1.2 ?射頻信號調理電路

信號調理電路包括混頻電路與放大電路。

由于系統工作在2～30 MHz干擾嚴重的短波段中，因此系統采用超外差結構用于躲避干擾及提高鏡頻抑制比。混頻電路將天線接收到的信號與本振信號相差拍，把信號搬移到中頻帶寬范圍內。本系統設置中頻為71.4 MHz，中頻帶寬為120 kHz。混頻器使用Mini公司的LAVI?2VH+[8]，本振信號功率可達25 dBm，射頻信號功率最大為24 dBm，1 dB壓縮點功率為23 dBm。該芯片的大輸入動態范圍使得系統抗干擾能力增強。

A/D轉換器是決定系統增益大小的因素之一，A/D轉換器選擇AD9257[9]。該芯片是一個8通道（利于以后升級系統）、14位、40 MS/s模數轉換器。芯片的輸入輸出均采用差分信號，有利于信號抗干擾能力的提高。本接收機采用20 MHz采樣。按12位有效位計算可知A/D靈敏度為-56.25 dBm，系統靈敏度設為-110 dBm，可得出系統增益[G=]110-56.25=53.75 dB。

由于系統增益需求較大，因此設計使用級聯放大結構。由式（2）得知級聯放大電路的系統噪聲受第一級網絡影響最大，因此第一級放大器應該適當選擇增益更高的放大器來獲得更好的信噪比。在預選濾波器后級接入第一級放大器，放大器選擇Gali?74+[10]，此低噪放大器在接收機工作頻段內增益達25.1 dB，噪聲系數僅2.7 dB，可以很好地滿足第一級放大的要求。在混頻后還需較大的增益，為了便于增益控制，通道設計三級放大器級聯，因此混頻后另加兩級放大。最終，調理完成的信號交給A/D進行采集。

1.3 ?FPGA+USB模塊

FPGA功能包括整機時序控制和信號處理兩個組成部分。系統通過USB 3.0從主機接收用戶設定的各種參數[11]，然后傳輸到FPGA進行相應的工作設定。FPGA的信號處理可以分為數字下變頻模塊以及數據傳輸模塊。當系統工作后，FPGA準確按照時序接收A/D的數據，接收的數據首先進入數字下變頻模塊將數據轉換成基帶數據IQ信號送至數據傳輸模塊，最后數據通過USB 3.0回傳給主機并進行相應的處理與存儲。

1.4 ?通道校準

通道一致是保證多通道系統正常工作的必要條件，通道一致性分為幅度一致性與相位一致性。幅度一致性在增益設計環節通過放大器與衰減網絡進行初步調整，使得幅度基本一致。相位由于各器件不一致性，物理調節效果不佳，校準工作利用A/D采集到的數據進行數字校準。

通道校準模塊采用AD9958芯片輸出校準信號。信號通過一分五功分器分別饋入到接收通道，經過接收通道處理后，將數據上傳到PC機進行幅度差與相位差的計算，計算結果作為多通道數字校準的校準系數，從而保證系統各個通道間幅相的一致性。

2 ?實驗分析

為了驗證多通道電離層斜向探測系統的性能，分別設計了斜向探測實驗與有源測向實驗進行驗證。實驗在武漢（30.54°N，114.37°E）與昆山（31.50°N，120.95°E）之間的鏈路進行。實驗系統采用偽隨機脈沖編碼體制的16位二進制互補碼調制信號進行發射。平均發射功率為70 W。以武漢作為發射站，昆山作為接收站進行實驗。

圖2為2018年1月31日14：40斜向探測實驗進行的一次掃頻探測得到的雙時響應圖。

圖2 ?掃頻探測的雙時響應圖

系統探測頻率為2～30 MHz，掃頻步進為50 kHz。圖2為斜測圖的雙時響應圖部分截圖。結果表明，系統可接收到武漢站發的斜測信號，并觀察到十分強烈的回波。

有源測向實驗頻率選定7.17 MHz。天線布陣如圖3所示，考慮到均勻圓陣可以抵消天線間的互偶影響，接收陣型用5根6 m鞭天線構成半徑15 m的均勻圓陣。

圖3 ?天線布陣圖

圖4為各個通道獲取的散射函數圖。其中，圖4a）～圖4e）依次為五個通道顯示的對應群距離為576～768 km的回波譜圖，橫坐標為多普勒頻移，縱坐標為群距離。色度條代表信噪比強度。從散射函數圖可知，在群距離為714.24 km處各通道均接收到能量較強的回波信號。

圖4 ?各通道接收數據散射函數圖

針對獲取的回波數據采用MUSIC算法進行波達角（DOA）估計[12?14]。MUSIC算法基于矩陣特征空間分解將觀測空間分解為信號子空間與噪聲子空間，并依據信號子空間與噪聲子空間的正交關系來估計信號的方位。如圖5所示為MUSIC算法得到的信號空間譜圖。圖中水平面坐標[θ]（[0≤θ<360°]），[α]（[0≤α<90°]）分別為方位角與仰角，縱坐標表示的是空間譜信號歸一化功率。由于實驗環境是武漢單站發射信號，算法搜索得到的最高峰值便是測向得到的目標信號，通過經緯度與群距離理論計算，方位角為162°，仰角為23°。圖中可見最高峰顯示方位角為161°，仰角為24°，系統DOA測量功能達到預期效果。

圖5 ?MUSIC算法得到的信號空間譜圖

3 ?結 ?語

本文系統采用二進制互補碼調制信號進行發射，使得接收端得到高信噪比信號，信號處理過程更加簡單，便于得到更好的工作效果。實驗結果圖表明本系統的設計實現了電離層斜測儀功能的拓展。該系統改以往傳統的單通道斜測系統為多通道斜測系統，具備常規電離層探測能力（最高可用頻率、虛高等傳統測量參數）。同時具備信號來波到達角測量功能可用于分析電離層傾斜或者擾動情況下的電離層特征信息，以及實現對發射站與接收站的測向工作。

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