正交接收機綜合實驗裝置設計與實現

張靜遠， 濮懷宇， 王 鵬， 張洪剛， 唐 波， 譚思煒

（海軍工程大學a.兵器工程學院；b.教保處，武漢430033）

0 引 言

以目標檢測與參數估計為主要內容的統計檢測理論是信息與通信學科的基礎理論之一，是導彈、魚雷等精確制導武器實現目標探測的核心技術。各大學電子工程、通信、雷達、聲吶、武器制導等相關學科專業都要求學習統計檢測理論。統計檢測理論，研究對象是各種復雜波形和噪聲等隨機信號，用到的數理基礎是概率統計和隨機過程理論，學生面臨著由傳統的解方程組給出確定性解到根據隨機事件的統計分析，給出最大可能性結果的思維方式轉變，這使得大多數學生極不適應。正交接收機是隨機參量信號檢測的最基本形式，充分理解和掌握正交接收機工作原理與信號分析過程，是學習統計檢測理論的關鍵環節［1-2］。

現有相關課程教學中對于統計檢測理論的講解大多是采用課堂講授、公式推導等方式，缺乏簡便直觀的實驗裝置對接收機工作原理與過程進行演示、測量和操作。現有裝備越來越多地采用數字化技術實現信號的檢測與參數估計［3-7］，通過實際裝備試驗難以準確理解掌握檢測的基本原理。為解決教學實驗條件欠缺的不足，本文設計開發一種按正交接收機基本原理和處理過程實現信號檢測與參數估計的開放結構的綜合實驗裝置，設計了嵌入式噪聲產生、門限產生和邏輯判別電路，輔以外接的信號發生器、示波器等設備，可為學員提供信號、噪聲以及正交接收機各處理環節信號特性的直接顯示，實現信號檢測與參數估計有關的實驗教學。同時，實驗裝置的開放式結構最大限度實現了演示性實驗向學員自主探究式實驗的轉變，對于培養學員的主動性、探究性和創造性具有重要價值［8-15］。

1 正交接收處理的基本原理

正交接收機的數學表達式如下：

其可實現的結構形式如圖1所示。

圖1 正交接收機的結構

由圖可見，這種最佳接收機將回波信號分成2個通道，每個通道做相關處理。由于2個通道相關處理的參考信號剛好相位相差90°，是正交關系，因此稱該接收機為正交接收機。

2 基于正交接收機的綜合實驗系統

2.1 實驗系統的功能

實驗系統以雷達、聲吶、通信探測以及導彈、魚雷等武器制導應用為背景，以對回波信號的正交接收處理為基本形式。為此要求實驗系統應該能夠全面展示信號、噪聲、不同信噪比的混合波形，反映正交接收機處理回波信號過程各環節的信號波形，還應能夠提供檢測門限、檢測概率、虛警概率等的測量顯示，利用實驗系統可進行目標（速度）參數測量估計和接收機工作特性測試。基于這些考慮，確定實驗系統功能。

（1）產生回波信號。產生模擬目標回波的理想信號，可以對信號的幅度、頻率進行調整。

（2）產生干擾噪聲信號。產生高斯白噪聲，信號的幅度可以調整。

（3）形成混合回波信號。對理想回波信號與干擾噪聲信號進行疊加，形成模擬真實目標回波的不同信噪比的混合波形。

（4）對回波信號正交接收處理。能夠將正交處理過程各環節波形直觀顯示出來，便于觀察測量。

（5）產生正交處理參考信號。可以對參考信號頻率做出選擇性調整，以適應不同的回波信號頻率變化。

（6）產生檢測門限。門限值可以根據需要調整，以模擬不同的門限設定。

（7）輸出檢測結果。給出檢測處理結果的輸出波形，從中可以測量檢測率、虛警率等。

2.2 系統的功能實現方式

從學生實驗操作來說，所用儀器設備應盡可能少，布局和接線簡單明了，操作方便可靠，但必要的參數調節操作有利于加深對原理的理解，更是實現自主研究實驗必不可少的條件。為此，確定實驗系統的功能實現方式。

理想回波信號產生與波形參數測量：考慮到設備的復雜程度和加工成本以及故障修理等多方面因素，特別是實驗時關于回波信號幅度、頻率等參數精確調整需求，確定通過外接信號發生器產生理想的回波信號，通過外接示波器觀察波形，測量波形參數。

除了基本的正交接收處理功能之外，為減少設備數量，便于操作使用，將干擾噪聲信號產生、信號與噪聲混合相加、參考信號產生、檢測門限產生以及檢測結果判定、輸出等功能均通過專門的功能電路實現，并將其嵌入在實驗裝置電路中。通過外接電位計、開關等實現檢測門限電平、噪聲電平連續調節，控制噪聲電平是否接入。檢測結果通過測點和指示燈2種方式輸出，便于測量和觀察。

由此形成的正交接收機綜合實驗系統由正交接收機綜合實驗裝置、信號發生器和雙蹤示波器3臺儀器組成（見圖2）。絕大部分功能都集成到綜合實驗裝置，因此正交接收機綜合實驗裝置的設計尤為重要。

圖2 實驗系統組成框圖

3 正交接收機綜合實驗裝置

3.1 功能

根據實驗系統功能的實現方式，可得到正交接收機綜合實驗裝置功能組成如圖3所示。

圖3 正交接收機綜合實驗裝置的功能組成

具體設計如下：

（1）噪聲信號由功能電路產生，通過電位計由人工方式進行幅度連續調節。干擾噪聲是否接入接收機，通過開關由人工操作控制。

（2）為方便參考信號頻率調節，以適應不同回波信號頻率的變化，將參考信號產生電路設計為多頻率檢測通道方式（等同于濾波器組），通過10檔波段開關實現10種參考信號頻率的選擇，每一參考信號對應一最佳頻率的接收機。

（3）正交接收機是實驗裝置的核心，根據式（1）數學表達式和圖1所示的構成形式，考慮工程實現可行性，將基本正交接收機理論上的“相乘—積分—平方相加—門限比較”過程，變換成為“相乘—濾波—整流（平方）—相加—積分—門限比較”運算過程，實現正交接收處理。其中將參考信號產生與混頻處理統一考慮，自行產生相位相差90°的2路方波參考信號，采用開關混頻方式，保證正交處理的相位準確度。

（4）門限信號由功能電路產生，可通過電位計由人工方式連續調節幅度。

（5）電源電路設計為交流220 V外部供電，經由保險后，通過開關人工控制通斷。裝置內部通過獨立的電源模塊變換出電路所需的各種直流電源。

3.2 結構

從實驗操控和測量顯示方便考慮，所有輸入、輸出接口以及操控開關、電位計、觀察點、指示燈等，均安排在同一面板上。由于觀測信號波形需要很多檢測點，為保證信號引出的可靠性，各檢測點設計為橡膠插座形式，并將面板平置，插拔插頭時上下用力。從方便維修角度對裝置的結構和裝配進行了多輪優化設計。除了電源模塊專門定制而獨立安裝外，將所有功能電路集成到一塊電路板上，通過2個排插座與面板器件實現信號連接。在箱體內配置專門的襯板。裝配時將電源模塊和功能電路板安裝到襯板上，將襯板固定到機箱里，連接面板與功能電路板的2個線纜插座，將面板固定到機箱上面，即完成裝配。安裝、調試和維修極為方便。

3.3 操作顯示面板

為方便觀察和操作，將面板劃分區域布置相關元器件。中部核心區布置正交接收處理各環節波形輸出檢測點，按處理過程鏈路從左到右依次排列，共15個信號輸出檢測點。為了便于觀察結果，輸出判決結果同時對應有指示燈顯示。上部區域布置外接信號和共用接地插座及外接供電指示與控制。下部區域布置功能電路所產生信號的操控器件。所有檢測點、操控元器件均標注功能指示，特別是各檢測點之間按正交處理原理繪制功能電路框圖，各檢測點與原理相對應，一目了然。整個面板如圖4所示。

圖4 正交接收機綜合實驗裝置面板

4 實驗系統應用

4.1 實驗系統的實踐教學功能

以正交接收機綜合實驗裝置為核心的實驗系統可以開設基本實驗、綜合設計實驗和自主研究實驗3種類型的實驗。

基本實驗是與正交接收機分析與調試相關的實驗。通過該實驗，可以驗證典型信號檢測接收機——正交接收機的工作原理、電路構成，掌握正交接收機實現方法，觀察正交接收處理各環節的信號波形，定性了解并掌握輸入回波信號幅度、頻率參數和不同噪聲干擾、不同檢測門限對正交接收機工作的影響。

綜合設計實驗是以目標速度測量與估計相關的實驗。通過濾波器設定波段開關，改變參考信號的頻率，實現對輸入信號頻率的測量，并進一步計算出目標的徑向運動速度。

自主研究實驗是測試該正交接收機工作特性（ROC）。學生自主設計ROC曲線的形式，設計測試接收機ROC曲線的方法，利用綜合實驗裝置，設定不同輸入信噪比、不同檢測門限，在正交處理結果輸出端測量檢測概率和虛警率，繪制ROC曲線。

4.2 實驗結果

圖5（a）～（h）所示為示波器通過面板各檢測點獲取的波形，從波形對比中可直觀觀察對回波信號正交接收處理的過程。

圖5 正交接收機綜合實驗裝置各處理環節波形圖

4.3 應用效果

該正交接收機綜合實驗系統經過了數百人次的實驗教學使用，通過學生撰寫的實驗報告可以看出，學生對實驗現象和實驗結果進行了深入分析和思考，對提高學習興趣、加深對信號檢測與參數估計理論的理解有極大的幫助。

實驗裝置于2015年獲得實用新型專利授權（專利號ZL 2015 20 241 431.7），2017年獲得國家發明專利授權（專利號ZL 2015 10 188 668.8）。2018年，獲得第二屆湖北省高等學校自制實驗教學儀器設備成果一等獎，同年獲得全國高校教師教學創新大賽——第五屆全國高等學校教師自制實驗教學儀器設備創新大賽一等獎（證書號JS201 81021060）。

5 結 語

針對通信與電子工程領域關于統計檢測理論相關教學活動中基礎實驗手段不足的現狀，在充分分析正交接收處理基本原理與過程的基礎上，設計了正交接收機綜合實驗裝置和實驗系統。該系統為開展目標信號檢測與參數估計等方面實驗提供了簡單、直觀、可靠的技術手段，在實驗教學中發揮了重要作用。