一種可重構(gòu)偵測一體化技術(shù)

中國電子科技集團公司第十研究所 張光輝

本文介紹了一種可重構(gòu)偵察測向一體化接收機的電路設(shè)計方案，通過多通道信道共本振模式實現(xiàn)設(shè)備高精度測向，通過多路一本振靈活的功分和開關(guān)選擇電路設(shè)計來實現(xiàn)電路重構(gòu)，同時實現(xiàn)設(shè)備寬帶高動態(tài)偵察和窄帶高精度測向。分析了共本振模式下通道間相位差穩(wěn)定性及標校后通道間相位一致性，通過精確相位校準實現(xiàn)設(shè)備窄帶高精度測向；分析了獨立本振工作模式下偵收的動態(tài)范圍和接收靈敏度，通過多路窄帶瞬時拼接寬帶偵察的方式實現(xiàn)寬帶偵察的高靈敏度及大動態(tài)范圍。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子信息裝備對于信號處理架構(gòu)的需求逐步趨于同質(zhì)化，對于信號處理在高性能、低成本、易升級、可重構(gòu)、快速響應(yīng)等方面的需求越來越強烈。而現(xiàn)有的信號處理架構(gòu)，系統(tǒng)開放性較差，不夠靈活，功能軟件開發(fā)、維護、升級周期長，硬件和軟件及系統(tǒng)功能緊密耦合，系統(tǒng)的成本更多的表現(xiàn)在重復升級中耗時耗力的軟硬件開發(fā)中，研究可根據(jù)偵察任務(wù)需求快速部署硬件資源和加載與更新軟件，實現(xiàn)信號偵察帶寬的快速重構(gòu)架構(gòu)軟硬件平臺具有重大意義，提高裝備硬件模塊的通用性、可維護性，且可減少設(shè)備類型、縮短研制周期，實現(xiàn)接收系統(tǒng)的動態(tài)可重構(gòu)。

此外，針對小型化便攜式信號偵測系統(tǒng)，一般要求同時具備對窄帶信號、寬帶跳頻信號信號的一體化偵收及測向能力。窄帶信號與寬帶跳頻信號對變頻電路中頻帶寬需求差距較大。窄帶信號偵察要求設(shè)備具備高靈敏度，寬帶調(diào)頻信號偵察要求設(shè)備瞬時覆蓋帶寬較寬，這要求一體化接收設(shè)備同時具有高靈敏度、大動態(tài)范圍以及寬帶瞬時覆蓋的能力。然而信號帶寬的大小對設(shè)計高靈敏度的接收機有很大影響，信號帶寬越大， 信號ADC采樣率要求較高，高采樣率下接收機的靈敏度及動態(tài)均有較大程度惡化[1]。所以，同時滿足高靈敏度和大帶寬極為困難，通過研究帶寬可重構(gòu)拼接技術(shù)，利用多路窄帶接收通道根據(jù)需要重構(gòu)拼接成寬帶接瞬時偵收設(shè)備，在保證高靈敏度和大動態(tài)范圍的同時提高了接收設(shè)備的瞬時覆蓋帶寬[2]。測向功能要求多通道變頻共本振工作，而多路窄帶拼接寬帶偵察功能要求多通道變頻獨立本振工作，因此通過靈活設(shè)計多路本振電路，研究一種可重構(gòu)的偵測一體化接收技術(shù)具有重大意義[3]。

1 關(guān)鍵指標分析

偵收測向接收設(shè)備的射頻部分性能指標項較多，包括噪聲系數(shù)、增益、動態(tài)、靈敏度、線性度、干擾抑制、通道間相位差穩(wěn)定性、幅度一致性等，本文著重對接收信道的接收靈敏度、動態(tài)范圍及相位一致性等指標進行分析。

1.1 接收靈敏度分析

接收靈敏度是接收信道能夠接收的最小信號電平，表征系統(tǒng)對弱信號的接收能力，接收機靈敏度計算公式如式(1)所示[4]：

其中S表示靈敏度，B為信號帶寬（kHz），NF為噪聲系數(shù)，（S/N）out為輸出信噪比。

由公式（1）可見，接收機靈敏度決定于系統(tǒng)噪聲系數(shù)、信號處理最小帶寬B，和需要的最小輸出信噪比。

A/D的等效噪聲功率NA/D如式(2)所示：

R為A/D輸入阻抗，通常R=50Ω。

VFS為A/D最大量化幅度，SNR（單位dB）為A/D的信噪比（即對應(yīng)A/D的有效位數(shù)），如式(3)所示：

N即為A/D的有效位數(shù)，fs為采樣率，Bn為信號帶寬。

由公式（2）、（3）可見當系統(tǒng)噪聲系數(shù)和信號帶寬一定時，提高A/D有效位數(shù)N能有效降低A/D器件對系統(tǒng)噪聲惡化，從而改善系統(tǒng)的接收靈敏度。而A/D有效位數(shù)隨采樣率升高而下降，因此為了保證系統(tǒng)接收靈敏度，A/D采樣率不能太高。而系統(tǒng)采樣受限于模擬中頻帶寬，帶寬越寬，采樣率越高，系統(tǒng)靈敏度就越差，因此通過多路較窄的中頻帶寬拼接寬帶瞬時偵察的方式，可有效保證寬帶偵察的高靈敏度[5]。

1.2 動態(tài)范圍分析

接收動態(tài)范圍表征接收系統(tǒng)能接受的最弱信號到最強信號的電平范圍，即接收靈敏度到輸入1dB壓縮點的信號電平范圍，由公式(4)計算得出：

其中：SFDR表示單音動態(tài)范圍，P輸入-1dB表示輸入1dB壓縮點，P輸出-1dB表示輸出1dB壓縮點，S為接收靈敏度，G表示鏈路增益。由公式（4）可見，鏈路輸出功率1dB壓縮點越高、靈敏度越高、增益越低則動態(tài)范圍越大[6]。由于受A/D采樣電平的限制（通常A/D采樣的門限電平不低于-65dBm），為了保證靈敏度電平的正常采樣，鏈路增益一般較大，本文設(shè)計中鏈路增益在50dB左右，因此為了提高動態(tài)范圍只能提高接收靈敏度和輸出P-1dB。

接收機的接收動態(tài)范圍主要受兩方面因素限制，即射頻接收前端的線性動態(tài)范圍和后端A/D的動態(tài)范圍[7]。射頻前端通過低噪聲和高線性度設(shè)計，保證模擬部分大動態(tài)范圍；A/D電路的動態(tài)范圍主要受限于采樣率，通過系統(tǒng)多路窄帶采樣拼接寬帶偵察的設(shè)計，有效降低A/D采樣率，保證A/D電路的大動態(tài)范圍，從而保證系統(tǒng)的大動態(tài)[8]。

1.3 相位差穩(wěn)定性分析

由于傳統(tǒng)相位相關(guān)干涉儀測向體制中，測向誤差主要與目標源信號入射角θ和通道間相位誤差Δφ有關(guān)系。入射角θ的測向模糊問題可通過天線布陣方案優(yōu)化，本文不作相關(guān)論述；通道間的相位差Δφ可以通過合理的電路設(shè)計，確保多通道相位差的穩(wěn)定性[9]，系統(tǒng)設(shè)計標校信號對多通道相位差校準，確保校準后多個通道相位一致，即能保證系統(tǒng)高精度測向要求。

相關(guān)干涉儀測向體制中[10]，通道間相位不一致可以通過標校源校準去除，但一定要保證各個通道相位差隨時間不變或者變化極小，如果各個通道本振獨立，只是同參考源，本振環(huán)路引入的隨機相差會導致通道間相位差隨時變化[11,12]，引入較大測向誤差，而通過共本振方式，各個通道本振信號都由相同本振源功分而來，即可保證通道間相位差隨時間變化較小，如表1所示，引入的測向誤差可以忽略不計，可滿足系統(tǒng)高精度測向要求。

表1 共本振模式下通道間相位差穩(wěn)定性測試值Tab.1 Stability test values of phase difference between channels in common local oscillator mode

2 硬件方案實現(xiàn)

本設(shè)計中采用5通道相關(guān)干涉測向體制，設(shè)計了5個相同的變頻通道，變頻通道采用超外差二次變頻體制，其中一本振采用細步進寬帶調(diào)頻方式，可以在共本振和獨立本振工作的模式間切換，二本振采用固定點頻功分方式。接收機原理框圖如圖1所示。

圖1 接收機原理圖Fig.1 Schematic of the receiver

該接收機電路設(shè)計具備兩種工作模式：（1）所有本振開關(guān)選擇一本振1功分5路輸出給5個變頻通道， 5路信道工作在共本振模式下，保證通道間相位差高穩(wěn)定性，可應(yīng)用于相關(guān)干涉儀測向系統(tǒng)，該模式下，通過設(shè)備內(nèi)置標校信號功分到5路變頻通道輸入端口，對系統(tǒng)通道間相位差校準后，可實現(xiàn)系統(tǒng)高精度測向；（2）本振開關(guān)選擇5路本振信號為獨立的5路本振信號供給5路變頻模塊，該模式下5路信道獨立調(diào)諧，可靈活實現(xiàn)5路窄帶信號拼接成300MHz瞬時帶寬的寬帶信號，同時能保證接收帶寬內(nèi)的高靈敏度和大動態(tài)。

3 結(jié)語

本文分析了接收信道靈敏度和動態(tài)范圍影響因素，通過多路AD低采樣率采集中頻窄帶信號拼接瞬時寬帶信號的方式來確保寬帶偵察下的高靈敏度及大動態(tài)范圍；通過精準的標校方式，實現(xiàn)設(shè)備高精度測向能力；通過靈活本振源設(shè)計，實現(xiàn)設(shè)備的共本振測向及多路窄帶重構(gòu)寬帶偵察的一體化集成方案，實現(xiàn)便攜式小型化設(shè)備集成高性能偵測一體化接收技術(shù)。