寬帶雷達(dá)干擾的DRFM高速采樣技術(shù)研究

楊會(huì)軍，程啟華，蔣 姝

(1 南京工程學(xué)院信息與通信工程學(xué)院，南京 211167；2 南京工程學(xué)院工業(yè)中心，南京 211167)

0 引言

數(shù)字射頻存儲(chǔ)器(DRFM)是電子對(duì)抗領(lǐng)域產(chǎn)生相干干擾信號(hào)的關(guān)鍵裝置，通過(guò)對(duì)接收到的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行中頻采樣獲得雷達(dá)信號(hào)樣本，然后對(duì)該樣本在時(shí)域、頻域、能量域、調(diào)制域和極化域進(jìn)行干擾復(fù)合調(diào)制，產(chǎn)生和雷達(dá)信號(hào)相干的干擾信號(hào)。

頻率捷變雷達(dá)、脈沖壓縮雷達(dá)等寬帶雷達(dá)采用信號(hào)調(diào)制技術(shù)，帶寬可達(dá)數(shù)GHz，具有高距離分辨力。根據(jù)奈奎斯特采樣定理可知，對(duì)寬帶雷達(dá)進(jìn)行干擾時(shí)，DRFM的采樣率約為雷達(dá)信號(hào)帶寬的2.5倍，這對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器提出了較高的要求。高速A/D轉(zhuǎn)換器通常具有低位數(shù)，分辨率較低，這將使DRFM產(chǎn)生虛假分量，降低了寬帶雷達(dá)的干擾效能。針對(duì)該問(wèn)題，提出了一種寬帶雷達(dá)干擾的DRFM高速采樣技術(shù)，該技術(shù)采用“多通道+串并流水線”技術(shù)實(shí)現(xiàn)DRFM高速采樣，可以在較低采樣率條件下獲得較高的干擾儲(chǔ)頻帶寬，提高寬帶雷達(dá)的干擾效能。

1 基于“多通道+串并流水線”的高速采樣技術(shù)

A/D轉(zhuǎn)換器的采樣率和采樣位數(shù)之間存在矛盾，提高采樣率將會(huì)降低采樣位數(shù)，從而導(dǎo)致DRFM產(chǎn)生虛假分量，降低了雷達(dá)干擾效能?！岸嗤ǖ?串并流水線”結(jié)構(gòu)圖包括開(kāi)關(guān)濾波器組、串并流水線處理和合路器，如圖1所示。在A/D采樣率有限的條件下，利用開(kāi)關(guān)濾波器組將寬帶雷達(dá)信號(hào)在頻域分成多路信號(hào)，對(duì)每一路信號(hào)進(jìn)行串并流水線處理，使A/D轉(zhuǎn)換器可以在低速率條件下允許使用更多位數(shù)，從而降低干擾信號(hào)虛假分量以及存儲(chǔ)器鐘控信號(hào)的速率。DRFM通過(guò)高速采樣得到寬帶雷達(dá)信號(hào)樣本，干擾控制器對(duì)每一路雷達(dá)信號(hào)樣本進(jìn)行調(diào)制得到單路雷達(dá)干擾信號(hào)，多路干擾信號(hào)合路得到寬帶雷達(dá)干擾信號(hào)。

圖1 “多通道+串并流水線”結(jié)構(gòu)示意圖

多通道技術(shù)采用開(kāi)關(guān)濾波器組來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。

圖2 開(kāi)關(guān)濾波器組原理框圖

開(kāi)關(guān)濾波器組包括輸入單刀擲開(kāi)關(guān)組、濾波器組、混頻器組、放大器組、輸出單刀擲開(kāi)關(guān)組和開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路。單刀擲開(kāi)關(guān)組由PIN二極管組成，可分時(shí)切換路子帶的雷達(dá)信號(hào)。二極管的導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)由開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路控制。開(kāi)關(guān)濾波器組接收寬帶雷達(dá)中頻信號(hào)，將寬帶雷達(dá)信號(hào)分成路子帶，開(kāi)關(guān)濾波器組輸出接路低速A/D轉(zhuǎn)換器，路低速A/D轉(zhuǎn)換器在頻域覆蓋寬帶雷達(dá)信號(hào)頻譜。當(dāng)輸出干擾信號(hào)時(shí)，多路A/D采樣信號(hào)調(diào)制后重構(gòu)寬帶雷達(dá)干擾信號(hào)。

圖3為串并流水線采用位移位寄存器結(jié)構(gòu)，移位寄存器將A/D轉(zhuǎn)換器輸出的每一位數(shù)據(jù)進(jìn)行移位處理，次移位處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給外部存儲(chǔ)器RAM，移位寄存器每個(gè)時(shí)鐘周期取一次數(shù)據(jù)，因此存儲(chǔ)器鐘控信號(hào)的速率為低速A/D采樣率的1/。

2 寬帶雷達(dá)干擾的DRFM高速采樣系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成及原理

圖4為寬帶雷達(dá)干擾的DRFM高速采樣系統(tǒng)，采用“多通道+串并流水線”技術(shù)實(shí)現(xiàn)DRFM高速采樣，系統(tǒng)包括開(kāi)關(guān)濾波器組、路低速A/D轉(zhuǎn)換器、串并結(jié)構(gòu)、外部存儲(chǔ)器、干擾控制器、D/A轉(zhuǎn)換器和合路器。

圖3 串并流水線技術(shù)原理框圖

圖4 寬帶雷達(dá)干擾的DRFM高速采樣系統(tǒng)

寬帶雷達(dá)信號(hào)通過(guò)開(kāi)關(guān)濾波器組輸出路信號(hào)，這些信號(hào)通過(guò)開(kāi)關(guān)切換方式依次接入A/D采樣通道，從而降低A/D采樣率，多路A/D采樣信號(hào)可重構(gòu)生成寬帶雷達(dá)干擾信號(hào)。設(shè)A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)為，則A/D轉(zhuǎn)換器的路輸出接路移位寄存器。對(duì)于每一路移位寄存器，串并流水線技術(shù)采用一組位移位寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)，即對(duì)A/D采樣輸出的每一位數(shù)據(jù)進(jìn)行移位處理。移位寄存器每個(gè)時(shí)鐘周期取一次數(shù)據(jù)，因此存儲(chǔ)器鐘控信號(hào)的速率為低速A/D采樣率的1/。干擾控制器控制外部存儲(chǔ)器進(jìn)行干擾調(diào)制，調(diào)制后數(shù)據(jù)由外部存儲(chǔ)器發(fā)送給移位寄存器，移位寄存器輸出接D/A轉(zhuǎn)換器，得到路子帶模擬信號(hào)，路子帶模擬信號(hào)經(jīng)合路器輸出寬帶中頻干擾信號(hào)。

設(shè)寬帶雷達(dá)信號(hào)帶寬為2 GHz，頻率范圍50～2 050 MHz。開(kāi)關(guān)濾波器組將寬帶雷達(dá)信號(hào)分為12路并行信道，即=12，每個(gè)信道的帶寬為167 MHz。每個(gè)信道采用采樣率=500 MHz的8位A/D轉(zhuǎn)換器，存儲(chǔ)器利用一組8位移位寄存器將采樣率降低至/8=62.5 MHz。干擾輸出采用一組工作在500 MHz的8位D/A轉(zhuǎn)換器對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)。

串并流水線采用移位寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)，設(shè)移位寄存器位數(shù)=8，A/D采樣率為，位移位寄存器的時(shí)鐘頻率為的1/，即移位寄存器的時(shí)鐘頻率=/8。通過(guò)增加硬件量降低帶寬，允許使用分辨率更高的A/D轉(zhuǎn)換器，從而降低干擾信號(hào)的虛假分量以及存儲(chǔ)器鐘控信號(hào)的速率。

干擾控制器控制DRFM在時(shí)域、頻域、能量域、調(diào)制域和極化域?qū)Σ蓸拥玫降睦走_(dá)信號(hào)樣本進(jìn)行干擾復(fù)合調(diào)制，生成寬帶雷達(dá)干擾信號(hào)。在時(shí)域，干擾控制器控制雷達(dá)信號(hào)檢波脈沖進(jìn)行時(shí)域延遲；在頻域，干擾控制器控制外部存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)字混頻調(diào)制，產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的多普勒假目標(biāo)；在能量域，控制干擾信號(hào)的功率，使干擾信號(hào)功率比目標(biāo)回波高3～5 dB；在調(diào)制域，根據(jù)雷達(dá)信號(hào)的頻率值隨時(shí)間的變化特征進(jìn)行調(diào)制；在極化域，干擾控制器控制外部存儲(chǔ)器進(jìn)行雷達(dá)信號(hào)極化調(diào)制，產(chǎn)生和雷達(dá)信號(hào)極化一致的干擾信號(hào)，用于干擾變極化雷達(dá)。

頻域調(diào)制采用數(shù)字多普勒技術(shù)，由DDS信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻域調(diào)制信號(hào)，設(shè)雷達(dá)信號(hào)頻率為，多普勒信號(hào)頻率為，則數(shù)字多普勒調(diào)制可以表示為三角函數(shù)運(yùn)算：

cos [2π(+)]=
cos (2π)cos (2π)-sin (2π)sin (2π)

(1)

數(shù)字混頻調(diào)制過(guò)程如圖5所示，分別利用正交變換結(jié)構(gòu)和多相DDS得到正交的輸入信號(hào)載頻和多普勒頻移，對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行多相正交變換，得到多相正交信號(hào)，多相DDS產(chǎn)生多相正交多普勒調(diào)制信號(hào)。根據(jù)式(1)中的三角函數(shù)，分別進(jìn)行相乘后相加即可得到數(shù)字頻移信號(hào)序列，對(duì)該序列進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換得到數(shù)字混頻信號(hào)。

圖5 數(shù)字混頻調(diào)制原理框圖

2.2 寬帶雷達(dá)干擾系統(tǒng)工作流程

寬帶雷達(dá)干擾系統(tǒng)工作流程如圖6所示。

圖6 寬帶雷達(dá)干擾系統(tǒng)工作流程圖

寬帶雷達(dá)干擾系統(tǒng)工作步驟如下：

1)接收寬帶雷達(dá)信號(hào)，開(kāi)關(guān)濾波器組對(duì)寬帶雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行分路，得到個(gè)子帶。

2)個(gè)低速A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)個(gè)子帶信號(hào)進(jìn)行A/D采樣，得到雷達(dá)信號(hào)數(shù)字樣本。

3)將A/D采樣數(shù)據(jù)輸出至位移位寄存器進(jìn)行串并流水線處理后存儲(chǔ)于外部存儲(chǔ)器。

4)干擾控制器控制DRFM在時(shí)域、頻域、能量域、調(diào)制域和極化域?qū)ν獠看鎯?chǔ)器中的雷達(dá)信號(hào)數(shù)字樣本進(jìn)行干擾復(fù)合調(diào)制，得到干擾信號(hào)樣本。

5)對(duì)外部存儲(chǔ)器中的干擾信號(hào)樣本進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換，得到路低速干擾信號(hào)樣本，對(duì)每一路干擾數(shù)字信號(hào)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生路低速干擾模擬信號(hào)。

6)將路干擾模擬信號(hào)進(jìn)行合路，產(chǎn)生和寬帶雷達(dá)信號(hào)相干的寬帶干擾信號(hào)。

3 仿真結(jié)果及分析

對(duì)DRFM的采樣位數(shù)和輸出信號(hào)虛假分量之間的關(guān)系進(jìn)行仿真研究。

設(shè)輸入復(fù)信號(hào)()=ej200π，分別采用1位A/D和5位A/D對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，輸出信號(hào)頻譜如圖7所示。由圖可知，1位A/D采樣的虛假分量為-10 dB，5位A/D采樣的虛假分量為-35 dB。

圖7 單信號(hào)采樣仿真結(jié)果

圖8 多信號(hào)采樣仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可知：采用基于“多通道+串并流水線”的高速采樣技術(shù)降低A/D的采樣率，使A/D轉(zhuǎn)換器可以在低速率條件下使用更多位數(shù)，提高采樣分辨率，降低干擾信號(hào)虛假分量，提高寬帶雷達(dá)的干擾效能。

4 結(jié)論

寬帶雷達(dá)干擾系統(tǒng)對(duì)A/D器件提出了較高要求，A/D器件的采樣率和采樣位數(shù)之間存在矛盾，當(dāng)采樣位數(shù)較低時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致寬帶雷達(dá)干擾信號(hào)產(chǎn)生較高的虛假分量。提出了一種基于“多通道+串并流水線”的高速采樣技術(shù)，利用開(kāi)關(guān)濾波器組將寬帶雷達(dá)信號(hào)在頻域分成多路信號(hào)，對(duì)每一路信號(hào)進(jìn)行串并流水線處理，使A/D轉(zhuǎn)換器可以在低速率條件下使用更多位數(shù)，從而降低干擾信號(hào)虛假分量以及存儲(chǔ)器鐘控信號(hào)的速率?；凇岸嗤ǖ?串并流水線”技術(shù)設(shè)計(jì)了寬帶雷達(dá)干擾的DRFM高速采樣系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)原理及工作流程。該技術(shù)在較低采樣率條件下可以實(shí)現(xiàn)較高的采樣分辨率，降低干擾信號(hào)虛假分量，提高對(duì)寬帶雷達(dá)的干擾效能。