一種雷達窄帶數字接收機設計及關鍵技術研究

總第２１１期 艦船電子工程

２０１２年第１期

Ｓｈｉｐ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

Ｖｏ１．３２ Ｎｏ．１

一

種雷達窄帶數字接收機設計及關鍵技術研究

王先超祁嶺

洛陽４７１００９） （海軍駐洛陽地區航空軍事代表室

摘要雷達接收機領域的數字化技術在日趨發展，如何借助數字化的軟硬件技術設計出易實現、靈活，并功能穩定、性能良好的數字

接收機成為工程設計的重點。文章研究了一種被動雷達系統窄帶數字接收機，闡述了該接收機的總體設計思想、系統組成和工作流程，對設

計中的關鍵技術和實現方法進行了深入的研究，具有結構簡便、系統先進的特點，有較好的工程實用價值。

關鍵詞數字接收機；多速率濾波；歸一化處理；ＦＰＧＡ

ＴＮ９５ 中圖分類號

Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ａ Ｎａｒｒｏｗ—ｂａｎｄ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｒｅｃｅｉｖｅｒ ａｎｄ Ｋｅｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ Ｒａｄａｒ

ＷＡＮＧ Ｘｉａｎｃｈａｏ ＱＩ Ｌｉｎｇ

（Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｍｉｌｉｔａｒｙ Ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅｓ Ｏｆｆｉｃｅ ｏｆ Ｎａｖｙ ｉｎ Ｌｕｏｙａｎｇ，Ｌｕｏｙａｎｇ ４７１００９）

Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｒａｄａｒ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｉｓ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ，ｈｏｗ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ｔｈｅ ｅａｓｙ ｒｅａｌｉｚｅ，ｆｌｅｘｉｂｌｅ，ａｎｄ ｈｅｌｐ ｔｏ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｇｏｏｄ

ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｄｉｇｉｔａ１．ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｇ ｈａｒｄｗａｒｅ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｔｅｃｈｎｏ１．ｏｇｙ ｂｅｃｏｍｅ ｔｈｅ ｆｏｃｕｓ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｓｔｕｄ—

ｉｅｓ ｏｎｅ ｎａｒｒｏｗ－ｂａｎｄ ｄｉｇｉｔａ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐａｓｓｉｖｅ ｒａｄｅｒ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ．ｄｅｓｃｒｉｂｉｅｓ ｔｈｅ ｅｘｐａｔｉａｔｅ ｉｄｅａ ｏｆ ｏｖｅｒａｌｌ ｄｅｓｉｇｎ，ｔｈｅ

ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｗｏｒｋ－ｆｌｏｗ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｒｅｃｅｉｖｅｒ，ｄｅｅｐｌｙ ｓｔｕｄｉｅｓ ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｓｉｍｐｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，

ａｄｖａｎｃｅｄ ｄｅｓｉｇｎ ｆｅａｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｇｏｏｄ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｖａｌｕｅ．

Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ ｄｉｇｉｔａ１ ｒｅｃｅｉｖｅｒ，ｍｕｌｔｉ—ｒａｔｅ ｆｉｌｔｅｒ，ｕｎｉｔａｒｙ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ＦＰＧＡ

Ｃｌａｓｓ Ｎｕｎｌｌ￣ｒ ＴＮ９５

１ 引言

傳統模擬體制的雷達接收機受采樣速率限制，且只能 輻射源信息采集與處理，并輸出控制信息，完成對輻射源的

算法、延遲線的數字控制并具有與信號分選跟蹤分機的通

信功能。通過各分機的數據處理和分機間通信，即可完成

跟蹤。

處理單一信號ｌ＿１］，設備可靠性穩定性不高，接收機的數字化

研究成為雷達系統發展重點。窄帶接收機由于其帶寬窄，

在通帶內出現同時到達多信號的概率小，可以實現對信號

３窄帶數字接收機系統設計

３．１系統框圖

的高速處理，對帶內信號有較高的攔截概率，是目前研究較

多的一種數字接收機ｌ２］，本文研究了一種被動雷達系統窄

帶數字接收機，設計上采取了基于脈寬匹配的多速率數字

濾波器設計、采用歸一化處理運算的參數提取、通過ＦＰＧＡ

窄帶數字接收機采用軟件無線電思想＿４］，將接收到的

中頻信號通過ＡＤＣ采樣后轉化為數字信號，然后進行數字

下變頻處理，包括混頻、濾波、參數提取，得到所需的參數。

系統框圖如圖１所示，主要包括以下幾個部分：

１）數據采樣部分

計數實現方位角求取等多項技術，可以增強信號的信噪比，

縮短參數提取所需延時，簡化相位計算，該窄帶數字接收機

已在工程中運用，對雷達系統設備穩定、技術指標提升起到 利用高速ＡＤＣ器件中頻信號進行采樣；同時，還選用

了重要作用。

低速ＡｒＸ２對參考信號ＵｆＲＥ和積分信號“ 進行采樣。

２ 系統概述

該窄帶數字接收機基于被動雷達信息處理系統，雷達

系統由信號分選跟蹤機、窄帶數字接收機及測向處理機三

２）信號處理部分

信號處理部分采用高性能ＦＰＧＡ實現＿５］，主要完成數

字下變頻、數字濾波、相位差△ 以及Ｓ、Ｃ提取、硬件數字

積分求取ｕ：、利用ｕｆＲ 和“ 計算方位角ａ舳等工作。之后將

數據△ 和ａ舢在控制信號ＥＡ（２．．０）控制下通過數據線

ＥＤ（９．．Ｏ）送入測向處理器。

部分組成（圖１），信號分選跟蹤分機主要完成對環境的分

選、識別、分析Ｌ３］，對威脅信號提供ＰＲＩ跟蹤波門，可在系統

引導下對通過濾波器的信號進行ＰＲＩ跟蹤，實時監視跟蹤 ３）外圍電路設計

信號的變化，引導跟蹤器跟蹤；窄帶數字接收機主要完成數

為了保證電路的正常工作，還需要一定的輔助電路，如

ＡＤＣ前端調理電路、電源、時鐘及ＦＰＧＡ外圍電路等，各分

據采集和數據的預處理；測向處理分機完成閉環、開環測向

＊收稿日期：２０１１年７月２２日，修回日期：２０１１年８月３ｏ日

作者簡介：王先超，男，碩士，工程師，研究方向：航空兵器與火力控制＿Ｔ程。祁嶺，男，工程師，研究方向：航空兵器與火力控制工程。

５６ 王先超等：一種雷達窄帶數字接收機設計及關鍵技術研究 總第２１１期

機之間還需要進行隔離。

； 信號分選處理器

圖１ 窄帶數字接收機系統框圖

３．２系統工作模式

窄帶數字接收機能夠在開環和閉環兩種工作模式下給

出所需信號，開環和閉環工作模式下的處理過程如下：

３．２．１開環工作模式

在開環工作模式下，窄帶數字接收機接收兩路中頻信

號ＩＦ１、ＩＦ２，利用ＦＰＧＡ對其進行數字鑒相后，得到相位差

△妒，測向處理器對其進行數字積分得到數字信號“ ，通過

求取 的極大極小值之差，即可求出信號與彈軸夾角 ；

通過比較模擬信號 和ＵｆＲＥ之間的相位差，則可以求取方

位角ａｆｗ。

３．２．２閉環工作模式

在閉環工作模式下，窄帶數字接收機接受兩路中頻信

號ＩＦ１、ＩＦ２，利用ＦＰＧＡ對其進行處理，得到ＩＦ１、ＩＦ２之間

相位差的同相分量Ｃ和正交分量Ｓ，在Ｃ控制下對Ｓ進行

積分，進而得到數字信號“ ；測向處理器利用模擬信號

對駕駛儀進行控制，實現對導彈的控制。同時要求在閉環

模式下也要輸出仰角 和方位角ａ知，處理過程同開環工

作模式。

３．３系統功能

窄帶數字接收機主要完成數據采集和數據的預處理，

包括提取ｓ、Ｃ、△ “：和ａ舢。即當系統分別工作在開環模

式和閉環模式下時，窄帶數字接收機能夠提供后續信號處

理所需的信息，功能包括：

１）接收兩路中頻信號ＩＦ１、ＩＦ２，經信號調理后，采用高

速ＡＩＸ；芯片對其進行數據采集，求解兩路信號的Ｓ、Ｃ、△ ，

在Ｃ控制下對Ｓ進行數字積分，得到“ ；

２）接收參考信號ＵｆＲＥ和積分信號 衄，經信號調理

后，用低速ＡＤＣ芯片對其進行數據采集，之后對其處理得

到方位角ｎ ；

３）將△ “：、ａｆ．ｗ等信號在控制信號ＥＡ（２．．ｏ）控制下

通過數據線ＥＤ（９．．Ｏ）送至測向處理器。

３．４系統工作過程

如圖２所示，系統將采集到的兩路中頻數據Ｘｌ（ ）和

。

（ ）、參考信號“腳（ ）、積分信號 （ ）送人ＦＰＧＡ內部

進行信號處理，得到△ “ 、ｎ 等信號，在控制信號ＥＡ

（２．．０）的控制下，通過數據線ＥＤ（９．．Ｏ）送入測向處理器進

行進一步的處理。

）

：

（ ）

圖２系統工作流程

４關鍵技術研究及實現

４．１混頻、濾波

采用基于多相濾波的數字正交變換方法，可以得到本

地的載波序列分別為０，１，０，～１和１，０，一１，０，混頻過程變

得非常簡單，需要簡單的處理就可以完成，如圖３所示。

圖３基于多相濾波的數字正交變換

如圖３所示，濾波分為兩部分，延時校正ｌ＿６］和窄帶濾

波。延時校正濾波器１和延時校正濾波器２可以消除抽取

后數據在時域上的不對準（相差７ｃ／２），窄帶濾波器可以對

信號的帶外噪聲進行濾除，提高信噪比。

本系統中設計了一種基于脈寬匹配的多速率數字濾波

裝置，在對信號脈寬進行識別的前提下，接收機根據不同的

脈寬采用不同的濾波器帶寬對信號進行處理，同時根據脈

寬對輸出的數據速率進行調節，可以在很大程度上濾除帶

外噪聲，增強信號的信噪比，還可以減輕后續處理的復雜程

度。

Ｄａｔａ

ＣＬＫ１

ＥＮ１

ＣＬＫ Ｒｅｆ ＰＬＬ

—＿叫卜ｌ Ｅ —Ｃ一ｃＬＫ２３ ｑ ～ Ｔ，１Ｌ —二］ｌ卜躺ＥＥ編碼卜一Ｅ一 Ｎ３２

Ｊ

圖４基于脈寬匹配的數字濾波器設計

圖４是基于脈寬匹配的數字濾波器框圖，采用了三

種濾波器帶寬對信號進行濾波，分別是ＩＯＭＨｚ、１ＭＨｚ、

０．１ＭＨｚ，其中采用了濾波器復用的方式，通過利用信號

分選處理器給出的脈寬選擇信號ＳＥＬ（１．．０）對各級濾

波器進行選擇，最終實現對不同脈寬類型的信號進行濾

波；級間加入抽取模塊降低數據速率［７］，有利于數字濾

波器的設計；每級輸出Ｄａｔａ１、Ｄａｔａ２、Ｄａｔａ３送入數據選

２０１２年第１期 艦船電子工程 ５７

擇輸出模塊ＭＵＸ，通過ＳＥＬ（１．．０）選擇最終數據輸出 于天線旋轉一圈只能取得一個周期的參考信號和積分信

Ｄａｔａ

—

ｏｕｔ，減小系統功耗。各級濾波器的時鐘采用ＰＬＬ

統一管理。 得到準確的值。

系統在選擇某些脈寬類型時，可以禁用某些濾波器，如 設計中采用另外一種

脈寬類型為Ｏ０時，１ＭＨｚ Ｆｉｌｔｅｒ和０．１ＭＨｚ Ｆｉｌｔｅｒ．不需要工 方法實現方位角ａ 的提

作，可以通過給濾波器加入使能信號來完成。通過對ＥＮ 取，可以通過比較兩路信號

信號和ＳＥＬ（１．．Ｏ）進行編碼，可以完成此功能。

４．２ Ｓ、Ｃ提取

４．２．１提取原理 圖５參考信號和積分

設兩中頻信號分別為

Ｓｌ（￡）一Ａｌ ｃｏｓ（２￣ｆ０ｆ＋ ）

靶（ ）一Ａ２ｃｏｓ（２ｎｆ０ ＋ ）

則經過混頻后的信號濾除高頻分量后得到： 號和終止信號，將計數器輸出～和計數頻率＿， 進行運算，

Ａ１Ａ２ ｃｏｓ（ｑ￣－－ｑａ）

一

～ ２

將信號Ｓ （￡）延時 ／２后，在經過混頻后的信號濾除高

頻分量后得到：

ｓ 一

采用上述方法求解ｓ 、ｃ ，需要將其中一路信號延時

／２，對數字信號處理來講實現存在一定困難，而且采用上

述方法求得的Ｓ 、Ｃ，與信號幅度Ａ Ａｚ有關系，所以考慮采

用其它方法來求解歸一化后的ｓ、Ｃ。本文采用歸一化處理

運算，所需延時較小，約１ｏ個時鐘延時后即可得到歸一化

后的Ｓ、Ｃ。

４．２．２采用歸一化處理運算的Ｓ、Ｃ提取

把兩中頻信號分別經過數字下變頻，得到兩路信號的

同相分量和正交分量『ｇ 分別為

ｆ１：Ａ１ ｃｏｓ幼，Ｑｌ—Ａ１ ｓｉｎｑ￣

Ｊ２＝Ａ２ ｃｏｓｑ￣，Ｑ 一Ａ２ ｓｉｎ娩

；

！Ｑ 二紐 一 Ｑ ！Ｑ 熟± ！ ｉ望 啦

一 ２ ２

一

！ 墾±Ｑ壘

，

：

！ ！ 二 ２一 ！ 望 紐二 ！ 望

ｕ ｎ ｏ

：

！ 二墾魚

２

用歸一化處理進行以下運算，得到

ｒ一 一

、 、

上述過程如平方、求和、開根號以及除法模塊，都可以

在ＦＰＧＡ內部調用模塊實現。

４．３方位角的求取

圖５繪出了參考信號ＵｙＲＥ（實線）和積分信號Ｕｇ（虛線）

的圖形，要求解方位角ａ ，需要求解出兩路信號的相位差。

傳統的求解相位差［１０］的方法在本設計中很難實現，原因在

號。如果對信號再進行濾波和相位提取，由于數據少，不能

一 Ｆ

／廠 、＼ ，

“肛和“ 過零點的時間差

，

然后利用公式ｎ缸一

２ ，腓 求得方位角 血。

信號示意圖

在利用ＦＰＧＡ實現

時，可以在參考信號 娜和積分信號“ 的正向過零點時刻

產生兩個尖脈沖，利用這兩個尖脈沖作為計數器的啟動信

便可得到△ ，求得方位角ａ舳：

ｄ 一２ ＿， Ｅ△ 一２ｎｆｒｅＥ｛÷

ｅｌｋ

方位角ａ 的分辨率△口 由參考頻率， 決定，△口 一

２ｒｅｆｉｎｅ ｃ

５ 結語

本文提出了一種工程上實用的窄帶數字化接收機設計

方案，采用高速采樣ＡＤＣ、高性能ＦＰＧＡ芯片和軟件無線

電思想，系統先進，集成度高，基于本設計思想開發的窄帶

數字接收機已在某被動雷達信息處理系統中試用，具有實

時處理性強、可靠穩定的優點。

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