一种雷达窄带数字接收机设计及关键技术研究

总第２１１期 舰船电子工程

２０１２年第１期

Ｓｈｉｐ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

Ｖｏ１．３２ Ｎｏ．１

一

种雷达窄带数字接收机设计及关键技术研究

王先超祁岭

洛阳４７１００９） （海军驻洛阳地区航空军事代表室

摘要雷达接收机领域的数字化技术在日趋发展，如何借助数字化的软硬件技术设计出易实现、灵活，并功能稳定、性能良好的数字

接收机成为工程设计的重点。文章研究了一种被动雷达系统窄带数字接收机，阐述了该接收机的总体设计思想、系统组成和工作流程，对设

计中的关键技术和实现方法进行了深入的研究，具有结构简便、系统先进的特点，有较好的工程实用价值。

关键词数字接收机；多速率滤波；归一化处理；ＦＰＧＡ

ＴＮ９５ 中图分类号

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

传统模拟体制的雷达接收机受采样速率限制，且只能 辐射源信息采集与处理，并输出控制信息，完成对辐射源的

算法、延迟线的数字控制并具有与信号分选跟踪分机的通

信功能。通过各分机的数据处理和分机间通信，即可完成

跟踪。

处理单一信号ｌ＿１］，设备可靠性稳定性不高，接收机的数字化

研究成为雷达系统发展重点。窄带接收机由于其带宽窄，

在通带内出现同时到达多信号的概率小，可以实现对信号

３窄带数字接收机系统设计

３．１系统框图

的高速处理，对带内信号有较高的拦截概率，是目前研究较

多的一种数字接收机ｌ２］，本文研究了一种被动雷达系统窄

带数字接收机，设计上采取了基于脉宽匹配的多速率数字

滤波器设计、采用归一化处理运算的参数提取、通过ＦＰＧＡ

窄带数字接收机采用软件无线电思想＿４］，将接收到的

中频信号通过ＡＤＣ采样后转化为数字信号，然后进行数字

下变频处理，包括混频、滤波、参数提取，得到所需的参数。

系统框图如图１所示，主要包括以下几个部分：

１）数据采样部分

计数实现方位角求取等多项技术，可以增强信号的信噪比，

缩短参数提取所需延时，简化相位计算，该窄带数字接收机

已在工程中运用，对雷达系统设备稳定、技术指标提升起到 利用高速ＡＤＣ器件中频信号进行采样；同时，还选用

了重要作用。

低速ＡｒＸ２对参考信号ＵｆＲＥ和积分信号“ 进行采样。

２ 系统概述

该窄带数字接收机基于被动雷达信息处理系统，雷达

系统由信号分选跟踪机、窄带数字接收机及测向处理机三

２）信号处理部分

信号处理部分采用高性能ＦＰＧＡ实现＿５］，主要完成数

字下变频、数字滤波、相位差△ 以及Ｓ、Ｃ提取、硬件数字

积分求取ｕ：、利用ｕｆＲ 和“ 计算方位角ａ舳等工作。之后将

数据△ 和ａ舢在控制信号ＥＡ（２．．０）控制下通过数据线

ＥＤ（９．．Ｏ）送入测向处理器。

部分组成（图１），信号分选跟踪分机主要完成对环境的分

选、识别、分析Ｌ３］，对威胁信号提供ＰＲＩ跟踪波门，可在系统

引导下对通过滤波器的信号进行ＰＲＩ跟踪，实时监视跟踪 ３）外围电路设计

信号的变化，引导跟踪器跟踪；窄带数字接收机主要完成数

为了保证电路的正常工作，还需要一定的辅助电路，如

ＡＤＣ前端调理电路、电源、时钟及ＦＰＧＡ外围电路等，各分

据采集和数据的预处理；测向处理分机完成闭环、开环测向

＊收稿日期：２０１１年７月２２日，修回日期：２０１１年８月３ｏ日

作者简介：王先超，男，硕士，工程师，研究方向：航空兵器与火力控制＿Ｔ程。祁岭，男，工程师，研究方向：航空兵器与火力控制工程。

５６ 王先超等：一种雷达窄带数字接收机设计及关键技术研究 总第２１１期

机之间还需要进行隔离。

； 信号分选处理器

图１ 窄带数字接收机系统框图

３．２系统工作模式

窄带数字接收机能够在开环和闭环两种工作模式下给

出所需信号，开环和闭环工作模式下的处理过程如下：

３．２．１开环工作模式

在开环工作模式下，窄带数字接收机接收两路中频信

号ＩＦ１、ＩＦ２，利用ＦＰＧＡ对其进行数字鉴相后，得到相位差

△妒，测向处理器对其进行数字积分得到数字信号“ ，通过

求取 的极大极小值之差，即可求出信号与弹轴夹角 ；

通过比较模拟信号 和ＵｆＲＥ之间的相位差，则可以求取方

位角ａｆｗ。

３．２．２闭环工作模式

在闭环工作模式下，窄带数字接收机接受两路中频信

号ＩＦ１、ＩＦ２，利用ＦＰＧＡ对其进行处理，得到ＩＦ１、ＩＦ２之间

相位差的同相分量Ｃ和正交分量Ｓ，在Ｃ控制下对Ｓ进行

积分，进而得到数字信号“ ；测向处理器利用模拟信号

对驾驶仪进行控制，实现对导弹的控制。同时要求在闭环

模式下也要输出仰角 和方位角ａ知，处理过程同开环工

作模式。

３．３系统功能

窄带数字接收机主要完成数据采集和数据的预处理，

包括提取ｓ、Ｃ、△ “：和ａ舢。即当系统分别工作在开环模

式和闭环模式下时，窄带数字接收机能够提供后续信号处

理所需的信息，功能包括：

１）接收两路中频信号ＩＦ１、ＩＦ２，经信号调理后，采用高

速ＡＩＸ；芯片对其进行数据采集，求解两路信号的Ｓ、Ｃ、△ ，

在Ｃ控制下对Ｓ进行数字积分，得到“ ；

２）接收参考信号ＵｆＲＥ和积分信号 衄，经信号调理

后，用低速ＡＤＣ芯片对其进行数据采集，之后对其处理得

到方位角ｎ ；

３）将△ “：、ａｆ．ｗ等信号在控制信号ＥＡ（２．．ｏ）控制下

通过数据线ＥＤ（９．．Ｏ）送至测向处理器。

３．４系统工作过程

如图２所示，系统将采集到的两路中频数据Ｘｌ（ ）和

。

（ ）、参考信号“脚（ ）、积分信号 （ ）送人ＦＰＧＡ内部

进行信号处理，得到△ “ 、ｎ 等信号，在控制信号ＥＡ

（２．．０）的控制下，通过数据线ＥＤ（９．．Ｏ）送入测向处理器进

行进一步的处理。

）

：

（ ）

图２系统工作流程

４关键技术研究及实现

４．１混频、滤波

采用基于多相滤波的数字正交变换方法，可以得到本

地的载波序列分别为０，１，０，～１和１，０，一１，０，混频过程变

得非常简单，需要简单的处理就可以完成，如图３所示。

图３基于多相滤波的数字正交变换

如图３所示，滤波分为两部分，延时校正ｌ＿６］和窄带滤

波。延时校正滤波器１和延时校正滤波器２可以消除抽取

后数据在时域上的不对准（相差７ｃ／２），窄带滤波器可以对

信号的带外噪声进行滤除，提高信噪比。

本系统中设计了一种基于脉宽匹配的多速率数字滤波

装置，在对信号脉宽进行识别的前提下，接收机根据不同的

脉宽采用不同的滤波器带宽对信号进行处理，同时根据脉

宽对输出的数据速率进行调节，可以在很大程度上滤除带

外噪声，增强信号的信噪比，还可以减轻后续处理的复杂程

度。

Ｄａｔａ

ＣＬＫ１

ＥＮ１

ＣＬＫ Ｒｅｆ ＰＬＬ

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

Ｊ

图４基于脉宽匹配的数字滤波器设计

图４是基于脉宽匹配的数字滤波器框图，采用了三

种滤波器带宽对信号进行滤波，分别是ＩＯＭＨｚ、１ＭＨｚ、

０．１ＭＨｚ，其中采用了滤波器复用的方式，通过利用信号

分选处理器给出的脉宽选择信号ＳＥＬ（１．．０）对各级滤

波器进行选择，最终实现对不同脉宽类型的信号进行滤

波；级间加入抽取模块降低数据速率［７］，有利于数字滤

波器的设计；每级输出Ｄａｔａ１、Ｄａｔａ２、Ｄａｔａ３送入数据选

２０１２年第１期 舰船电子工程 ５７

择输出模块ＭＵＸ，通过ＳＥＬ（１．．０）选择最终数据输出 于天线旋转一圈只能取得一个周期的参考信号和积分信

Ｄａｔａ

—

ｏｕｔ，减小系统功耗。各级滤波器的时钟采用ＰＬＬ

统一管理。 得到准确的值。

系统在选择某些脉宽类型时，可以禁用某些滤波器，如 设计中采用另外一种

脉宽类型为Ｏ０时，１ＭＨｚ Ｆｉｌｔｅｒ和０．１ＭＨｚ Ｆｉｌｔｅｒ．不需要工 方法实现方位角ａ 的提

作，可以通过给滤波器加入使能信号来完成。通过对ＥＮ 取，可以通过比较两路信号

信号和ＳＥＬ（１．．Ｏ）进行编码，可以完成此功能。

４．２ Ｓ、Ｃ提取

４．２．１提取原理 图５参考信号和积分

设两中频信号分别为

Ｓｌ（￡）一Ａｌ ｃｏｓ（２￣ｆ０ｆ＋ ）

靶（ ）一Ａ２ｃｏｓ（２ｎｆ０ ＋ ）

则经过混频后的信号滤除高频分量后得到： 号和终止信号，将计数器输出～和计数频率＿， 进行运算，

Ａ１Ａ２ ｃｏｓ（ｑ￣－－ｑａ）

一

～ ２

将信号Ｓ （￡）延时 ／２后，在经过混频后的信号滤除高

频分量后得到：

ｓ 一

采用上述方法求解ｓ 、ｃ ，需要将其中一路信号延时

／２，对数字信号处理来讲实现存在一定困难，而且采用上

述方法求得的Ｓ 、Ｃ，与信号幅度Ａ Ａｚ有关系，所以考虑采

用其它方法来求解归一化后的ｓ、Ｃ。本文采用归一化处理

运算，所需延时较小，约１ｏ个时钟延时后即可得到归一化

后的Ｓ、Ｃ。

４．２．２采用归一化处理运算的Ｓ、Ｃ提取

把两中频信号分别经过数字下变频，得到两路信号的

同相分量和正交分量『ｇ 分别为

ｆ１：Ａ１ ｃｏｓ幼，Ｑｌ—Ａ１ ｓｉｎｑ￣

Ｊ２＝Ａ２ ｃｏｓｑ￣，Ｑ 一Ａ２ ｓｉｎ娩

；

！Ｑ 二纽 一 Ｑ ！Ｑ 熟± ！ ｉ望 啦

一 ２ ２

一

！ 垦±Ｑ垒

，

：

！ ！ 二 ２一 ！ 望 纽二 ！ 望

ｕ ｎ ｏ

：

！ 二垦鱼

２

用归一化处理进行以下运算，得到

ｒ一 一

、 、

上述过程如平方、求和、开根号以及除法模块，都可以

在ＦＰＧＡ内部调用模块实现。

４．３方位角的求取

图５绘出了参考信号ＵｙＲＥ（实线）和积分信号Ｕｇ（虚线）

的图形，要求解方位角ａ ，需要求解出两路信号的相位差。

传统的求解相位差［１０］的方法在本设计中很难实现，原因在

号。如果对信号再进行滤波和相位提取，由于数据少，不能

一 Ｆ

／厂 、＼ ，

“肛和“ 过零点的时间差

，

然后利用公式ｎ缸一

２ ，腓 求得方位角 血。

信号示意图

在利用ＦＰＧＡ实现

时，可以在参考信号 娜和积分信号“ 的正向过零点时刻

产生两个尖脉冲，利用这两个尖脉冲作为计数器的启动信

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 由参考频率， 决定，△口 一

２ｒｅｆｉｎｅ ｃ

５ 结语

本文提出了一种工程上实用的窄带数字化接收机设计

方案，采用高速采样ＡＤＣ、高性能ＦＰＧＡ芯片和软件无线

电思想，系统先进，集成度高，基于本设计思想开发的窄带

数字接收机已在某被动雷达信息处理系统中试用，具有实

时处理性强、可靠稳定的优点。

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