【正文】 ................... 2 軟件無線電概述 .............................................................................................. 2 雷達通用硬件平臺 .......................................................................................... 3 167。 上變頻系統(tǒng)總體規(guī)劃 ............................................................................................ 27 167。因此迫切需要先進的海洋環(huán)境監(jiān)測設(shè)備和技術(shù)，對海洋環(huán)境實現(xiàn)全方位、多手段的立體監(jiān)測，及時準(zhǔn)確地掌握海洋自身運動變化的規(guī)律。不僅雷達研制單位需要付出許多重復(fù)性勞動，雷達用戶也增加了額外的購買成本，給使用和維護雷達也帶來極大的不便。不同的無線通信系統(tǒng)由于自身的特點而應(yīng)用于不同的場合：短波電臺適合遠(yuǎn)距離傳輸，發(fā)射功率不大，其 “中繼系統(tǒng) ”電離層不會被摧毀；衛(wèi)星通信能傳播高質(zhì)量的信息，提供很寬的頻帶；微波通信抗干擾能力強，適合大數(shù)據(jù)量傳送，但只能用于點對點傳輸。 3 雷達通用硬件平臺 數(shù)字信號處理、數(shù)據(jù)處理系 統(tǒng)是整個雷達軟件無線電技術(shù)的靈魂和核心，而接收和發(fā)射系統(tǒng)則為軟件無線電技術(shù)的應(yīng)用提供了舞臺。 雷達接收信號的過程與發(fā)射信號相反，接收信號經(jīng)過射頻端濾波放大后，與本振信號混頻，得到中頻處理信號，再次濾波放大后，送入模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器（ ADC）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再經(jīng)過數(shù)字下變 頻器（ DDC）降速處理得到低速基帶數(shù)字信號，最后送給 DSP處理。從前端接收下來的信號，或從功放發(fā)射出去的信號都要經(jīng)過 DSP 芯片的處理：或頻譜分析、信號解調(diào)、信號類型識別，或進行信號的數(shù)字上下變頻，或進行各種各樣的數(shù)字調(diào)制、數(shù)字濾波、比特流的編碼、譯碼、同步信號的獲取等等。另外，也可以利用多個 DSP 并行處理的方法來提高 DSP 的數(shù)據(jù)處理能力。 ? 高速 A/D、 D/A 變換技術(shù) 在軟件無線電通信體統(tǒng)中，要達到盡可能多的以數(shù)字信號形式處理無線信號，必須把 ADC、 DAC 盡量靠近射頻前端，為了減少模擬環(huán)節(jié)，在較高的中頻，甚至射頻段就開始對信號進行 A/D 或 D/A。由 DSP 芯片產(chǎn)生低頻基帶信號，內(nèi)插提高數(shù)據(jù)率，并控制數(shù)字上變頻器 AD9857 在數(shù)字域完成二次內(nèi)插、正交調(diào)制、 D/A 變換等，輸出調(diào)制后的模擬信號，完成雷達發(fā)射通道的數(shù)字上變頻和數(shù)模轉(zhuǎn)換的功能。按照雷達系統(tǒng)指標(biāo)要求給出了波形參數(shù)的設(shè)計過程和具體參數(shù)值。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，軟件無線電應(yīng)用于雷達系統(tǒng)已成必然趨勢，數(shù)字變頻技術(shù)因頻率分辨率高，頻率容易改變，相位線性變化，易于數(shù)字控制等優(yōu)點得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 8 167。所謂整數(shù)倍內(nèi)插是指 在兩個連續(xù)原始抽樣點之間等距插入 ? ?1I? 個零值，若設(shè)原始采樣序列為 ??xn，則內(nèi)插后的序列 ( ) , ( 0 , , 2 , )()0,Imx m I Ixm Ie ls e? ? ? ? ???????? , (21) 式中 I 為內(nèi)插因子，對內(nèi)插后的信號進行離散傅立葉變換得到的頻譜為 ? ? ? ? ? ?j jm jm IIImmX e x m e x m e? ? ?? ? ? ???? ? ? ? ? ????? ? ?jIXe?? . (22) 圖 22 給出了內(nèi)插前后信號的頻譜結(jié)構(gòu)，內(nèi)插后的信號頻譜是原始序列譜經(jīng) I 倍壓縮后得到的，其中圖 22（ b）為內(nèi)插后未濾波的頻譜圖，這時 ()jIXe? 中不僅含有 ()jXe?的基頻分量（圖中陰影部分所示），還含有頻率大于 I? 的高頻成分（ ()jXe? 的高頻鏡像）。從式 25 可以看出，()jDXe? 是先將 ? ?jXe? 擴展 D 倍，幅度變?yōu)樵瓉淼?1/D ,在分別以 2? 、 4? … ， 2k? 移位疊加得到。 的中頻信號進行 A/D 轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)量是相當(dāng)大的，而真正表征目標(biāo)信息的基帶信號卻是低頻窄帶的，因此直 接對 A/D 轉(zhuǎn)換的 11 數(shù)據(jù)進行處理是不劃算的。39。從半帶濾波器的頻率響應(yīng)中可得到以下關(guān)系式： ()( ) 1 ( )jjH e H e? ? ???? 2( ) ? ? 13 ? ? 1 , 00 , 2 , 4 ,nhn n ??? ? ? ? ? ???? . (28) 沖激響應(yīng) ??hn的值在除零點以外的其它偶數(shù)點處均為零，用它實現(xiàn)數(shù)據(jù)率抽取或內(nèi)插時，卷積運算中的乘法次數(shù)可減少一半，故它特別適合于進行 2n 倍抽取或內(nèi)插的應(yīng)用場合。 CIC 濾波器的頻率響應(yīng)可表示為： 12( ) ( ) ( )j j jH e H e H e? ? ??? 12sin ( )2sin ( )2MjMe ??????? 11 222MjMM S a S a e ??? ???? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?. (211) 圖 28 CIC 濾波器幅頻相頻特性圖 圖 28 所示為單級 5 階 CIC 濾波器幅頻相頻特性圖，由幅頻圖可以看出： 1. 單級的 CIC 濾波器的旁瓣電平是比較大的，雖然隨著頻率的增大，旁瓣電平減少， 15 但第一旁瓣與主瓣僅相差 ，這樣的阻帶衰減難以滿足實用要求。而模擬域正交混頻方法需要用移相器產(chǎn)生相互正交的本振信號，而移相器的精度很難做的很高，這樣兩個本振信號的相位差就不是準(zhǔn)確的 090 ，混頻后便會產(chǎn)生多余的混頻分量，形成虛假相位信號，這是正交混頻產(chǎn)生相位不平衡現(xiàn)象的根本原因。而且數(shù)字域混頻線性度好，輸出沒有模擬混頻中因為混頻器的非線性而產(chǎn)生的諧波分量。綜合這幾個方面的要 求可見，雷達發(fā)射信號必須具有較大的時寬、帶寬和能量乘積，才能滿足海洋大面積探測的需求。 . . . . . . . . .zTTB1f2ffpTqg ( t ) 圖 31 FMICW 工作波形 由圖 31 可知，雷達信號發(fā)生器產(chǎn)生的 FMICW 本振信號為： ? ? 1c o s 2 2tS t f t????????????????， 0 tT?? (31) 經(jīng)過門控脈沖 ??gt 調(diào)制的 FMICW 發(fā)射信號可以描述為： ? ? ? ? ? ? ? ? 102ppTn pTt n qS t S t g t S t r e c tT???????????????. (32) 其中 ? ?prect t T表示脈寬為 pT ，中心在原點的矩形脈沖。將每個距離譜作為一行，則連續(xù) N 個距離譜可構(gòu)成一個 NM? 的矩陣： ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?1 , 1 1 , 2 1 ,2 , 1 2 , 2 2 , 3, 1 , 2 ,R R R MR R RRR N R N R N M???????. 若目 標(biāo)存在速度時，距離譜必然存在變化，則第 n 次掃頻時目標(biāo)距離為： ? ?1nsR R v n T? ? ? 此時基帶信號相位為： 2211222222 n n nn R f v f R Rvttc c c c? ??????????? ? ? ?????????， (39) 當(dāng) 100N 時。 壓 地控 制波低 通濾 波A / D本 振 信 號抽 取器數(shù) 字 信號 處 理基 帶 信 號回 波 信 號 圖 32 接收信號處理流程 基帶信號表達式為： ? ? ? ? ? ? ? ?? ? 21 21 c o s 2 2IRS t lowp a ss S t S t g t t f ??? ? ? ?????? ? ? ? ??? ?????? ???? 22112222c os 2 2 R f v f RvRttc c c c? ????????????? ? ? ????????????? ? ?cos??? . (35) 由式 35 可以看出，在不考慮噪聲的情況下，基帶信號應(yīng)為一個近似的余弦信號，實際上雷達接收到的信號除了含有目標(biāo)信息之外還有來 自海雜波、電離層、雷達接收機內(nèi)部噪聲的影響，圖 33 所示為加入了噪聲的基帶信號。下面對 FMICW 波形分析做綜合介紹 [9,17,18,19,20]。 17 第三章 線性調(diào)頻中斷連續(xù)波體制分析 雷達波形參數(shù)指雷達信號的幅度、頻率和相位以及電波的極化特性等，目標(biāo)通過與波的相互作用改變?nèi)肷潆姴ǖ牟ㄐ螀?shù)，將信息由回波傳遞給雷達，對比發(fā)射和接收波形參數(shù)就能獲得目標(biāo)傳遞給電波的所有信息。 圖 29 為數(shù)字域正交混頻原理圖，基帶信號將被搬移至載頻 0? 處，即完成數(shù)字上變頻的功能，而數(shù)字下變頻過程于此相反，將載頻下移 0? 變成零載頻。當(dāng)絕對信號帶寬較寬時，選擇的比例因子不能太大，否則不能保證信號完全落在主瓣內(nèi)而不被濾除。 所 謂積分梳狀（ CIC）濾波器的沖激響應(yīng)具有如下形式： ? ? 1 , 0 10, nMhn e ls e? ? ??? ?? . (29) 14 式中 M 為 CIC 濾波器的階數(shù)，也是抽取或內(nèi)插倍數(shù)。通過抽樣率的整數(shù)倍降低、增加以及有理分?jǐn)?shù)倍變換，線性周期時變系統(tǒng)復(fù)雜性可顯著減小。內(nèi)插器和抽取器進行適當(dāng)?shù)慕M合就能實現(xiàn)采樣率的分?jǐn)?shù)倍變換，如圖所示。 2?2?2?2??2??2???????????? ?jXe ?( a ) 原 始 譜( b ) 頻 譜 擴 展( c ) 頻 譜 混 疊? ?? ?2/jDXe ???? ?jDXe ?000 圖 23 抽取前后信號頻譜結(jié)構(gòu)示意圖（混疊） 由此可見，為了保證抽取后的信號不會產(chǎn)生頻譜混疊，在抽取之前需要加一個帶寬為 (2 )sfD的抗混疊低通濾波器，如圖 24 所示。 jIXe ?( a ) 原 始 譜( b ) 未 濾 波( c ) 濾 波 后 圖 22 內(nèi)插前后信號頻譜結(jié)構(gòu)變化示意圖（ 2I? ） 若要進一步提高信號的輸出頻率，則只需用一個帶通濾波器取出 ()jIXe? 中的高頻成分即可，如圖 21(a)所示，帶通濾波器 ? ?jBPHe?的頻率特性為： ? ? ? ?,10,jBP I n nHe IIe ls e? ???? ? ? ??? ???, (23) 式 23 中 0n? 對應(yīng)于原始基帶譜， 1,2,3n? ??? 對應(yīng)于基帶譜的各次倍頻分量，這時的內(nèi)插器實際上起到了上變頻的作用，使得輸出頻率提高了 ( 1)I? 倍，而保持頻譜結(jié)構(gòu)不變。 但是隨著采樣頻率的提高，采樣后的數(shù)據(jù)流速率相應(yīng)地提高，從而導(dǎo)致后續(xù)的信號處理速度跟不上；同樣的道理，在處理窄帶信號的時候，過低的采樣率又與后續(xù)的數(shù)字信號處理的速率不一致。當(dāng)然也可以將兩種方式結(jié)合起來，用帶通或高頻濾波器取出高頻鏡像，然后由數(shù)字正交混頻的方式做較小范圍的頻移調(diào)整。將雷達波形參數(shù)落實到芯片具體配置上，對整個軟件流程進行說明，并給出仿真結(jié)果。重點介紹了實現(xiàn)本文數(shù)字上變頻方案所涉及的軟件 6 無線電相關(guān)理論。但多片并聯(lián)的 DAC 使電路的連接更加復(fù)雜，靈活性差，還會影響整個系統(tǒng)的信噪比（ SNR）、無雜散動態(tài)范圍（ SFDR）和互調(diào)失真（ IMD）等性能。 雷達對接收信號在中頻進行數(shù)字化， ADC 的采樣速率較高，用 DSP 器件或軟件對信號后處理的運算量將會非常大。另外系統(tǒng)進行實時處理時，大量的數(shù)據(jù)要進出 DSP， DSP 吞吐數(shù)據(jù)能力的不足也是一個瓶頸。 2. 硬件平臺關(guān)鍵技術(shù) 軟件無線電有很多優(yōu)勢，但同時它也對相關(guān)技術(shù)提出了更高的要求。 1. 硬件平臺原理 D S P數(shù) 字上 變頻D / A放 大器晶 體濾 波器數(shù) 字下 變頻總線未 來 更 高級 的 D S P本 振 信 號A / D晶 體濾 波器放 大器混 頻器混 頻