【正文】 器射 頻前 端射 頻前 端 圖 11 雷達通用硬件平臺原理圖 雷達通用硬件平臺原理框圖 [2,6]如圖 11 所示。 2. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)模塊化：采用模塊化設(shè)計，模塊的物理和電氣接口技術(shù)指標符合開放標準。它的基本思想是以開放的、可擴展的、結(jié)構(gòu)簡單的硬件為通用平臺，把盡可能多的通信功能用可升級、可替換的軟件來實現(xiàn)。 武漢大學(xué)于 1986 年開始用高頻無線電波探測海洋表面狀態(tài)參數(shù)的研究，并于 1993年利用自行研制的海態(tài)監(jiān)測分析雷達 OSMAR(Ocean State Measuring and Analyzing Radar)在廣西北海圓滿完成現(xiàn)場實驗 [1]，隨后于 20xx 年成功研制了兩部探測風、浪、流及海上低速移動目標的中遠程高頻地波雷達 OSMAR20xx。 DSP 集成開發(fā)環(huán)境 CCS ....................................................................................... 43 167。 數(shù)字混頻正交變換理論 ........................................................................................ 15 第三章 線性調(diào)頻中斷連續(xù)波體制分析 .............................................................................. 17 167。論文給出了硬件電路設(shè)計和軟件仿真的結(jié)果證明。 目前所知的高頻地波雷達系統(tǒng)，均是為特定的探測距離，按一定的分辨率而設(shè)計，這樣的雷達系統(tǒng)缺乏靈活性， 無法滿足實際應(yīng)用的需要。 作者簽名： 日 期： 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人 在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所取得的研究成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的 全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。本文設(shè)計了 DSP 控制數(shù)字上變頻 器（ DUC）進行數(shù)字上變頻的方案。 本文 各章內(nèi)容安排 .................................................................................................. 5 第二章 數(shù)字上變頻相關(guān)理論 .............................................................................................. 7 167。 芯片選型 .............................................................................................................. 27 數(shù)字信號處理器 TMS320VC5409 ............................................................... 28 數(shù)字上變頻器 AD9857 ................................................................................. 32 片外 RAM、 ROM 及接口電路 .................................................................... 33 167。 167。若能研制出同時兼顧近程、中程和遠程的高頻地波雷達通用平臺，利用軟件重新配置雷達工作參數(shù)來完成不同海域的探測任務(wù)，就能實現(xiàn)一機多用，真正體現(xiàn)出高頻地波雷達在海洋遙感、目標探測等方面廉價高效的優(yōu)勢。然而工作頻段、波形結(jié)構(gòu)、調(diào)制方式、通信協(xié)議、數(shù)字信息的編碼加密方式等的不同，極大的限制了不同通信系統(tǒng)之間的通信互聯(lián)，給協(xié)同作戰(zhàn)、跨國經(jīng)商、海外旅游等活動帶來極大的不便。我們可以這樣理解：發(fā)射系統(tǒng)通過軟件控制而任意變換各種波形；接收系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)可在一個通用的、開放式的硬件平臺，盡可能用軟件來接收各種形式的信號，完成各種算法的運算，輸出各種數(shù)據(jù)格式的運算結(jié)果；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)則以嵌入式計算機作為通用的、開放式的硬件平臺，盡可能用軟件來實現(xiàn)各種目標數(shù)據(jù)處理功能、多雷達信號特征融合功能和外設(shè)通信功能。 由圖上可以看出，從基帶信號的產(chǎn)生到雷達處理中頻全部都在數(shù)字域中完成，這種 4 設(shè)計思想帶來的最大好處是靈活性強，便于修改。軟件無線電中的 DSP 芯片除了能適應(yīng)運算處理的高速度、高精度、大動態(tài)范圍、大運算量外，還應(yīng)具有高效率的結(jié)構(gòu)和指令集、較大的內(nèi)存容量、較低的功耗等特點。在使用多個處理器時，必須采用合理有效的方法來連接和協(xié)調(diào)它們之間的工作，例如：共享中間結(jié)果、程序信息、協(xié)調(diào)工作內(nèi)容等，這需要在多個處理器之間采用高速專用的數(shù)據(jù)鏈路。為達到此要求， ADC 必須有很高的采樣速率和工作帶寬，為適應(yīng)復(fù)雜的電磁環(huán)境，還要求 ADC 具有大的動態(tài)范圍。 論文的基本結(jié)構(gòu)如下： 第一章 緒論。 第四章 硬件電路設(shè)計。 數(shù)字上變頻可以通過兩種方式實現(xiàn)。 多速率信號處理理論 根據(jù)帶通采樣理論，對帶限信號進行采樣，采樣所得的信號速率至少為原信號的帶寬的兩倍。若要 ()jIXe? 中恢復(fù)原始譜，必須對內(nèi)插后的信號進行低通濾波（濾波器的帶寬為I??? ），濾波后原來插入的零值點被平滑成為 ()xn 的準確內(nèi)插值。抽取后序列的頻譜不是以 2? 為周期，疊加的結(jié)果卻是以 2? 為周期的，這是由序列傅立葉變換的性質(zhì)決定的。 以抽取為基礎(chǔ)的數(shù)字下變頻可以降低數(shù)字信號的速率和輸出載頻，由于基帶信號是低頻窄帶的，只要選擇合適的抽取因子，是完全可以保證將信號準確恢復(fù)出來。sfsf ? ?xn ? ?ym?( a )( b ) 圖 26 分數(shù)倍 ? ?ID 采樣變換 多抽樣數(shù)字信號處理領(lǐng)域基本涉及的是多于一個抽樣率的數(shù)字系統(tǒng)的情況。圖 27 為一個由布 哈窗生 成的 10 階半帶濾波器幅頻、相頻圖。為了降低旁瓣電平，多采用多級 CIC 濾波器級聯(lián)的方法。同樣，若輸入信號的幅度有稍許偏差，還會使混頻輸出的兩路信號幅度也不一致。因而，數(shù)字域正交混頻形成中頻信號應(yīng)用的越來越廣 [10,11,15,16]。在匹配濾波理論的指導(dǎo)下，一般采用非線性相位調(diào)制的辦法 ,，即采用脈沖壓縮技術(shù)獲得較大的時寬帶寬乘積信號，讓雷達系統(tǒng)發(fā)射寬度相對較寬、峰值功率較低的脈沖，通過對載頻進行編碼以增加發(fā)射波形的帶寬，然后在接收機中對回波波形實施壓縮，從而達到窄脈沖、高峰值功率的簡單脈沖體制雷達所具有的分辨能力和探測性能。 假設(shè)目標為理想點目標，且目標在距離雷達 R 處以徑向速度 v 臨近雷達站，則目標回波時延為： ? ?2 22R vt Rv tc v c c? ?? ? ?? vc?? （光速） (33) 則其回波表達式可寫成： ? ? ? ? ? ? ? ?RTS t K R G S t???? (34) 其中 ? ?KR為距離衰減因子， ??G? 為接收天線方向圖。可以忽略一些小的相位，連續(xù)兩次掃頻的基帶信號之間的相位差為： 21 022sfv Tc?????? ????. (310) 式中 0f 為雷達的工作頻率。通常由于回波信號的頻率較高（由發(fā)射信號決定），直接進行 A/D 轉(zhuǎn)換會導(dǎo)致數(shù)據(jù)量非常大， 19 不利于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析，因此在做 FFT 分析之前，將 A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進行抽取，以降低數(shù)據(jù)率和載頻。 調(diào)頻中斷連續(xù)波工作原理 目前世界各國的高頻地波雷達廣泛采用的脈沖壓縮方法是線性調(diào)頻中斷連續(xù)波（ FMICW）體制，這種 波形是用一門控脈沖序列來控制線性調(diào)頻連續(xù)波（ FMCW）得到，它解決了發(fā)射與接收之間的有效隔離，但同時也會帶來一些弊端： ① 存在距離旁瓣和自身雜波干擾； ② 存在一定的距離和速度測定模糊。如圖中所示，一般輸入的兩列正交信號 ??In、 ??Qn都是內(nèi)插后速率較高的信號，在載頻 0? 處進行 D/A 轉(zhuǎn)換，同時要求 DAC 有較高的轉(zhuǎn)換速度和分辨率，從第一章的分析可以看出，要實現(xiàn)更高頻率的數(shù)字變頻，還有待于硬件技術(shù)的突破。由于 ADC、 DAC 與 DSP芯片技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字混頻開始代替模擬混頻，采用數(shù)字混頻主要有以下優(yōu)點： ? 載頻與數(shù)字濾波器系數(shù)具有可編程性； ? 數(shù)字混頻不存在線性失真，因而互調(diào)失真?。? ? 數(shù)字濾波器頻響特性好； ? 系統(tǒng)造價低。 2. 通帶帶寬 2/M? 只與信號的帶寬比例因子 M 或者說 相對信號帶寬有關(guān)，而與信號的絕對帶寬無關(guān)。對于非 2n的整數(shù)部分，用下面的 CIC 濾波器實現(xiàn)。用采樣定理的到的多抽樣率系統(tǒng)的標準形式是一個線性、周期時變的數(shù)字系統(tǒng)。 jXe ?000???2?2?2???????2??2??2?? 圖 25 抽取前后信號頻譜結(jié)構(gòu)示意圖（無混疊） 采樣率分數(shù)倍變換 如果信號的速率變換不是整數(shù)，則要用到信號重采樣技術(shù)。抽取后的信號對于原始的模擬信號來講相當于采樣頻率降低 ，若降低后的采樣頻率不能滿足采樣定理，必然造成頻譜混疊。 0?2?2?2???2?? 2??2???????? 00/ I??/ I??/ I? / I?? ?jXe ?? ?jIXe?? ?39。為了減少 “盲區(qū) ”數(shù)量，可以提高采樣頻率，使得瞬時采樣帶寬盡可能的寬。兩種方式各有優(yōu)劣，前者結(jié)構(gòu)簡單，但高頻鏡像只會出現(xiàn)在原采樣頻率的整數(shù)倍位置上；而后者結(jié)構(gòu)上更加復(fù)雜，但可以搬移至頻譜任意位置。 第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計。 第二章 數(shù)字上變頻相關(guān) 理論。目前常用的解決辦法是使用多片高速低分辨率的 DAC（電流輸出型）并聯(lián)工作，這樣既利用了低分辨率 DAC 的轉(zhuǎn)換速度，同時又提高了的分辨率。而數(shù)字上變頻技術(shù)可以 5 實現(xiàn)高精度，高線性度，無諧波分量的頻譜搬移，而且 由于有內(nèi)插過程，基帶信號的速率可以較低，這也為 DSP 處理基帶數(shù)字信號的調(diào)制編碼減輕了負擔。上面提到，如果采樣速率較高， DSP 處理數(shù)據(jù)的壓力將會非常大，即使是目前處理速度最快的單片 DSP 芯片TI 公司的 C6X 系列，這還不能完全滿足軟件無線電的要求。如圖中標識的，受限于目前 DSP 的處理能力，數(shù)字上 /下變頻由專用的芯片來完成，然而隨著數(shù)字技術(shù)的進一步發(fā)展， DSP 芯片的規(guī)模和速度的進一步提高，最終所有的數(shù)字信號處理將由 DSP 芯片完成，從而真正實現(xiàn)軟件無線電。因此軟件無線電成為數(shù)字雷達系統(tǒng)的突破性技術(shù)。 軟件無線電的主要特點可以歸納如下： 1. 系統(tǒng)功能軟件化：軟件無線電將 A/D 和 D/A 變換盡量向射頻端靠攏 ,將中頻以下全部進行數(shù)字化處理，使通信功能由軟件來控制，硬件系統(tǒng)的更新?lián)Q代變成軟件版本的升級，開發(fā)周期與 費用大為降低。 基于軟件無線電的雷達通用平臺 軟件無線電是在 20 世紀 90 年代初期提出來的一種新的無線通信系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。高頻地波雷達用于海洋環(huán)境監(jiān)測具有明顯的優(yōu)勢：覆蓋范圍大，探測精度高，運行費用低廉，實時性好，不受天氣及海洋氣象條件影響，可全天候工作，并能探測到視距以外的海域，是現(xiàn)有海洋遙感設(shè)備不可替代的關(guān)鍵技術(shù) [1,2,3]。 印制電路板（ PCB）設(shè)計 .................................................................................... 39 第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 .......................................................................................................... 43 167。 高效數(shù)字濾波理論 ................................................................................................ 12 半帶濾波器（ HB） ...................................................................................... 12 積分梳狀濾波器 (CIC)................................................................................... 13 167。由 DSP 芯片 TMS320VC5409 產(chǎn)