【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 硬件平臺(tái)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(lái) 更 高級(jí) 的 D S P本 振 信 號(hào)A / D晶 體濾 波器放 大器混 頻器混 頻器射 頻前 端射 頻前 端 圖 11 雷達(dá)通用硬件平臺(tái)原理圖 雷達(dá)通用硬件平臺(tái)原 理框圖 [2,6]如圖 11 所示。雷達(dá)處理中頻為 ，發(fā)射與接收中基帶信號(hào)與中頻信號(hào)之間的變換都在數(shù)字域中完成?；祛l器的本振頻率為4 2 .5 ~ 7 0 .5MH z MH z，射頻信號(hào)頻率為 2 ~ 30MHz MHz。 發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)生過(guò)程是：先由 DSP 產(chǎn)生兩個(gè)正交的基帶，經(jīng)軟件調(diào)制后送入數(shù)字上變頻器（ DUC）中進(jìn)行內(nèi)插處理、正交數(shù)字混頻，以提高輸出信號(hào)的數(shù)據(jù)率，輸出的數(shù)據(jù)送入數(shù) /模轉(zhuǎn)換器（ DAC），由 DAC 變成模擬中頻信號(hào) ，然后經(jīng)過(guò)濾波和功率放大后進(jìn)入混頻器混頻得到射頻信號(hào)，再經(jīng)過(guò)射頻端電路送到天線上發(fā)射出去。 雷達(dá)接收信號(hào)的過(guò)程與發(fā)射信號(hào)相反，接收信號(hào)經(jīng)過(guò)射頻端濾波放大后，與本振信號(hào)混頻，得到中頻處理信號(hào)，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(hào)，再經(jīng)過(guò)數(shù)字下變頻器（ DDC）降速處理得到低速基帶數(shù)字信號(hào)，最后送給 DSP處理。 由圖上可以看出，從基帶信號(hào)的產(chǎn)生到雷達(dá)處理中頻全部都在數(shù)字域中完成，這種 4 設(shè)計(jì)思想帶來(lái)的最大好處是靈活性強(qiáng)，便于修改。圖中省略了 DSP 芯片的一些外設(shè)設(shè)備，如片外 RAM 和 FLASH 等 (后文 會(huì)詳細(xì)介紹 )，選擇不同的芯片，平臺(tái)結(jié)構(gòu)也會(huì)稍有變化。如圖中標(biāo)識(shí)的，受限于目前 DSP 的處理能力，數(shù)字上 /下變頻由專(zhuān)用的芯片來(lái)完成，然而隨著數(shù)字技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展， DSP 芯片的規(guī)模和速度的進(jìn)一步提高，最終所有的數(shù)字信號(hào)處理將由 DSP 芯片完成，從而真正實(shí)現(xiàn)軟件無(wú)線電。 2. 硬件平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù) 軟件無(wú)線電有很多優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)它也對(duì)相關(guān)技術(shù)提出了更高的要求。基于軟件無(wú)線電的通用硬件平臺(tái)的具體實(shí)現(xiàn)，需要以下關(guān)鍵技術(shù) [6,7,8,9]： ? 開(kāi)放式總線結(jié)構(gòu) 軟件無(wú)線電的一個(gè)重要特點(diǎn)是其開(kāi)放性，這主要體現(xiàn)在軟件無(wú)線電所采用的開(kāi)放 式標(biāo)準(zhǔn)化的總線結(jié)構(gòu)上，只有采用先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)化總線，才能發(fā)揮軟件無(wú)線電適應(yīng)性廣，升級(jí)換代方便等特點(diǎn)。高頻地波海洋監(jiān)測(cè)雷達(dá)的系統(tǒng)總線的選擇從 VME 到 VXI 再到如今的 LXI，總線性能不斷優(yōu)化，可靠性和數(shù)據(jù)傳輸率也不斷提高。 ? 高速數(shù)字信號(hào)處理技術(shù) DSP 芯片是軟件無(wú)線電的靈魂和核心所在，軟件無(wú)線電的靈活性、開(kāi)放性、兼容性等特點(diǎn)主要通過(guò) DSP 芯片為中心的通用硬件平臺(tái)及 DSP 軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。從前端接收下來(lái)的信號(hào)，或從功放發(fā)射出去的信號(hào)都要經(jīng)過(guò) DSP 芯片的處理：或頻譜分析、信號(hào)解調(diào)、信號(hào)類(lèi)型識(shí)別，或進(jìn)行信號(hào)的數(shù)字上下變頻，或進(jìn) 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(hào)的獲取等等。軟件無(wú)線電中的 DSP 芯片除了能適應(yīng)運(yùn)算處理的高速度、高精度、大動(dòng)態(tài)范圍、大運(yùn)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(diǎn)。 DSP 芯片擅長(zhǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，但在智能控制方面有所欠缺。上面提到，如果采樣速率較高， DSP 處理數(shù)據(jù)的壓力將會(huì)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(wú)線電的要求。另外系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理時(shí)，大量的數(shù)據(jù)要進(jìn)出 DSP， DSP 吞吐數(shù)據(jù)能力的不足也 是一個(gè)瓶頸。因此很難用 DSP直接處理寬帶射頻或中頻信號(hào)。由于實(shí)際通信往往是窄帶的，其信號(hào)帶寬為幾十或幾百KHz ，可以用多速率信號(hào)處理技術(shù)對(duì)信號(hào)預(yù)處理，再由 DSP 完成各種功能。目前采用的辦法是用 DUC， DDC 或 FPGA 等專(zhuān)用芯片先完成數(shù)據(jù)處理的部分功能，再用 DSP 處理剩余的工作。另外，也可以利用多個(gè) DSP 并行處理的方法來(lái)提高 DSP 的數(shù)據(jù)處理能力。在使用多個(gè)處理器時(shí)，必須采用合理有效的方法來(lái)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(gè)處理器之間采用高速專(zhuān)用的數(shù)據(jù)鏈路。 ? 數(shù)字上 /下變頻技術(shù) 傳統(tǒng)的雷達(dá)發(fā)射通道采用模擬變頻技術(shù)，用模擬基帶信號(hào)和本振信號(hào)混頻形成中頻已調(diào)信號(hào)，精度很難做得很高，線性度也不高，還有多次諧波。而數(shù)字上變頻技術(shù)可以 5 實(shí)現(xiàn)高精度，高線性度，無(wú)諧波分量的頻譜搬移，而且由于有內(nèi)插過(guò)程，基帶信號(hào)的速率可以較低，這也為 DSP 處理基帶數(shù)字信號(hào)的調(diào)制編碼減輕了負(fù)擔(dān)。 雷達(dá)對(duì)接收信號(hào)在中頻進(jìn)行數(shù)字化， ADC 的采樣速率較高，用 DSP 器件或軟件對(duì)信號(hào)后處理的運(yùn)算量將會(huì)非常大。解決的辦法是， A/D 變換之后先對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行下變頻， 把采樣數(shù)據(jù)變換到基帶，再利用抽取濾波器降低數(shù)據(jù)速率，將這些運(yùn)算量大的任務(wù)交給專(zhuān)用芯片完成，既保持了軟件無(wú)線電的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)又具有可實(shí)現(xiàn)性。 目前單片的 DUC 和 DDC 集成了頻率變換、數(shù)據(jù)率變換、數(shù)字濾波、增益控制、重采樣、數(shù)模轉(zhuǎn)換等一系列功能。 DSP 產(chǎn)生的兩路正交、同相數(shù)據(jù)通過(guò) DUC 處理得到所需載頻的模擬信號(hào)；而采樣數(shù)據(jù)通過(guò) DDC 處理后形成正交、同相兩路輸出，兩個(gè)通路上所用的處理單元相同，保證了兩路輸出在幅度和相位上具有較好一致性。 ? 高速 A/D、 D/A 變換技術(shù) 在軟件無(wú)線電通信體統(tǒng)中，要達(dá)到盡可能多的以數(shù)字信號(hào) 形式處理無(wú)線信號(hào)，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(kāi)始對(duì)信號(hào)進(jìn)行 A/D 或 D/A。為達(dá)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(dòng)態(tài)范圍。 而對(duì)于 DAC 來(lái)說(shuō)，軟件無(wú)線電要求 DAC 擁有高的轉(zhuǎn)換速率和分辨率，但是同時(shí)這兩個(gè)指標(biāo)是不太容易實(shí)現(xiàn)的。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(shí)又提高了的分辨率。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(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的信噪比（ SNR）、無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（ SFDR）和互調(diào)失真（ IMD）等性能。單片集成是 DAC的主要發(fā)展方向。 167。 本文各章內(nèi)容安排 本文設(shè)計(jì)的基于 DSP 的數(shù)字上變頻方案是軟件無(wú)線電雷達(dá)通用平臺(tái)的一部分，由于目前 DSP 器件規(guī)模和速度的限制，利用 DSP 芯片對(duì)中頻信號(hào)直接進(jìn)行數(shù)字上變頻還比較困難，因此采用了 DSP 芯片和正交數(shù)字上變頻器進(jìn)行兩次上變頻完成。由 DSP 芯片產(chǎn)生低頻基帶信號(hào)，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(hào)，完成雷達(dá)發(fā)射通道的數(shù)字上變頻和數(shù)模轉(zhuǎn)換的功能。 論文的基本結(jié)構(gòu)如下： 第一章 緒論。簡(jiǎn)單介紹了高頻地波雷達(dá)的研究現(xiàn)狀，和發(fā)展基于軟件無(wú)線電雷達(dá)通用平臺(tái)的必然性和重要意義，概括說(shuō)明了本文所采用的基于 DSP 數(shù)字上變頻的基本方案。 第二章 數(shù)字上變頻相關(guān)理論。重點(diǎn)介紹了實(shí)現(xiàn)本文數(shù)字上變頻方案所涉及的軟件 6 無(wú)線電相關(guān)理論。主要包括：多速率信號(hào)處理理論、高效數(shù)字濾波理論、正交數(shù)字混頻理論。 第三章 線性調(diào)頻中斷連續(xù)波體制分析。針對(duì)脈沖壓縮體制的雷達(dá)：調(diào)頻連續(xù)中斷波（ FMICW）進(jìn)行了性能分析，重點(diǎn)闡述了 其工作流程和測(cè)速、測(cè)距原理并進(jìn)行 matlab仿真。按照雷達(dá)系統(tǒng)指標(biāo)要求給出了波形參數(shù)的設(shè)計(jì)過(guò)程和具體參數(shù)值。 第四章 硬件電路設(shè)計(jì)。從硬件電路的總體框架入手，參照第三章中設(shè)計(jì)的波形參數(shù)分析比較的同類(lèi)芯片，確定本方案中選擇的具體芯片類(lèi)型；將電路系統(tǒng)模塊化，逐一說(shuō)明每一模塊如何構(gòu)建，以及電路印制板設(shè)計(jì)中需要注意的地方。 第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。將雷達(dá)波形參數(shù)落實(shí)到芯片具體配置上，對(duì)整個(gè)軟件流程進(jìn)行說(shuō)明，并給出仿真結(jié)果。 第六章 對(duì)本文所設(shè)計(jì)的上變頻方案進(jìn)行總結(jié)分析，并對(duì)下一步的研究工作提出了幾點(diǎn)展望。 7 第二章 數(shù)字上變頻相關(guān)理論 傳統(tǒng)的雷達(dá)發(fā)射技術(shù)，一般采用兩種方法：一是將較低頻率的數(shù)字基帶信號(hào)經(jīng) D/A轉(zhuǎn)換后直接載頻到發(fā)射頻率上，另一種是采用鎖相環(huán)將模擬基頻信號(hào)倍頻到系統(tǒng)所需的載頻上。但這兩種方法都是在模擬域進(jìn)行變頻，過(guò)多模擬器件的使用使得輸出端的諧波、噪聲及寄生頻率等難以抑制，同時(shí)不利于整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的集成、修改與更新。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，軟件無(wú)線電應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)已成必然趨勢(shì)，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(diǎn)得到了越 來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 數(shù)字上變頻可以通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)。當(dāng)基帶信號(hào)進(jìn)行時(shí)域內(nèi)插后，信號(hào)頻譜被壓縮，并出現(xiàn)一系列的高頻鏡像，一種方式是直接利用帶通或高通濾波器取出高頻成分，如圖21(a)所示，另一種方式則是用低通濾波器取出基頻部分，采用數(shù)字正交混頻的方式將基帶信號(hào)頻譜搬移至本振信號(hào)頻率上，如圖 21(b)所示。兩種方式各有優(yōu)劣，前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但高頻鏡像只會(huì)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。當(dāng)然也可以將兩種方式結(jié)合起來(lái)，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。 ? ?jXe ? ? ?jIXe ?I ? ?jBPHe?? ?39。 jIXe ?? ?0c o s m?? ?0sin m?? ?ym? ?IxnI ? ?jLPHe ?? ?QxnI ? ?jLPHe ?( a )( b )? ?Ixm? ?Qxm 圖 21 數(shù)字上變頻原理圖 數(shù)字上變頻理論是以現(xiàn)代通信中的軟件無(wú)線電理論為基礎(chǔ)，它所依據(jù)的基本理論主要包括多速率信號(hào)處理理論、高效數(shù)字濾波理論，以及數(shù)字域正交混頻理論。下面將分章節(jié)一一說(shuō)明。 8 167。 多速率信號(hào)處理理論 根據(jù)帶通采樣理論，對(duì)帶限信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣所得的信號(hào)速率至少為原信號(hào)的帶寬的兩倍。然而矩形系數(shù)為 1 的抗混疊濾波器實(shí)際上是做不到的，這樣整個(gè)頻譜上就會(huì)形成一些采樣 “盲區(qū) ”。為了減少 “盲區(qū) ”數(shù)量，可 以提高采樣頻率，使得瞬時(shí)采樣帶寬盡可能的寬。 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(hào)處理速度跟不上；同樣的道理，在處理窄帶信號(hào)的時(shí)候，過(guò)低的采樣率又與后續(xù)的數(shù)字信號(hào)處理的速率不一致。多速率信號(hào)處理為解決這些問(wèn)題提供了理論依據(jù)，其中最重要的也是最基本的就是內(nèi)插（ Interpolation）和抽取（ Decimation）理論 [10,11,12,13,14]。 整數(shù)倍內(nèi)插 要提高數(shù)據(jù)率，理論上可以對(duì)已知的抽樣序列 ??xn 進(jìn)行 D/A 轉(zhuǎn)換的到原來(lái)的連續(xù)時(shí)間函數(shù) ??xt ，然后再對(duì) ??xt 進(jìn)行較高抽樣 率的抽樣的到新的抽樣序列。顯然這種做法是不經(jīng)濟(jì)的，實(shí)際中都是采樣內(nèi)插的方法。所謂整數(shù)倍內(nèi)插是指在兩個(gè)連續(xù)原始抽樣點(diǎn)之間等距插入 ? ?1I? 個(gè)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 lse? ? ? ? ???????? , (21) 式中 I 為內(nèi)插因子，對(duì)內(nèi)插后的信號(hào)進(jìn)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(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)，內(nèi)插后的信號(hào)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(shí) ()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）。若要 ()jIXe? 中恢復(fù)原始譜，必須對(duì)內(nèi)插后的信號(hào)進(jìn)行低通濾波（濾波器的帶寬為I??? ），濾波后原來(lái)插入的零值點(diǎn)被平滑成為 ()xn 的準(zhǔn)確內(nèi)插值。通過(guò)內(nèi)插輸出數(shù)據(jù) 9 率提高了 ( 1)I? 倍，即提高了時(shí)域分辨率，而頻譜結(jié)構(gòu)并沒(méi)有改變 ,如圖 22(c)所示。 0?2?2?2???2?? 2??2???????? 00/ I??/ I??/ I? / I?? ?jXe ?? ?jIXe?? ?39。 jIXe ?( a ) 原 始 譜( b ) 未 濾 波( c ) 濾 波 后 圖 22 內(nèi)插前后信號(hào)頻譜結(jié)構(gòu)變化示意圖（ 2I? ） 若要進(jìn)一步提高信號(hào)的輸出頻率，則只需用一個(gè)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 lse? ???? ? ? ??? ???, (23) 式 23 中 0n? 對(duì)應(yīng)于原始基帶譜， 1,2,3n? ??? 對(duì)應(yīng)于基帶譜的各次倍頻分量