【文章內容簡介】 ......... 45 系統(tǒng)軟件設計 ................................................................................................ 45 算法有效性驗證 ............................................................................................ 47 第六章 總結與展望 .............................................................................................................. 51 參考文獻 .................................................................................................................................. 52 致 謝 ...................................................................................................................................... 55 1 第一章 緒論 海洋是人類賴以生存和發(fā)展的重要環(huán)境，是地球表面尚未得到充分利用 的巨大資源寶庫，尤其是在人類社會面臨人口膨脹、資源匱乏、環(huán)境污染等一系列重大難題的今天，海洋的充分開發(fā)利用是人類社會面臨的重大任務和研究課題。海上的任何活動，無論是海洋開發(fā)與研究，還是海洋環(huán)境監(jiān)測、災害預報和保衛(wèi)領海主權，都依賴于對風、浪、流、潮等海洋環(huán)境要素基礎數(shù)據(jù)、變化規(guī)律的掌握和預測預報。因此迫切需要先進的海洋環(huán)境監(jiān)測設備和技術，對海洋環(huán)境實現(xiàn)全方位、多手段的立體監(jiān)測，及時準確地掌握海洋自身運動變化的規(guī)律。 167。 高頻地波雷達 國際上近三十年發(fā)展起來的高頻地波雷達是一種可以連續(xù)監(jiān)測大面積海域的遙 感設備，可以探測到波浪的定向分布、流速流向、風速風向等海洋表面動力學基礎要素的信息，以及海面上低速移動的艦船、低空飛行的飛機等硬目標。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)有海洋遙感設備不可替代的關鍵技術 [1,2,3]。 武漢大學于 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。整體性能指標達到國外 90年代中期先進水平 [4]。 20xx～ 20xx 年，結合當前最新集成電路技術和新興的軟件無線電技術，對 OSMAR20xx 的接收系統(tǒng)進行了升級，取名 OSMAR20xx，新的雷達系統(tǒng)集成度更高，靈活性更強，可操作性更好。 設計雷達系統(tǒng)的傳統(tǒng)方法是根據(jù)探測目標的性質，采用基于硬件、面向用途的設計方法，設計出的雷達系統(tǒng)往往 功能比較單一、靈活性差，無法適應在不同的環(huán)境下對不同屬性的目標進行智能化跟蹤探測的需要，若探測任務變更，原有的設備就可能無法勝任，需要更換整套設備。不僅雷達研制單位需要付出許多重復性勞動，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。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，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。 2 167。 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)體系結構。它的基本思想是以開放的、可擴展的、結構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)。 如果能把軟件無線電的設計思想應用于雷達的設計研制，也就是實現(xiàn)軟件化雷達，那么就能比較圓滿的解決目前雷達設計中所存在的問題。在無須更換硬件設備的情況下就可以探測不同的海域，或執(zhí)行同一海域的不同探測任務。 軟件無線電概述 眾所周知，由于無線通信設備簡單、便于攜帶、易于操作、架設方便等特點，在現(xiàn)代通信中的起著舉足輕重的作用，廣泛的應用 也使得無線通信系統(tǒng)的種類越來越多，越來越復雜。不同的無線通信系統(tǒng)由于自身的特點而應用于不同的場合：短波電臺適合遠距離傳輸，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。然而工作頻段、波形結構、調制方式、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)、跨國經商、海外旅游等活動帶來極大的不便。 為了解決兼容性問題，各國進行了積極探索， 1992 年 5 月，在美 國電信系統(tǒng)會議（ IEEE National Telesystems Conference）上， MITRE 公司的 Joe Mitola 首次明確提出了軟件無線電的概念，其核心思想是：構造一個具有開放化、標準化、模塊化的通用硬件平臺，使 A/D 和 D/A 盡量接近天線，并通過軟件加載實現(xiàn)各種無線通信系統(tǒng)的不同功能 [5]。 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。 2. 系統(tǒng)結構實現(xiàn)模塊化：采用模塊化設計，模塊的物理和電氣接口技術指標符合開放標準。同類模塊通用性好，通過更換或升級某模塊就可實現(xiàn)新的通信功能。 3. 利于互換：不同的通信系統(tǒng)都基于相同標準的硬件平臺 ,只要加載相應的軟件就可完成不同的電臺與不同系統(tǒng)之間的互聯(lián)。 4. 系統(tǒng)監(jiān)控方便：由于軟件無線電至少在中頻以下進行數(shù)字化處理 ,通過軟件就可很方便地完成寬帶天線監(jiān)控、系統(tǒng)頻帶調整、信道監(jiān)測與自適應選擇、信號波形在線編程、調制解調方式控制及信源編碼與加密處理。 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的應用提供了舞臺。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通信功能。這樣，應用軟件無線電技術的雷達就具有很好的互通性、靈活性和兼容性，使系統(tǒng)互聯(lián)和升級變得非 常方便，因而也具有很好的可靠性；抗干擾性、抗摧毀性、保密性和安全性。因此軟件無線電成為數(shù)字雷達系統(tǒng)的突破性技術。 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。雷達處理中頻為 ，發(fā)射與接收中基帶信號與中頻信號之間的變換都在數(shù)字域中完成?；祛l器的本振頻率為4 2 .5 ~ 7 0 .5M Hz M Hz，射頻信號頻率為 2 ~ 30MHz MHz。 發(fā)射信號的產生過程是：先由 DSP 產生兩個正交的基帶，經軟件調制后送入數(shù)字上變頻器（ DUC）中進行內插處理、正交數(shù)字混頻，以提高輸出信號的數(shù)據(jù)率，輸出的數(shù)據(jù)送入數(shù) /模轉換器（ DAC），由 DAC 變成模擬中頻信號，然后經過濾波和功率放大后進入混頻器混頻得到射頻信號，再經過射頻端電路送到天線上發(fā)射出去。 雷達接收信號的過程與發(fā)射信號相反，接收信號經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)轉換器（ ADC）轉換為數(shù)字信號，再經過數(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。 由圖上可以看出，從基帶信號的產生到雷達處理中頻全部都在數(shù)字域中完成，這種 4 設計思想帶來的最大好處是靈活性強，便于修改。圖中省略了 DSP 芯片的一些外設設備，如片外 RAM 和 FLASH 等 (后文會詳細介紹 )，選擇不同的芯片，平臺結構也會稍有變化。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。 2. 硬件平臺關鍵技術 軟件無線電有很多優(yōu)勢，但同時它也對相關技術提出了更高的要求?；谲浖o線電的通用硬件平臺的具體實現(xiàn)，需要以下關鍵技術 [6,7,8,9]： ? 開放式總線結構 軟件無線電的一個重要特點是其開放性，這主要體現(xiàn)在軟件無線電所采用的開放式標準化的總線結構上，只有采用先進的標準化總線，才能發(fā)揮軟件無線電適應性廣，升級換代方便等特點。高頻地波海洋監(jiān)測雷達的系統(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)字信號處理技術 DSP 芯片是軟件無線電的 靈魂和核心所在，軟件無線電的靈活性、開放性、兼容性等特點主要通過 DSP 芯片為中心的通用硬件平臺及 DSP 軟件來實現(xiàn)。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過 DSP 芯片的處理：或頻譜分析、信號解調、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)字調制、數(shù)字濾波、比特流的編碼、譯碼、同步信號的獲取等等。軟件無線電中的 DSP 芯片除了能適應運算處理的高速度、高精度、大動態(tài)范圍、大運算量外，還應具有高效率的結構和指令集、較大的內存容量、較低的功耗等特點。 DSP 芯片擅長實時數(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。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。因此很難用 DSP直接處理寬帶射頻或中頻信號。由于實際通信往往是窄帶的，其信號帶寬為幾十或幾百KHz ，可以用多速率信號處理技術對信號預處理，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 DSP 并行處理的方法來提高 DSP 的數(shù)據(jù)處理能力。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)調它們之間的工作，例如：共享中間結果、程序信息、協(xié)調工作內容等，這需要在多個處理器之間采用高速專用的數(shù)據(jù)鏈路。 ? 數(shù)字上 /下變頻技術 傳統(tǒng)的雷達發(fā)射通道采用模擬變頻技術，用模擬基帶信號和本振信號混頻形成中頻已調信號，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)字信號的調制編碼減輕了負擔。 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。解決的辦法是， A/D 變換之后先對采樣數(shù)據(jù)進行下變頻，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，將這些運算量大的任務交給專用芯片完成，既保持了軟件無線電的優(yōu)點，系統(tǒng)又具有可實現(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)模轉換等一系列功能。 DSP 產生的兩路正交、 同相數(shù)據(jù)通過 DUC 處理得到所需載頻的模擬信號；而采樣數(shù)據(jù)通過 DDC 處理后形成正交、同相兩路輸出，兩個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 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。為達到此要求， ADC 必須有很高的采樣速率和工作帶寬，為適應復雜的電磁環(huán)境，還要求 ADC 具有大的動態(tài)范圍。 而對于 DAC 來說，軟件無線 電要求 DAC 擁有高的轉換速率和分辨率，但是同時這兩個指標是不太容易實現(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