【文章內(nèi)容簡介】 ......... 45 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ................................................................................................ 45 算法有效性驗(yàn)證 ............................................................................................ 47 第六章 總結(jié)與展望 .............................................................................................................. 51 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 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(wù)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(zāi)害預(yù)報和保衛(wèi)領(lǐng)海主權(quán)，都依賴于對風(fēng)、浪、流、潮等海洋環(huán)境要素基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、變化規(guī)律的掌握和預(yù)測預(yù)報。因此迫切需要先進(jìn)的海洋環(huán)境監(jiān)測設(shè)備和技術(shù)，對海洋環(huán)境實(shí)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(yùn)動變化的規(guī)律。 167。 高頻地波雷達(dá) 國際上近三十年發(fā)展起來的高頻地波雷達(dá)是一種可以連續(xù)監(jiān)測大面積海域的遙 感設(shè)備，可以探測到波浪的定向分布、流速流向、風(fēng)速風(fēng)向等海洋表面動力學(xué)基礎(chǔ)要素的信息，以及海面上低速移動的艦船、低空飛行的飛機(jī)等硬目標(biāo)。高頻地波雷達(dá)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(yùn)行費(fèi)用低廉，實(shí)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]。 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(dá) OSMAR(Ocean State Measuring and Analyzing Radar)在廣西北海圓滿完成現(xiàn)場實(shí)驗(yàn) [1]，隨后于 20xx 年成功研制了兩部探測風(fēng)、浪、流及海上低速移動目標(biāo)的中遠(yuǎn)程高頻地波雷達(dá) OSMAR20xx。整體性能指標(biāo)達(dá)到國外 90年代中期先進(jìn)水平 [4]。 20xx～ 20xx 年，結(jié)合當(dāng)前最新集成電路技術(shù)和新興的軟件無線電技術(shù)，對 OSMAR20xx 的接收系統(tǒng)進(jìn)行了升級，取名 OSMAR20xx，新的雷達(dá)系統(tǒng)集成度更高，靈活性更強(qiáng)，可操作性更好。 設(shè)計(jì)雷達(dá)系統(tǒng)的傳統(tǒng)方法是根據(jù)探測目標(biāo)的性質(zhì)，采用基于硬件、面向用途的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出的雷達(dá)系統(tǒng)往往 功能比較單一、靈活性差，無法適應(yīng)在不同的環(huán)境下對不同屬性的目標(biāo)進(jìn)行智能化跟蹤探測的需要，若探測任務(wù)變更，原有的設(shè)備就可能無法勝任，需要更換整套設(shè)備。不僅雷達(dá)研制單位需要付出許多重復(fù)性勞動，雷達(dá)用戶也增加了額外的購買成本，給使用和維護(hù)雷達(dá)也帶來極大的不便。若能研制出同時兼顧近程、中程和遠(yuǎn)程的高頻地波雷達(dá)通用平臺，利用軟件重新配置雷達(dá)工作參數(shù)來完成不同海域的探測任務(wù)，就能實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，真正體現(xiàn)出高頻地波雷達(dá)在海洋遙感、目標(biāo)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(dá)通用平臺 軟件無線電是在 20 世紀(jì) 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)。它的基本思想是以開放的、可擴(kuò)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(shí)現(xiàn)。 如果能把軟件無線電的設(shè)計(jì)思想應(yīng)用于雷達(dá)的設(shè)計(jì)研制，也就是實(shí)現(xiàn)軟件化雷達(dá)，那么就能比較圓滿的解決目前雷達(dá)設(shè)計(jì)中所存在的問題。在無須更換硬件設(shè)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(wù)。 軟件無線電概述 眾所周知，由于無線通信設(shè)備簡單、便于攜帶、易于操作、架設(shè)方便等特點(diǎn)，在現(xiàn)代通信中的起著舉足輕重的作用，廣泛的應(yīng)用 也使得無線通信系統(tǒng)的種類越來越多，越來越復(fù)雜。不同的無線通信系統(tǒng)由于自身的特點(diǎn)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(qiáng)，適合大數(shù)據(jù)量傳送，但只能用于點(diǎn)對點(diǎn)傳輸。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。 為了解決兼容性問題，各國進(jìn)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(gòu)造一個具有開放化、標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(diǎn)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(jìn)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(fèi)用大為降低。 2. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)模塊化：采用模塊化設(shè)計(jì)，模塊的物理和電氣接口技術(shù)指標(biāo)符合開放標(biāo)準(zhǔn)。同類模塊通用性好，通過更換或升級某模塊就可實(shí)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(biāo)準(zhǔn)的硬件平臺 ,只要加載相應(yīng)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(jìn)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(diào)整、信道監(jiān)測與自適應(yīng)選擇、信號波形在線編程、調(diào)制解調(diào)方式控制及信源編碼與加密處理。 3 雷達(dá)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(dá)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。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(yùn)算，輸出各種數(shù)據(jù)格式的運(yùn)算結(jié)果；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)則以嵌入式計(jì)算機(jī)作為通用的、開放式的硬件平臺，盡可能用軟件來實(shí)現(xiàn)各種目標(biāo)數(shù)據(jù)處理功能、多雷達(dá)信號特征融合功能和外設(shè)通信功能。這樣，應(yīng)用軟件無線電技術(shù)的雷達(dá)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(dá)系統(tǒng)的突破性技術(shù)。 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(dá)通用硬件平臺原理圖 雷達(dá)通用硬件平臺原理框圖 [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(chǎn)生過程是：先由 DSP 產(chǎn)生兩個正交的基帶，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，然后經(jīng)過濾波和功率放大后進(jìn)入混頻器混頻得到射頻信號，再經(jīng)過射頻端電路送到天線上發(fā)射出去。 雷達(dá)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。 由圖上可以看出，從基帶信號的產(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 (后文會詳細(xì)介紹 )，選擇不同的芯片，平臺結(jié)構(gòu)也會稍有變化。如圖中標(biāo)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(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)字信號處理將由 DSP 芯片完成，從而真正實(shí)現(xiàn)軟件無線電。 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?；谲浖o線電的通用硬件平臺的具體實(shí)現(xiàn)，需要以下關(guān)鍵技術(shù) [6,7,8,9]： ? 開放式總線結(jié)構(gòu) 軟件無線電的一個重要特點(diǎn)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(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)揮軟件無線電適應(yīng)性廣，升級換代方便等特點(diǎn)。高頻地波海洋監(jiān)測雷達(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)字信號處理技術(shù) 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(diǎn)主要通過 DSP 芯片為中心的通用硬件平臺及 DSP 軟件來實(shí)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(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(jìn)行信號的數(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、同步信號的獲取等等。軟件無線電中的 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 芯片擅長實(shí)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(jìn)行實(shí)時處理時，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瓶頸。因此很難用 DSP直接處理寬帶射頻或中頻信號。由于實(shí)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(shù)對信號預(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(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。 ? 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)，用模擬基帶信號和本振信號混頻形成中頻已調(diào)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(shù)可以 5 實(shí)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(fù)擔(dān)。 雷達(dá)對接收信號在中頻進(jìn)行數(shù)字化， ADC 的采樣速率較高，用 DSP 器件或軟件對信號后處理的運(yùn)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(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)交給專用芯片完成，既保持了軟件無線電的優(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 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(shù) 在軟件無線電通信體統(tǒng)中，要達(dá)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(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 具有大的動態(tài)范圍。 而對于 DAC 來說，軟件無線 電要求 DAC 擁有高的轉(zhuǎn)換速率和分辨率，但是同時這兩個指標(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