雷達數(shù)字中頻接收機系統(tǒng)設計方案詳細解析

作為雷達系統(tǒng)的重要組成，傳統(tǒng)的天氣雷達接收機主要采用瞬時自動增益控制擴展動態(tài)范圍，利用模擬I、Q解調(diào)器對信號進行模擬解調(diào)，對接收機硬件依賴性強，信號適應能力差，而軟件無線電技術(shù)的出現(xiàn)導致了無線電接收機的革新。隨著器件水平的迅速發(fā)展，作為軟件無線電的重要內(nèi)容，數(shù)字接收機日益成熟并已經(jīng)在雷達、電子戰(zhàn)和通訊接收機中普遍應用。

軟件無線電最終目標是將模數(shù)轉(zhuǎn)換器件（ADC）緊接在電臺天線，直接在信號射頻進行采樣，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，射頻以下其他的所有處理功能全部采用軟件模塊來實現(xiàn)。當前，數(shù)字接收機在氣象雷達中已經(jīng)得到較大范圍的推廣，實際運行效果顯著，其優(yōu)勢主要表現(xiàn)在體積變小、成本降低、系統(tǒng)復雜程度降低，表現(xiàn)突出的是靈敏度和動態(tài)范圍性能有較大提升。

這些數(shù)字接收機基本上采用如圖1設計框圖，主要由三大部分構(gòu)成，即高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換（采集）、超大規(guī)?？?a target="_blank">編程邏輯器件實現(xiàn)數(shù)字變頻功能和數(shù)據(jù)傳輸。這類設計不足之處在于，每個環(huán)節(jié)都需要精心設計，導致整個設計周期過長或系統(tǒng)過于復雜，尋找一種高集成度數(shù)據(jù)采集平臺以簡化設計無疑成為亟待解決的問題。

圖1通用數(shù)字接收機框圖

凌華PCI-9846H高速數(shù)字化儀，可提供高精度、低噪音及高動態(tài)范圍性能，高密度且高精準度，那么基于該板卡特點，是否可以成功設計出一種風廓線雷達數(shù)字中頻接收機，從而簡化數(shù)字接收機的冗長、繁瑣且易出錯的設計研制工作呢？

簡化系統(tǒng)的機會

結(jié)合某型風廓線雷達系統(tǒng)參數(shù)特點，中頻頻點為50MHz，帶寬為5MHz，數(shù)字中頻接收機采用基于多相濾波的數(shù)字正交變換方法。該方法不僅不需要正交本振，且后續(xù)的數(shù)字濾波器階數(shù)可以很低，實現(xiàn)起來簡單。對ADC的數(shù)據(jù)進行直接下變頻，ADC采樣后數(shù)字信號經(jīng)過兩路分離處理后，通過半帶濾波、降速率、數(shù)字濾波最終得到兩路正交的雷達基數(shù)據(jù)輸出。

分析PCI-9846H高速數(shù)字化儀資源及結(jié)構(gòu)特點，為驗證系統(tǒng)的可行性，設計按圖2搭建系統(tǒng)仿真平臺。

圖2數(shù)字中頻接收機驗證平臺

為方便描述操作過程，將按如下步驟進行：

（1）將PCI-9846板卡插入PC機的PCI槽中。啟動電腦，裝入凌華科技提供的技術(shù)資料光盤，將建立系統(tǒng)必須的驅(qū)動和相關(guān)開發(fā)工具安裝完畢。

（2）將外部信號源設置兩路全相參輸出，模擬雷達提供的中頻和采樣時鐘，一路設置為40MHz作為板卡外部時鐘使用，接入板卡的“CLKIN”端，另一路設置為50MHz作為中頻輸入，接入PCI-9846的4個輸入通道中一路CH0。

（3）凌華科技在軟件支持部分也投入大量的精力。針對PCI-9816/9826/9846的軟件解決方案，凌華科技提供了傳統(tǒng)的WD-DASK與任務導向型的DAQPilot驅(qū)動程序與開發(fā)鏈接庫。打開LabVIEW軟件，找到控件ADLinkDAQpilot。

（4）設置ADLinkDAQpilot，使用0號通道，幅值范圍±1V，選擇外部時鐘。

（5）將ADC輸出按圖2進行下變頻操作，圖6為下變頻中的IQ分離部分。

圖3IQ分離

（6）根據(jù)設計者的設計習慣，為了便于數(shù)據(jù)分析，在LabVIEW中對每級數(shù)據(jù)進行存儲，并使用MATLAB進行深層次的分析。

經(jīng)過上述簡單快捷的系統(tǒng)仿真模型搭建，下面即可對系統(tǒng)進行仿真、驗證。

（1）PCI-9846H的通道1ADC數(shù)據(jù)分析。經(jīng)驗證分析，PCI-9846H板工作在40MHz外部時鐘時數(shù)據(jù)采集正常，因使用的是欠采樣（帶通采樣），信噪比相對而言會有所損失。

（2）通過在LabVIEW環(huán)境中快速的搭建數(shù)字下變頻系統(tǒng)，50.3MHz的中頻輸入信號，經(jīng)過變頻，降速率后得到雷達4MHz帶寬下的IQ基數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)字下變頻的功能，通過該部分的實驗證明了使用凌華科技的PCI-9846H板卡可以實現(xiàn)某型雷達數(shù)字中頻系統(tǒng)設計需要。使用該板卡和相關(guān)的軟件工具產(chǎn)品，大大簡化了系統(tǒng)設計的復雜度，縮短了產(chǎn)品開發(fā)前的研發(fā)周期。

進入雷達系統(tǒng)

通過上節(jié)的建模、仿真、驗證，可以看出系統(tǒng)可將PCI-9846H運用與雷達系統(tǒng)中，系統(tǒng)構(gòu)架框圖如圖4所示。直接將板卡插入雷達終端機中，將雷達中頻信號、來自頻綜的相參時鐘信號以及其他觸發(fā)信號接入板卡相關(guān)接口。系統(tǒng)簡化了以往數(shù)字中頻接收機，省去了外部電源、節(jié)約了外部空間以及其他數(shù)據(jù)連接等考慮。系統(tǒng)直接將PCI-9846H來的數(shù)據(jù)通過PCI訪問進行變頻、產(chǎn)品顯示。

圖4數(shù)字接收機系統(tǒng)框圖

按如圖4所示將系統(tǒng)組裝完成后，為驗證雷達系統(tǒng)工作正常，從雷達射頻前端灌入信號，下面是系統(tǒng)工作時測量的情況。

（1）系統(tǒng)中頻輸出為50.05MHz，功率為+5dBm時最終IQ時域數(shù)據(jù)輸出。

主要是檢查輸出IQ信號的功率穩(wěn)定性和相位穩(wěn)定性。從實際功率計數(shù)錯誤次數(shù)和相位錯誤計數(shù)都為0可以看出，通過PCI-9846H板卡設計的數(shù)字下變頻幅度一致性和相位穩(wěn)定性上基本符合要求。

（2）系統(tǒng)中頻輸出為50MHz+70Hz頻偏，中頻輸入功率為-40dBm。風廓線各個波束的功率譜顯示。因為雷達工作頻點為1290MHz，根據(jù)相關(guān)計算公式，若輸入70Hz頻偏則目標測得值應該為8.13m/s，從圖5可以看出，測出的風速為8.0m/s，與上式計算值吻合，其中差值為風廓線雷達時域相參積累、譜平均次數(shù)誤差導致。滿足設計要求。

圖5風廓線雷達測風性能驗證

凌華科技PCI-9846H板卡，集成了豐富的硬件及其他開發(fā)資源，無論使用者的使用何種開發(fā)平臺，如VisualStudio、BorlC++Builder、Delphi或者是LabVIEW，均可通過DAQPilot所提供的交互式接口，快速完成程序的設計與應用。使用該板卡可以方便快捷的進行前期的方案驗證，加快了某型風廓線雷達數(shù)字中頻接收機研制的進度，經(jīng)實際系統(tǒng)使用，證明該板可以勝任數(shù)字中頻接收機設計需要。