数字阵列雷达中多通道数字收发技术分析.pdf

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1、数字阵列雷达中多通道数字收发技术分析 摘要：数字阵列雷达是一种接收和发射波束都以数字方式实现的全数字相控阵雷达。由于数字处理所具有的灵活性,数字阵列雷达拥有许多传统相控阵雷达所无法比拟的优越性。收/发波束均以数字方式实现的全数字化数字阵列雷达(DAR)能很好解决上述问题。这种全新概 念的数字阵列雷达以其无可比拟的优势,正在成为 相控阵雷达的一个重要发展方向,广受人们的关注。数字阵列雷达已从概念研究、关键技术研究发展到了实验系统研究,实用化数字阵列雷达的研究也取得了一定的进展。本文根据作者多年工作经验，对数字阵列雷达中多通道数字收发技术进行了探讨分析。关键词：数字阵列雷达；多通道；数字收发；技术

2、；1、引言 根据波束形成机理,接收波束和发射波束都可以通过数字技术来形成。接收和发射波束均以数字方式形成的全数字化阵列天线雷达就称作数字阵列雷达。数字阵列雷达的基本结构下图所示,一般由天线阵列、数字发射/接收(T/R)组件、时钟、数据传输系统、数字处理机组成。T/R 组件模块是数字阵列雷达的核心,它把发射机、接收机、激励器和本振信号发生器集为一体,成为一个完整的发射机和接收机分系统。发射时,由实时信号处理机产生每个天线单元的幅相控制字,对各 T/R 组件的信号产生器进行控制,产生一定频率、相位、幅度的射频信号;再输出至对应的天线单元,最后由各阵元的辐射信号在空间合成所需的发射方向图。接收时,每

3、个T/R 组件接收天线各单元的微波信号,经过下变频形成中频信号,再经中频采样处理后输出回波信号;多路数字化 T/R 组件输出的大量回波数据,通过高速数据传输系统传送至实时信号处理机,实时信号处理机完成自适应波束形成和软件化信号处理。与采用模拟器件来实现波束形成的传统相控阵雷达相比,数字阵列雷达具有很多优点:易于实现超低收发副瓣;波束扫描速度快(低于微秒量级),信号处理方式灵活,可以同时发射、接收多波束,自适应零点形成易于抗干扰,模块之间的幅相校正较为简单;可以利用直接频率合成技术,产生各种具有复杂编码波形的发射信号,被截获的概率低,不用移相器,雷达的整机功耗低、可靠性高。2、数字阵列雷达关键技

4、术分析 2.1 数字 T/R 组件 直接频率合成(DDS)的幅度和相位近似连续可调,可用于数字阵列雷达的波形产生和幅相调整。基于直接频率合成的数字 T/R 组件是数字阵列雷达的关键部分之一,包括了频率源、直接频率合成、功放、混频、滤波、模数变换等部件,有集中式频率源、分布式频率源等多种实现方式。研究重点主要有体系结构、基于直接频率合成的发射信号产生与幅相控制技术、数模一体化设计理论、组件的一致性和稳定性等。2.2 数字波束形成校正技术 数字阵列发射通道和各接收通道间存在幅相误差,会对波束副瓣电平产生影响,应对其进行校正。发射通道校正有远场校正和内部校正两种方式。远场校正是让每个通道依次通过天线

5、所发射的信号,再把远场接收的发射信号与参考信号比较,得到各发射通道的幅相误差。将此误差代入直接频率合成部件即可修正各发射支路的幅相误差。内部校正是将发射信号从天线耦合端耦合出来,经矩阵开关依次切换各路信号,再把矩阵开关的输出与参考信号相比较得到发射通道的幅相误差。此误差再加上天线、矩阵开关等固定误差,更得到等效的远场校正误差。接收通道校正同样有远场校正和内部校正两种方式。远场校正是将校正信号从远场发射,经天线、接收机至采集卡,然后在计算机内对接收通道的幅相误差进行分析。内部校正是将校正信号从功分网络馈入天线的耦合器,经天线耦合端、接收机至采集卡,由计算机分析各通道的幅相误差,依此进行天线、功分

6、网络等固有误差的修正,然后才能得到等效的系统误差。接收通道的幅相误差最终将在数字波束形成器中加以修正。2.3 宽带数字波束形成技术 采用宽带波形可达到高的距离分辨率,有助于目标识别,从而适用子弹道导弹防御系统等场合。实现宽带数字波束形成,一是天线系统和射频组件的频带要相当宽,二是雷达必须具有大的瞬时带宽,三是要进行高速数字信号处理。通过控制每个数字组件直接频率合成的时间延迟和起始相位,可以实现宽带发射和接收。当然,由于带宽的增大,迫切需要解决宽带数字波束形成存在的巨大的运算量问题。2.4 大容量高速数据传输技术 大容量高速数据传输是实现数字阵列单元(DAU)与数字处理系统之间的数据交换是必不可

7、少的。有多种办法来实现大容量高速数据传输,例如采用光纤和低压差分传输(LVDS),传输速率都能达到几百兆。LVDS 是一种小振幅差分信号技术,使用非常低的幅度信号(约 350 毫伏),通过一对差分印刷电路板走线或平衡电缆来传输数据。它允许单个信道的传输数据率达到每秒数百兆比特。与 LVDS 相比,光纤传输具有传输距离远、传输数据率高、延迟低、重量轻、保密性能好等优点,传输数据率可达千兆以上。2.5 高性能软件化信号处理机 数字阵列雷达的任务控制、时序产生、校正处理、波束控制、目标跟踪和显示处理等工作,需要一个功能强大的处理平台-采用总线结构的高性能信号处理机。3、数字阵列雷达中多通道数字收发技

8、术分析 3.1 基于数字收发技术的 T/R 数字收发模块的结构 基于数字收发技术的 T/R 数字收发模块的系统结构，根据其设计要求的不同，其系统结构存在一定的差异，本次研究中选取基于数字T/R 组件的典型数字阵列模块进行分析。3.2 基于 DDC 的数字接收技术 在基于 DDC 的数字多路接收模块的设计工作中，其主要的设计要点有三个，分别为：多路数模混合电路的电磁兼容性设计、数字I/Q 形成技术、中频信号采样技术、A/D 转换器的电路设计，下面予以详细的说明。本次研究中的数字多路接收模块，具有多路接收的特点，因此在设计的过程中要能够有效的提高设备的集成度，以减少 I/Q 形成的插件数量，电磁兼

9、容性设计的过程中，需要在满足 70 dB 信噪比的前提下，在一块数字板上集成10 路的数字射频接收机，这就需要在进行电磁兼容性设计时，综合考虑其各种影响因素，如PCB 板的设计、高速数据线的布局、关键元件的布局、电源的处理等，这些关键因素的设计好坏将关系到电路设计的性能好坏。其中系统中需要用到的高分辨率、高速的 ADC，这是一种非常敏感的器件，其对参考时钟、地平面、工作电源、模拟信号输入端等参数有着严格的要求，一旦这些参数设计中出现不合理，会对其性能产生严重的影响，所以在进行系统设计的过程中，要注意多路接收电路之间的相互串扰，在保证系统的电源及信号的完整性的前提下，要采取合理的设计尽量减少数模

10、信号之间的相互干扰。3.3 基于 DDS 的信号产生技术 在对基于 DDS 的信号产生进行分析之前，首先对 DDS 的工作原理进行简单的分析，在参考时钟的控制之下，频率控制字在相位累加器的作用下，进行线性的累加，在此过程中会得到相应的相位码，在经过波形存储寻址之后，会得到数字幅度信号，将该数字信号送入到低通滤波器及 D/A 转换器中，能够得到连续的模拟信号。在相控阵列雷达中，信号频谱纯度的变化与整个系统的正常工作有非常紧密的关联。4、结束语 随着高性能数字硬件和数字处理技术的不断发展,真正意义上的数字阵列雷达将会很快进入实用研究阶段。未来雷达利用通用硬件平台,可以通过不同的软件编程实现单部雷达的多功能化,可以通过网络软件实现多部雷达的组网以及对节点雷达体制、工作方式、工作频段、信号参数和处理方法实施可编程控制。通用、灵活、高性能、低成本的软件化雷达将是数字阵列雷达未来的发展方向。参考文献：1数字阵列雷达中多通道数字收发技术研究J.硅谷,2012(11).2应用于数字阵列的多通道波形产生系统设计J.现代电子技术,2012(9).