軟件無線電在雷達接收系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

軟件無線電[1-3]是近年來隨著計算機及微電子技術(shù)高速發(fā)展而產(chǎn)生的一種全新的無線電技術(shù)，它的出現(xiàn)，是無線電通信從模擬到數(shù)字、從固定到移動后由硬件到軟件的第3次變革，雖然其概念最早是基于通信需求提出來的，而且首先在通信領(lǐng)域得到實現(xiàn)，但近年來這種新的設(shè)計思想在其他領(lǐng)域如雷達、數(shù)字電視系統(tǒng)等業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。

由于不同用途、不同功能的雷達對雷達信號參數(shù)（載頻、脈寬、調(diào)制等）有不同的要求，所以目前設(shè)計研制的雷達往往功能單一、體制單一、無法適應(yīng)在不同的環(huán)境下對不同數(shù)屬性的目標(biāo)進行智能化跟蹤探測的需要，如果能把軟件無線電的設(shè)計思想應(yīng)用于雷達的設(shè)計研制，也就是實現(xiàn)軟件化雷達[3、4]，那么就能比較圓滿的解決目前雷達設(shè)計中所存在的問題。

20世紀(jì)80年代以來，電離層探測技術(shù)的發(fā)展主要表現(xiàn)在新型電子技術(shù)與數(shù)字技術(shù)的廣泛應(yīng)用，新電路的速度更快，效率更高，能實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的存儲和處理，這使得電離層探測技術(shù)進入了新的發(fā)展階段，我們根據(jù)電離層探測研究的需要，應(yīng)用軟件無線電技術(shù)和思想，結(jié)合微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的高速發(fā)展，著手研制新一代電離層電波探測技設(shè)備，就是把廣泛應(yīng)用的電離層數(shù)字測高儀作為研究對象，將軟件無線電技術(shù)與其結(jié)合，設(shè)計新一代軟件化數(shù)字測高儀，也就是說，以標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的硬件平臺組成數(shù)字測高儀，通過軟件來實現(xiàn)其各種電離層探測模式[5]。

數(shù)字測高儀系統(tǒng)是典型的現(xiàn)代數(shù)字式無線電雷達結(jié)構(gòu)，因此，所需研制的軟件化數(shù)字測高儀也就是一種軟件化雷達，本文介紹了其軟件數(shù)字接收處理部分的設(shè)計原理、具體實現(xiàn)以及實驗結(jié)果。

1 設(shè)計原理

在雷達的接收部分，對于天線接收后的模擬信號通過采樣，完成數(shù)字下變頻、數(shù)字解調(diào)分析處理，是軟件化雷達區(qū)別于現(xiàn)代數(shù)字雷達的重要特征，也是構(gòu)成軟件化雷達的關(guān)鍵部分之一，如圖1所示。

這里的軟件數(shù)字接收處理部分也就是常規(guī)軟件數(shù)字接收機的一部分，如圖1中虛線框所示，我們的設(shè)計就是建立軟件數(shù)字接收機的基礎(chǔ)上的[3]。典型的軟件數(shù)字接收機的通用硬件通常包括：多頻段rf轉(zhuǎn)換器、帶寬高速的a/d轉(zhuǎn)換器和可編程處理模塊（數(shù)字下變頻、數(shù)字濾波、數(shù)字信號處理）。rf轉(zhuǎn)換部分在接收方向?qū)⑻炀€接收的信號放大，并將射頻信號變換成適合a/d轉(zhuǎn)換的if信號，a/d轉(zhuǎn)換器的位置是一個非常重要的問題，理想的軟件無線電是在射頻進行a/d變換，目前，由于a/d轉(zhuǎn)換器件性能的限制，在射頻部分直接數(shù)字化輸入信號的技術(shù)還不太成熟，而且dsp的處理速度和性能還不能完全達到要求，因此現(xiàn)在常規(guī)上還是只在中頻處理信號的數(shù)字化，if信號經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換器采樣數(shù)字化后，送入可編程處理模塊進行后續(xù)處理，由于這里還沒有考慮射頻前端的選擇與使用，所以只是把設(shè)計的這種結(jié)構(gòu)稱為高速數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理平臺，但它不僅是構(gòu)成軟件數(shù)字接收機的關(guān)鍵部分，也是構(gòu)成軟件化數(shù)字雷達的核心部分。

2 具體實現(xiàn)

基于上述的設(shè)計原理，構(gòu)建了軟件數(shù)字接收處理部分的高速數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理平臺，如圖2所示。

平臺主要是由高速a/d轉(zhuǎn)換器、數(shù)字下變頻器、fifo、總線控制器和通用計算機構(gòu)成，其核心是高速a/d轉(zhuǎn)換，數(shù)字下變頻和pci總線傳輸，對于這幾個關(guān)鍵器件，通過多種比較，最終選擇ad6644、gc4016、pci9080以及128kb的數(shù)據(jù)緩存。所用計算機是主頻為833mhz、windows2000操作系統(tǒng)、32mhz的32位pci總線的通用計算機。及計算機除了要完成對gc4016的初始化任務(wù)，即中心頻率的選取、采樣率的設(shè)置、帶寬控制等，還要完成數(shù)據(jù)處理，保存等功能。

該平臺的主要特性是：操作環(huán)境支持windows nt 和linux；兩個寬帶的if輸入通道，if輸入信號的頻率范圍60khz-300mhz，14位a/d轉(zhuǎn)換率最高可達70mhz；既可外部時鐘輸入，也可選用自帶時鐘；下變頻后的4個通道有合成的功能，可4個通道單獨使用，也可合并成2個或1個通道，每種方式對應(yīng)的帶寬各不相同，4個通道各帶128k×32bits的fifo，采用dma方式和pci總線進行數(shù)據(jù)傳輸，輸出的數(shù)據(jù)有16bits的實數(shù)、16bit的復(fù)數(shù)和20bit的復(fù)數(shù)3種模式，采樣起始既可由軟件觸發(fā)，也可由外接門信號控制。

3 實驗結(jié)果

為了很好地說明該平臺的性能，這里給出了幾組實驗結(jié)果，圖3是測試采樣數(shù)據(jù)的連續(xù)性，輸入信號以10mhz為中心頻率，采樣頻率為65mhz，由于數(shù)據(jù)量非常大，為了表明結(jié)果的普遍性，這里任意截取了一段，即從第169000個數(shù)據(jù)點到第169200個數(shù)據(jù)點，可以看到圖中數(shù)據(jù)的連續(xù)性非常好。

圖4和圖5是對調(diào)幅信號的采樣以及對所得數(shù)據(jù)的解調(diào),并驗證系統(tǒng)對調(diào)制信號的采樣和處理是否能夠達到實時的程度,是否能夠保證處理后所得數(shù)據(jù)的完整和正確，輸入信號是在13.8163mhz上調(diào)制了一個深度為30%的1khz的調(diào)幅信號，采樣頻率為69.33mhz。

圖5是在圖4的基礎(chǔ)上對采樣程序進行改動后的采樣，由于數(shù)據(jù)量很大，為了表明結(jié)果的普遍性，這里任意截取了一段數(shù)據(jù)，即從第9900個數(shù)據(jù)點到第10000個數(shù)據(jù)點，圖5（a）是在采集到數(shù)據(jù)的同時就進行解調(diào)，同時對所得的解調(diào)的結(jié)果進行一次抽取后再記錄保存（在采樣程序中設(shè)定每隔5個數(shù)據(jù)記錄1恩，這是由于數(shù)據(jù)量太大，進行抽取后，不僅數(shù)據(jù)無失真，而且大大減少了數(shù)據(jù)量）可見：在保證數(shù)據(jù)連續(xù)采集的前提下，系統(tǒng)對調(diào)制信號的采樣和處理能夠達到實時的程度，還能夠通過抽取來減小數(shù)據(jù)量并保證處理后所得數(shù)據(jù)的完整和正確。

圖6是檢測了計數(shù)控制方式和門控連續(xù)采集方式兩種模式時的采樣結(jié)果，計數(shù)控制方式時的采樣的工作原理是：在門控信號的正脈沖觸發(fā)了采樣后，系統(tǒng)開始工作，當(dāng)采集完成所設(shè)的點數(shù)后，采樣停止，直到門控信號的下一個正脈沖到來再次觸發(fā)采樣，如此繼續(xù)，直到采樣程序結(jié)束為止。此工作模式中每次采樣的數(shù)據(jù)點數(shù)是完全按照事先設(shè)定的，但所設(shè)點數(shù)的采樣時間不能超過門控信號的正脈沖的寬度，門控連續(xù)采集方式時的采樣的工作原理是：在門控信號的正脈沖觸發(fā)了采樣后，系統(tǒng)開始工作，當(dāng)脈沖跳變?yōu)樨?fù)電平時，采樣停止，直到門控信號的下一個正脈沖到來再次觸發(fā)采樣，如此繼續(xù)，直到采樣程序結(jié)束為止，此工作模式中每次采樣的數(shù)據(jù)點數(shù)是由門控信號的正脈沖的寬度決定的，通過這兩種工作方式的結(jié)果一起比較，可以得出系統(tǒng)的采樣不僅能夠由軟件控制，還能由外接的門控信號來控制，兩種控制方式所得到的采樣結(jié)果同時準(zhǔn)確可靠，并且在外接門控信號的控制方式中還能嚴(yán)格控制采樣點數(shù)。

4 結(jié)束語

通過以上實驗可以看出：該數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理平臺很好的實現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)采樣，即可保證在采樣速率很高的情況下，通過選取合適的采樣率，達到采樣數(shù)據(jù)的連續(xù)。該平臺在數(shù)據(jù)帶寬的設(shè)置上直接、方便、因此實現(xiàn)了從窄帶到寬帶的多種帶寬模式的采樣，此外，該平臺的工作模式靈活多樣，不僅能夠很好地對連續(xù)信號、脈沖信號進行采樣，甚至對于調(diào)幅、調(diào)頻等信號，采樣結(jié)果也能很好的還原出原始信號，該平臺也能很好地完成數(shù)據(jù)的實時處理，如對調(diào)制信號采樣后的實時調(diào)節(jié)和保存等，此外，無論是通過軟件觸發(fā)還是外部脈沖觸發(fā)，采樣都能得到準(zhǔn)確控制，該平臺不僅為新型軟件化電離層測高儀和軟件化雷達的研制打下了堅實的基礎(chǔ)，還為信號的采集與處理提供了通用平臺，很容易應(yīng)用到其他數(shù)字信號處理得場合。

由于受其他一些因素的影響，該平臺也還存在幾個問題：pci局部總線傳輸速率的理論峰值是33mhz（132mb/s），但實際上并不能達到此最大值。當(dāng)采樣速率非常高、而采樣率又較小時，會出現(xiàn)采樣速率大于pci總線的傳輸速率，最終導(dǎo)致采樣的數(shù)據(jù)緩存全滿溢出，造成數(shù)據(jù)的丟失，若增大采樣率，則實際的采樣速率也隨之減小，會在一定程度上局限采樣工作，另外，如此高的采樣速率不可免會帶來龐大的數(shù)據(jù)量，數(shù)據(jù)的存儲、處理等也會出現(xiàn)一些問題，這些將是我們下步工作需要考慮和解決的。

雖然軟件無線電在雷達上的應(yīng)用即軟件雷達在國際上剛剛起步，但它眾多的優(yōu)點必將推動它的應(yīng)用，從而開發(fā)出新設(shè)備來促進電波探測科學(xué)的發(fā)展。