軟件無(wú)線(xiàn)電在雷達接收系統中的應用研究

軟件無(wú)線(xiàn)電[1-3]是近年來(lái)隨著(zhù)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(wú)線(xiàn)電技術(shù)，它的出現，是無(wú)線(xiàn)電通信從模擬到數字、從固定到移動(dòng)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(lái)的，而且首先在通信領(lǐng)域得到實(shí)現，但近年來(lái)這種新的設計思想在其他領(lǐng)域如雷達、數字電視系統等業(yè)得到了廣泛應用。

由于不同用途、不同功能的雷達對雷達信號參數（載頻、脈寬、調制等）有不同的要求，所以目前設計研制的雷達往往功能單一、體制單一、無(wú)法適應在不同的環(huán)境下對不同數屬性的目標進(jìn)行智能化跟蹤探測的需要，如果能把軟件無(wú)線(xiàn)電的設計思想應用于雷達的設計研制，也就是實(shí)現軟件化雷達[3、4]，那么就能比較圓滿(mǎn)的解決目前雷達設計中所存在的問(wèn)題。

20世紀80年代以來(lái)，電離層探測技術(shù)的發(fā)展主要表現在新型電子技術(shù)與數字技術(shù)的廣泛應用，新電路的速度更快，效率更高，能實(shí)現大量數據的存儲和處理，這使得電離層探測技術(shù)進(jìn)入了新的發(fā)展階段，我們根據電離層探測研究的需要，應用軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)和思想，結合微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的高速發(fā)展，著(zhù)手研制新一代電離層電波探測技設備，就是把廣泛應用的電離層數字測高儀作為研究對象，將軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)與其結合，設計新一代軟件化數字測高儀，也就是說(shuō)，以標準化、模塊化的硬件平臺組成數字測高儀，通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現其各種電離層探測模式[5]。

數字測高儀系統是典型的現代數字式無(wú)線(xiàn)電雷達結構，因此，所需研制的軟件化數字測高儀也就是一種軟件化雷達，本文介紹了其軟件數字接收處理部分的設計原理、具體實(shí)現以及實(shí)驗結果。

1 設計原理

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

這里的軟件數字接收處理部分也就是常規軟件數字接收機的一部分，如圖1中虛線(xiàn)框所示，我們的設計就是建立軟件數字接收機的基礎上的[3]。典型的軟件數字接收機的通用硬件通常包括：多頻段rf轉換器、帶寬高速的a/d轉換器和可編程處理模塊（數字下變頻、數字濾波、數字信號處理）。rf轉換部分在接收方向將天線(xiàn)接收的信號放大，并將射頻信號變換成適合a/d轉換的if信號，a/d轉換器的位置是一個(gè)非常重要的問(wèn)題，理想的軟件無(wú)線(xiàn)電是在射頻進(jìn)行a/d變換，目前，由于a/d轉換器件性能的限制，在射頻部分直接數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，因此現在常規上還是只在中頻處理信號的數字化，if信號經(jīng)a/d轉換器采樣數字化后，送入可編程處理模塊進(jìn)行后續處理，由于這里還沒(méi)有考慮射頻前端的選擇與使用，所以只是把設計的這種結構稱(chēng)為高速數據采集與預處理平臺，但它不僅是構成軟件數字接收機的關(guān)鍵部分，也是構成軟件化數字雷達的核心部分。

2 具體實(shí)現

基于上述的設計原理，構建了軟件數字接收處理部分的高速數據采集與預處理平臺，如圖2所示。

平臺主要是由高速a/d轉換器、數字下變頻器、fifo、總線(xiàn)控制器和通用計算機構成，其核心是高速a/d轉換，數字下變頻和pci總線(xiàn)傳輸，對于這幾個(gè)關(guān)鍵器件，通過(guò)多種比較，最終選擇ad6644、gc4016、pci9080以及128kb的數據緩存。所用計算機是主頻為833mhz、windows2000操作系統、32mhz的32位pci總線(xiàn)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、采樣率的設置、帶寬控制等，還要完成數據處理，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(gè)寬帶的if輸入通道，if輸入信號的頻率范圍60khz-300mhz，14位a/d轉換率最高可達70mhz；既可外部時(shí)鐘輸入，也可選用自帶時(shí)鐘；下變頻后的4個(gè)通道有合成的功能，可4個(gè)通道單獨使用，也可合并成2個(gè)或1個(gè)通道，每種方式對應的帶寬各不相同，4個(gè)通道各帶128k×32bits的fifo，采用dma方式和pci總線(xiàn)進(jìn)行數據傳輸，輸出的數據有16bits的實(shí)數、16bit的復數和20bit的復數3種模式，采樣起始既可由軟件觸發(fā)，也可由外接門(mén)信號控制。

3 實(shí)驗結果

為了很好地說(shuō)明該平臺的性能，這里給出了幾組實(shí)驗結果，圖3是測試采樣數據的連續性，輸入信號以10mhz為中心頻率，采樣頻率為65mhz，由于數據量非常大，為了表明結果的普遍性，這里任意截取了一段，即從第169000個(gè)數據點(diǎn)到第169200個(gè)數據點(diǎn)，可以看到圖中數據的連續性非常好。

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

圖5是在圖4的基礎上對采樣程序進(jìn)行改動(dòng)后的采樣，由于數據量很大，為了表明結果的普遍性，這里任意截取了一段數據，即從第9900個(gè)數據點(diǎn)到第10000個(gè)數據點(diǎn)，圖5（a）是在采集到數據的同時(shí)就進(jìn)行解調，同時(shí)對所得的解調的結果進(jìn)行一次抽取后再記錄保存（在采樣程序中設定每隔5個(gè)數據記錄1恩，這是由于數據量太大，進(jìn)行抽取后，不僅數據無(wú)失真，而且大大減少了數據量）可見(jiàn)：在保證數據連續采集的前提下，系統對調制信號的采樣和處理能夠達到實(shí)時(shí)的程度，還能夠通過(guò)抽取來(lái)減小數據量并保證處理后所得數據的完整和正確。

圖6是檢測了計數控制方式和門(mén)控連續采集方式兩種模式時(shí)的采樣結果，計數控制方式時(shí)的采樣的工作原理是：在門(mén)控信號的正脈沖觸發(fā)了采樣后，系統開(kāi)始工作，當采集完成所設的點(diǎn)數后，采樣停止，直到門(mén)控信號的下一個(gè)正脈沖到來(lái)再次觸發(fā)采樣，如此繼續，直到采樣程序結束為止。此工作模式中每次采樣的數據點(diǎn)數是完全按照事先設定的，但所設點(diǎn)數的采樣時(shí)間不能超過(guò)門(mén)控信號的正脈沖的寬度，門(mén)控連續采集方式時(shí)的采樣的工作原理是：在門(mén)控信號的正脈沖觸發(fā)了采樣后，系統開(kāi)始工作，當脈沖跳變?yōu)樨撾娖綍r(shí)，采樣停止，直到門(mén)控信號的下一個(gè)正脈沖到來(lái)再次觸發(fā)采樣，如此繼續，直到采樣程序結束為止，此工作模式中每次采樣的數據點(diǎn)數是由門(mén)控信號的正脈沖的寬度決定的，通過(guò)這兩種工作方式的結果一起比較，可以得出系統的采樣不僅能夠由軟件控制，還能由外接的門(mén)控信號來(lái)控制，兩種控制方式所得到的采樣結果同時(shí)準確可靠，并且在外接門(mén)控信號的控制方式中還能?chē)栏窨刂撇蓸狱c(diǎn)數。

4 結束語(yǔ)

通過(guò)以上實(shí)驗可以看出：該數據采集與預處理平臺很好的實(shí)現了高速數據采樣，即可保證在采樣速率很高的情況下，通過(guò)選取合適的采樣率，達到采樣數據的連續。該平臺在數據帶寬的設置上直接、方便、因此實(shí)現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信號、脈沖信號進(jìn)行采樣，甚至對于調幅、調頻等信號，采樣結果也能很好的還原出原始信號，該平臺也能很好地完成數據的實(shí)時(shí)處理，如對調制信號采樣后的實(shí)時(shí)調節和保存等，此外，無(wú)論是通過(guò)軟件觸發(fā)還是外部脈沖觸發(fā)，采樣都能得到準確控制，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(shí)的基礎，還為信號的采集與處理提供了通用平臺，很容易應用到其他數字信號處理得場(chǎng)合。

由于受其他一些因素的影響，該平臺也還存在幾個(gè)問(wèn)題：pci局部總線(xiàn)傳輸速率的理論峰值是33mhz（132mb/s），但實(shí)際上并不能達到此最大值。當采樣速率非常高、而采樣率又較小時(shí)，會(huì )出現采樣速率大于pci總線(xiàn)的傳輸速率，最終導致采樣的數據緩存全滿(mǎn)溢出，造成數據的丟失，若增大采樣率，則實(shí)際的采樣速率也隨之減小，會(huì )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(huì )帶來(lái)龐大的數據量，數據的存儲、處理等也會(huì )出現一些問(wèn)題，這些將是我們下步工作需要考慮和解決的。

雖然軟件無(wú)線(xiàn)電在雷達上的應用即軟件雷達在國際上剛剛起步，但它眾多的優(yōu)點(diǎn)必將推動(dòng)它的應用，從而開(kāi)發(fā)出新設備來(lái)促進(jìn)電波探測科學(xué)的發(fā)展。