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雷达数字中频接收机系统设计方案详细解析

发布时间:2020-05-14 发布时间:
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作为雷达系统的重要组成,传统的天气雷达接收机主要采用瞬时自动增益控制扩展动态范围,利用模拟I、Q解调器对信号进行模拟解调,对接收机硬件依赖性强,信号适应能力差,而软件无线电技术的出现导致了无线电接收机的革新。随着器件水平的迅速发展,作为软件无线电的重要内容,数字接收机日益成熟并已经在雷达、电子战和通讯接收机中普遍应用。

软件无线电最终目标是将模数转换器件(ADC)紧接在电台天线,直接在信号射频进行采样,将模拟信号转换成数字信号,射频以下其他的所有处理功能全部采用软件模块来实现。当前,数字接收机在气象雷达中已经得到较大范围的推广,实际运行效果显著,其优势主要表现在体积变小、成本降低、系统复杂程度降低,表现突出的是灵敏度和动态范围性能有较大提升。

这些数字接收机基本上采用如图1设计框图,主要由三大部分构成,即高性能模数转换(采集)、超大规模可编程逻辑器件实现数字变频功能和数据传输。这类设计不足之处在于,每个环节都需要精心设计,导致整个设计周期过长或系统过于复杂,寻找一种高集成度数据采集平台以简化设计无疑成为亟待解决的问题。

图1通用数字接收机框图

凌华PCI-9846H高速数字化仪,可提供高精度、低噪音及高动态范围性能,高密度且高精准度,那么基于该板卡特点,是否可以成功设计出一种风廓线雷达数字中频接收机,从而简化数字接收机的冗长、繁琐且易出错的设计研制工作呢?

简化系统的机会

结合某型风廓线雷达系统参数特点,中频频点为50MHz,带宽为5MHz,数字中频接收机采用基于多相滤波的数字正交变换方法。该方法不仅不需要正交本振,且后续的数字滤波器阶数可以很低,实现起来简单。对ADC的数据进行直接下变频,ADC采样后数字信号经过两路分离处理后,通过半带滤波、降速率、数字滤波最终得到两路正交的雷达基数据输出。

分析PCI-9846H高速数字化仪资源及结构特点,为验证系统的可行性,设计按图2搭建系统仿真平台。

图2数字中频接收机验证平台

为方便描述操作过程,将按如下步骤进行:

(1)将PCI-9846板卡插入PC机的PCI槽中。启动电脑,装入凌华科技提供的技术资料光盘,将建立系统必须的驱动和相关开发工具安装完毕。

(2)将外部信号源设置两路全相参输出,模拟雷达提供的中频和采样时钟,一路设置为40MHz作为板卡外部时钟使用,接入板卡的“CLKIN”端,另一路设置为50MHz作为中频输入,接入PCI-9846的4个输入通道中一路CH0。

(3)凌华科技在软件支持部分也投入大量的精力。针对PCI-9816/9826/9846的软件解决方案,凌华科技提供了传统的WD-DASK与任务导向型的DAQPilot驱动程序与开发链接库。打开LabVIEW软件,找到控件ADLinkDAQpilot。

(4)设置ADLinkDAQpilot,使用0号通道,幅值范围±1V,选择外部时钟。

(5)将ADC输出按图2进行下变频操作,图6为下变频中的IQ分离部分。

图3IQ分离

(6)根据设计者的设计习惯,为了便于数据分析,在LabVIEW中对每级数据进行存储,并使用MATLAB进行深层次的分析。

经过上述简单快捷的系统仿真模型搭建,下面即可对系统进行仿真、验证。

(1)PCI-9846H的通道1ADC数据分析。经验证分析,PCI-9846H板工作在40MHz外部时钟时数据采集正常,因使用的是欠采样(带通采样),信噪比相对而言会有所损失。

(2)通过在LabVIEW环境中快速的搭建数字下变频系统,50.3MHz的中频输入信号,经过变频,降速率后得到雷达4MHz带宽下的IQ基数据。结果显示系统实现了数字下变频的功能,通过该部分的实验证明了使用凌华科技的PCI-9846H板卡可以实现某型雷达数字中频系统设计需要。使用该板卡和相关的软件工具产品,大大简化了系统设计的复杂度,缩短了产品开发前的研发周期。

进入雷达系统

通过上节的建模、仿真、验证,可以看出系统可将PCI-9846H运用与雷达系统中,系统构架框图如图4所示。直接将板卡插入雷达终端机中,将雷达中频信号、来自频综的相参时钟信号以及其他触发信号接入板卡相关接口。系统简化了以往数字中频接收机,省去了外部电源、节约了外部空间以及其他数据连接等考虑。系统直接将PCI-9846H来的数据通过PCI访问进行变频、产品显示。

图4数字接收机系统框图

按如图4所示将系统组装完成后,为验证雷达系统工作正常,从雷达射频前端灌入信号,下面是系统工作时测量的情况。

(1)系统中频输出为50.05MHz,功率为+5dBm时最终IQ时域数据输出。

主要是检查输出IQ信号的功率稳定性和相位稳定性。从实际功率计数错误次数和相位错误计数都为0可以看出,通过PCI-9846H板卡设计的数字下变频幅度一致性和相位稳定性上基本符合要求。

(2)系统中频输出为50MHz+70Hz频偏,中频输入功率为-40dBm。风廓线各个波束的功率谱显示。因为雷达工作频点为1290MHz,根据相关计算公式,若输入70Hz频偏则目标测得值应该为8.13m/s,从图5可以看出,测出的风速为8.0m/s,与上式计算值吻合,其中差值为风廓线雷达时域相参积累、谱平均次数误差导致。满足设计要求。

图5风廓线雷达测风性能验证

凌华科技PCI-9846H板卡,集成了丰富的硬件及其他开发资源,无论使用者的使用何种开发平台,如VisualStudio、BorlC++Builder、Delphi或者是LabVIEW,均可通过DAQPilot所提供的交互式接口,快速完成程序的设计与应用。使用该板卡可以方便快捷的进行前期的方案验证,加快了某型风廓线雷达数字中频接收机研制的进度,经实际系统使用,证明该板可以胜任数字中频接收机设计需要。


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