軟件無線電在雷達(dá)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(jì)算機(jī)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(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的，而且首先在通信領(lǐng)域得到實(shí)現(xiàn)，但近年來這種新的設(shè)計(jì)思想在其他領(lǐng)域如雷達(dá)、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(dá)對(duì)雷達(dá)信號(hào)參數(shù)（載頻、脈寬、調(diào)制等）有不同的要求，所以目前設(shè)計(jì)研制的雷達(dá)往往功能單一、體制單一、無法適應(yīng)在不同的環(huán)境下對(duì)不同數(shù)屬性的目標(biāo)進(jìn)行智能化跟蹤探測(cè)的需要，如果能把軟件無線電的設(shè)計(jì)思想應(yīng)用于雷達(dá)的設(shè)計(jì)研制，也就是實(shí)現(xiàn)軟件化雷達(dá)[3、4]，那么就能比較圓滿的解決目前雷達(dá)設(shè)計(jì)中所存在的問題。

20世紀(jì)80年代以來，電離層探測(cè)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(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理，這使得電離層探測(cè)技術(shù)進(jìn)入了新的發(fā)展階段，我們根據(jù)電離層探測(cè)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(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，著手研制新一代電離層電波探測(cè)技設(shè)備，就是把廣泛應(yīng)用的電離層數(shù)字測(cè)高儀作為研究對(duì)象，將軟件無線電技術(shù)與其結(jié)合，設(shè)計(jì)新一代軟件化數(shù)字測(cè)高儀，也就是說，以標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的硬件平臺(tái)組成數(shù)字測(cè)高儀，通過軟件來實(shí)現(xiàn)其各種電離層探測(cè)模式[5]。

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

1 設(shè)計(jì)原理

在雷達(dá)的接收部分，對(duì)于天線接收后的模擬信號(hào)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(dá)區(qū)別于現(xiàn)代數(shù)字雷達(dá)的重要特征，也是構(gòu)成軟件化雷達(dá)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(jī)的一部分，如圖1中虛線框所示，我們的設(shè)計(jì)就是建立軟件數(shù)字接收機(jī)的基礎(chǔ)上的[3]。典型的軟件數(shù)字接收機(jī)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(hào)處理）。rf轉(zhuǎn)換部分在接收方向?qū)⑻炀€接收的信號(hào)放大，并將射頻信號(hào)變換成適合a/d轉(zhuǎn)換的if信號(hào)，a/d轉(zhuǎn)換器的位置是一個(gè)非常重要的問題，理想的軟件無線電是在射頻進(jìn)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(hào)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(dá)到要求，因此現(xiàn)在常規(guī)上還是只在中頻處理信號(hào)的數(shù)字化，if信號(hào)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(jìn)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(jì)的這種結(jié)構(gòu)稱為高速數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理平臺(tái)，但它不僅是構(gòu)成軟件數(shù)字接收機(jī)的關(guān)鍵部分，也是構(gòu)成軟件化數(shù)字雷達(dá)的核心部分。

2 具體實(shí)現(xiàn)

基于上述的設(shè)計(jì)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(tái)，如圖2所示。

平臺(tái)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(jì)算機(jī)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(duì)于這幾個(gè)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(jì)算機(jī)是主頻為833mhz、windows2000操作系統(tǒng)、32mhz的32位pci總線的通用計(jì)算機(jī)。及計(jì)算機(jī)除了要完成對(duì)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(tái)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(hào)的頻率范圍60khz-300mhz，14位a/d轉(zhuǎn)換率最高可達(dá)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(dú)使用，也可合并成2個(gè)或1個(gè)通道，每種方式對(duì)應(yīng)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總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，輸出的數(shù)據(jù)有16bits的實(shí)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(hào)控制。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了很好地說明該平臺(tái)的性能，這里給出了幾組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖3是測(cè)試采樣數(shù)據(jù)的連續(xù)性，輸入信號(hào)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(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)到第169200個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，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(duì)調(diào)幅信號(hào)的采樣以及對(duì)所得數(shù)據(jù)的解調(diào),并驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)調(diào)制信號(hào)的采樣和處理是否能夠達(dá)到實(shí)時(shí)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(hào)是在13.8163mhz上調(diào)制了一個(gè)深度為30%的1khz的調(diào)幅信號(hào)，采樣頻率為69.33mhz。

圖5是在圖4的基礎(chǔ)上對(duì)采樣程序進(jìn)行改動(dòng)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(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)到第10000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，圖5（a）是在采集到數(shù)據(jù)的同時(shí)就進(jìn)行解調(diào)，同時(shí)對(duì)所得的解調(diào)的結(jié)果進(jìn)行一次抽取后再記錄保存（在采樣程序中設(shè)定每隔5個(gè)數(shù)據(jù)記錄1恩，這是由于數(shù)據(jù)量太大，進(jìn)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(duì)調(diào)制信號(hào)的采樣和處理能夠達(dá)到實(shí)時(shí)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(cè)了計(jì)數(shù)控制方式和門控連續(xù)采集方式兩種模式時(shí)的采樣結(jié)果，計(jì)數(shù)控制方式時(shí)的采樣的工作原理是：在門控信號(hào)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(diǎn)數(shù)后，采樣停止，直到門控信號(hào)的下一個(gè)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(diǎn)數(shù)是完全按照事先設(shè)定的，但所設(shè)點(diǎn)數(shù)的采樣時(shí)間不能超過門控信號(hào)的正脈沖的寬度，門控連續(xù)采集方式時(shí)的采樣的工作原理是：在門控信號(hào)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(shí)，采樣停止，直到門控信號(hào)的下一個(gè)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(diǎn)數(shù)是由門控信號(hào)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(hào)來控制，兩種控制方式所得到的采樣結(jié)果同時(shí)準(zhǔn)確可靠，并且在外接門控信號(hào)的控制方式中還能嚴(yán)格控制采樣點(diǎn)數(shù)。

4 結(jié)束語

通過以上實(shí)驗(yàn)可以看出：該數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理平臺(tái)很好的實(shí)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(dá)到采樣數(shù)據(jù)的連續(xù)。該平臺(tái)在數(shù)據(jù)帶寬的設(shè)置上直接、方便、因此實(shí)現(xiàn)了從窄帶到寬帶的多種帶寬模式的采樣，此外，該平臺(tái)的工作模式靈活多樣，不僅能夠很好地對(duì)連續(xù)信號(hào)、脈沖信號(hào)進(jìn)行采樣，甚至對(duì)于調(diào)幅、調(diào)頻等信號(hào)，采樣結(jié)果也能很好的還原出原始信號(hào)，該平臺(tái)也能很好地完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，如對(duì)調(diào)制信號(hào)采樣后的實(shí)時(shí)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(tái)不僅為新型軟件化電離層測(cè)高儀和軟件化雷達(dá)的研制打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，還為信號(hào)的采集與處理提供了通用平臺(tái)，很容易應(yīng)用到其他數(shù)字信號(hào)處理得場(chǎng)合。

由于受其他一些因素的影響，該平臺(tái)也還存在幾個(gè)問題：pci局部總線傳輸速率的理論峰值是33mhz（132mb/s），但實(shí)際上并不能達(dá)到此最大值。當(dāng)采樣速率非常高、而采樣率又較小時(shí)，會(huì)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(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)帶來龐大的數(shù)據(jù)量，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理等也會(huì)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(dá)上的應(yīng)用即軟件雷達(dá)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(yīng)用，從而開發(fā)出新設(shè)備來促進(jìn)電波探測(cè)科學(xué)的發(fā)展。