专利名称：高频地波雷达数字相干接收机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种高频地波雷达接收机，具体地说，涉及一种基于线性调频体制的相干高频地波雷达数字接收机。
背景技术：
高频接收机工作于3～30MHz的短波波段。在该频段内，外部干扰严重，为了满足灵敏度指标要求，并有效抑制镜向干扰，通常采用三次变频结构的超外差接收机。对海探测的高频地波雷达接收机工作于短波波段，其结构也采用了与普通高频接收机类似的结构。通信系统大都以单通道方式工作，一般不存在通道一致性等问题。高频地波雷达的接收机通常以多通道方式工作，对于多通道接收机而言，复杂的多次变频结构给接收机的稳定性、通道一致性要求带来许多麻烦。
为简化雷达结构、提高接收机的稳定性，出现了基于软件无线电思想的一次混频的高频接收机(高频数字化接收机前端电路的设计，《电子工程师》2001年02期)，这类接收机采用中频为40MHz以上高中频结构，工作于短波全频段。
对海探测的高频地波超视距雷达，其工作频率通常低于14MHz，针对高频地波超视距雷达的特点，可以适当降低中频，进一步简化雷达结构。
高频地波雷达接收机均为相干接收机。相干接收机的本振信号、发射信号均由一个时钟源通过分频、倍频、混频等技术得到，其频率合成器十分复杂。
发明内容
本实用新型的目的是针对高频地波雷达实际使用的频段，选用较低中频，采用不同于一般高频接收机的模拟前端结构，采用全DDS(Digital Direct Synthesis)技术实现频率综合器，提供一种稳定可靠，具有较高性价比的高频地波雷达数字相干接收机。
本实用新型的技术方案是高频地波雷达数字相干接收机，它包括射频模拟前端、A/D采样电路、频率合成器、同步控制电路及数字信号处理芯片组成，射频模拟前端、A/D采样电路、数字信号处理芯片依次电连接，频率合成器与射频模拟前端相连接，同步控制电路与频率合成器及射频模拟前端相连接，其特征在于中频频率为标称中频21.4MHz。
如上所述的高频地波雷达数字相干接收机，其特征在于所述射频模拟前端由天线开关，带通滤波器，混频器，低噪声放大器，晶体滤波器，放大器，晶体滤波器依次电连接组成。
如上所述的高频地波雷达数字相干接收机，其特征在于所述频率合成器由两块完全相同型号的DDS芯片组成，输出二路斜率完全相同、起始频率相差21.4MHz的线性调频信号。
如上所述的高频地波雷达数字相干接收机，其特征在于所述频率合成器输出的线性调频信号，发射与本振线性调频信号的重复周期相同，在每一周期的起始时刻，发射信号与本振信号的初始相位归零。
如上所述的高频地波雷达数字相干接收机，其特征在于所述A/D采样电路的采样率为160KHz。
具体地说，本实用新型一是将雷达的中频设定为标称中频21.4MHz，该中频下可使用价格低廉，性能优良的成品晶体滤波器；二是设计了不同于一般通信接收机的模拟前端结构，使其更适合高频段外部噪声较高、高频地波雷达收发共站的特点；三是设计严格控制初始相位的DDS频率合成技术，发射与本振信号均由DDS器件直接输出，大大简化了频率合成器；四是采用较低的采样率，使用一块数字信号处理芯片DSP即可完成数字下变频、FFT(快速傅立叶变换)及其它信号处理工作。这些措施都有利于提高雷达接收机性能指标并降低成本。
为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术措施1)采用一次混频，中频直接带通采样的结构；2)中频频率选用标称中频21.4MHz，中频滤波器选用中心频率标称值为21.4MHz的晶体滤波器；3)采用无高放的结构，带通滤波器与混频器直接连接，其间没有传统的高频放大器；4)使用100MHz以上时钟作为DDS的系统时钟，直接产生发射信号与本振信号。二路信号线性调频斜率相同，起始频率相差21.4MHz。每一线性调频周期的起始时刻，发射信号与本振信号的初始相位相同；5)采用14位ADC器件对每一模拟通道的中频信号进行带通采样，采样率在60～160KHz之间，采样信号送至DSP；7)DSP芯片完成滤波、数字下变频及FFT算法，数据经USB或其它总线传输给外部计算机作后处理。
本实用新型具有以下优点①使用标称中频21.4MHz作为中频频率，一是可以从市场直接采购性能优良的中频滤波器，无需专门定制；二是在较低中频条件下，可采用较低采样率，降低了数字下变频的负担，直接由DSP即可完成数字下变频工作，不需要额外的硬件数字下变频电路；②这种接收机只有一次混频，模拟器件少，非线性产物相应减少，系统线性度得到提高；③混频器前无高放，提高了接收机的动态范围；④采用100MHz～160MHz的时钟信号作为DDS器件的系统时钟，DDS器件可直接输出满足要求的本振频率，即频率合成器不需其它变频电路；⑤利用数字滤波器保证滤波器带宽与有用信号带宽的一致性，实现最佳滤波。
以下结合附图和系统工作过程对本实用新型进一步说明。
图1-本实用新型系统结构图；图1中，细实线表示的框图是接收机的硬件部分，粗实线是接收机的软件部分，其中A1-接收天线；A2-是发射天线；1-天线开关，在雷达发射机与接收机共站时，防止发射信号直接进入接收机；2-带通滤波器，带宽与雷达工作频率相适应；3-混频器；4-低噪声放大器；5-晶体滤波器，标称中心频率21.4MHz；6-放大器；7-晶体滤波器，标称中心频率21.4MHz；8-A/D转换器；9-I/Q信号分离算法；10-数字下变频；11-第-次FFT；12-第二次FFT；21-系统时钟；22-同步控制器；23-DDS器件，用于产生线性调频的本振信号；24-DDS器件，用于产生线性调频的发射信号；25-功率放大器。
图2是图1中模拟前端的电路图。
具体实施方式
参见图1，本实用新型的具体实施例中，高频地波雷达数字相干接收机它包括由1-7组成的射频模拟前端，A/D采样电路8，由23与24组成的频率合成器，同步控制器22及数字信号处理芯片DSP(9-12在其中进行)，射频模拟前端、A/D采样电路8、数字信号处理芯片DSP(进行9-12的工作的器件)依次电连接，频率合成器与射频模拟前端相连接，同步控制电路与频率合成器及射频模拟前端相连接其特征在于中频频率为标称中频21.4MHz。
图1对应的系统工作过程描述。
21是系统时钟，频率在100MHz～300MHz之间。23、24是完全相同的DDS芯片。24输出发射信号。23输出本振信号。本振信号与发射信号的线性调频斜率完全相同，但频率相差21.4MHz。24产生的发射信号经25放大至需要的强度，由发射天线A2向空中发射。所发射的电磁波与目标作用后，将产生反射或散射。
目标回波进入接收天线A1后，首先经过天线开关1。天线开关的作用是防止发射天线所发射的直达波进入接收机而堵塞接收机。因此发射机工作时，天线开关1应处于断开状态。天线开关1输出的信号中含有回波信号及外部干扰，通过带通滤波器2滤掉部分工作频带以往的干扰，以提高信号质量。
目标回波随之与本振信号(由23输出)分别同时作用于混频器3，两信号经混频后形成两个信号分量。频率较低的信号分量是以21.4MHz为载波、消除了调频斜率的信号，是我们所需要的信号。另一个频率较高，将被后续滤波器滤除。
混频器3输出的信号较弱，经低噪声放大器4放大后，经过第一个晶体滤波器5滤波，形成基带信号。该基带信号经放大器6进一步放大，送至第二个晶体滤波器7滤波。晶体滤波器7输出的基带信号被A/D转换器8带通采样，生成数字信号送至DSP处理。
本实用新型所采用的前端结构显著不同于传统短波接收机的地方是，本实用新型把传统接收机中混频器前的低噪声放大器置于混频器之后。好处是可以较大范围地提高系统的线性度，增加接收机的动态范围，代价是灵敏度指标略有下降。接收机对灵敏度指标的要求是，灵敏度应小于外部噪声。对于微波雷达而言，外部噪声电平很低，灵敏度指标要求相应就高。对高频地波雷达而言，外部噪声远高于机内噪声，过高的接收机灵敏度指标没有意义。本实用新型中，低噪声放大器后置虽然影响了接收机的灵敏度，但最后的灵敏度指标仍然比外部噪声低，不会影响接收机的总体性能指标。
本实用新型的频率合成器主要由二块DDS器件构成，二路信号线性调频斜率相同，起始频率相差21.4MHz。每一线性调频周期的起始时刻，发射信号(由24输出)与本振信号(由23输出)的初始相位相同。这一技术使得频率合成器一步到位，结构十分简单，同时又能保证信号的相干性。
本方案的数字接收机没有采用硬件数字下变频电路，直接由DSP完成数字下变频工作。A/D转换器的采样率按照带通采样的要求设计。高频地波雷达属于相干接收机，需要获取回波的相位信息，即采样信号须变为相互正交的基带I路和Q路信号。由DSP对采样信号通过数字处理(例如多相滤波)的部分实现基带I路和Q路信号的分离。
本实例中所用基准时钟源是120MHz有源晶体振荡器，经过时钟驱动电路后，作为DDS器件AD9854的系统时钟。在120MHz系统时钟条件下，AD9854输出信号最高频率可达48MHz。一路AD9854输出射频信号至发射机，另一路AD9854输出本振信号。在线性调频工作方式下，除起始频率控制字不同(本振信号与发射信号的起始频率相差21.4MHz)外，这两路DDS器件所有其它控制字应完全相同，以保证雷达相干性，以及中频输出信号的纯净度。在线性调频信号的起始期，通过强制复位，保证二路DDS器件输出的线性调频信号的初始相位均为0。
图2是一个中心工作频率11～15MHz的高频地波雷达接收机的模拟前端的一个电路图实例。图中虚线框左上角的数字对应图1中模块的数字。
图2中收发开关选用SA630D，收发隔离度＞70dB；带通滤波器为SBP-13，作用是抑制镜频和中频干扰。SBP-13的3dB带宽为4MHz，抑制40dB频率为10.5MHz和17.5MHz。对中频21.4MHz的抑制大于45dB，对镜频55.8MHz的抑制大于62dB，可满足抑制上述干扰的需要。为了提高动态范围，在本实例中，采用了高本振的混频器HAS-3H，本振工作电平为17dBm。由DDS输出的本振信号强度不足以直接驱动混频器HAS-3H，故在DDS输出的本振信号之后加入一个本振放大器RF2137。
为了保证一定的系统灵敏度，在混频器之后立即连接一个低噪声放大器GALI-5。为了保持通道稳定，一般不将多个放大器相连，否则会因增益太高，导致不稳定性。因此在第一个GALI-5之后接入中心频率为21.4M的晶体滤波器21.4MB4F。随后，信号AD603和GALI-5进一步放大，使其满足后续A/D采样的要求。另外放大器不是理想的线性器件，会产生谐波和交调干扰，在最后一级放大器之后放置一个滤波器，能够有效抑制放大器产生的谐波和交调干扰。使A/D采样的信号更加纯净。
需要特别说明的是，晶体滤波器21.4MB4F和21.4C3的输入输出阻抗为1.5KΩ/2pF，与50Ω相差很远，AD603的输出阻抗只有2Ω。晶体滤波器输入输出阻抗只有在匹配条件下才有最优的性能，因此，各级器件之间应仔细设计匹配电路。本实例中，我们采用结构简单的L网络阻抗变换来实现晶体滤波器的匹配。
据带通采样理论，在21.4MHz中频下，可采用160KHz的采样率进行A/D转换。利用多相滤波的办法，形成二路完整的I/Q信号，每路信号的数据率为80kHz。对每一路信号进行滤波和抽取，总的抽取率为256，使数据率降至312Hz。对每一线性调频期间的I路信号作为实部，Q路信号作为虚部，进行傅立叶变换，得到不同线性调频周期期间的距离回波信号，对特定距离元上的回波信号按先后顺序排列，作为傅立叶变换的输入信号，作傅立叶变换处理，即可得到该距离上回波信号的多普勒谱。
权利要求1.高频地波雷达数字相干接收机，它包括射频模拟前端、A/D采样电路、频率合成器、同步控制电路及数字信号处理芯片组成，射频模拟前端、A/D采样电路、数字信号处理芯片依次电连接，频率合成器与射频模拟前端相连接，同步控制电路与频率合成器及射频模拟前端相连接，其特征在于中频频率为标称中频21.4MHz。
2.如权利要求1所述的高频地波雷达数字相干接收机，其特征在于所述射频模拟前端由天线开关，带通滤波器，混频器，低噪声放大器，晶体滤波器，放大器，晶体滤波器依次电连接组成。
3.如权利要求1或2所述的高频地波雷达数字相干接收机，其特征在于所述频率合成器由两块完全相同型号的DDS芯片组成，输出二路斜率完全相同、起始频率相差21.4MHz的线性调频信号。
4.如权利要求3所述的高频地波雷达数字相干接收机，其特征在于所述频率合成器输出的线性调频信号，发射与本振线性调频信号的重复周期相同，在每一周期的起始时刻，发射信号与本振信号的初始相位归零。
5.如权利要求1或2或4所述的高频地波雷达数字相干接收机，其特征在于所述A/D采样电路的采样率为160KHz。
专利摘要高频地波雷达数字相干接收机，它包括射频模拟前端、A/D采样电路、频率合成器、同步控制电路及数字信号处理芯片组成，射频模拟前端、A/D采样电路、数字信号处理芯片依次电连接，频率合成器与射频模拟前端相连接，同步控制电路与频率合成器及射频模拟前端相连接，其特征在于中频频率为标称中频21.4MHz。具有性能稳定，结构简化，器件易求，系统线性度和动态范围都得到提高的优点。
文档编号G01S13/00GK2762154SQ20042005763
公开日2006年3月1日 申请日期2004年12月13日 优先权日2004年12月13日
发明者文必洋, 白立云, 吴世才, 张国军, 严颂华 申请人:武汉大学