CN108919246A - 一种超宽带一次变频多通道数字接收组件的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超宽带一次变频多通道数字接收组件的设计方法,组件由模拟接收模块和数字处理模块两部分组成。其中模拟接收模块对2n(n=1、2、3...)路接收信号处理后通过列向合成器合成一路射频信号,经过分段开关滤波器后通过一次混频滤波,实现了将6GHz带宽宽频率范围信号将频谱搬移到中频频率1~1.4GHz范围。数字处理模块将输入的高达400MHz带宽的中频信号,通过AD采样模数转换,采样后的信号直接送入FPGA中进行信号预处理。通过多相滤波信道化处理和幅相补偿后,生成2n‑1路数字中频信号。

Description

一种超宽带一次变频多通道数字接收组件的设计方法
技术领域
本发明属于相控阵雷达中数字接收组件的设计方法技术。
背景技术
数字阵列雷达是雷达的新兴技术领域。它是一种接收和发射都采用数字技术和数字波束形成技术的相控阵雷达。它利用天线阵列单元信号的全部信息,并采用先进的数字信号处理技术对阵列信号进行处理,获得更好更优良的合成波束,可更好地抗射频干扰和其他环境因素干扰,能很有效地检测弱目标信号并滤掉杂波,从而提高雷达的检测和跟踪能力。
T/R组件是相控阵雷达的核心部件。随着数字技术和集成电路技术的发展,数字T/R组件替代由移相器构成的模拟T/R组件,给相控阵雷达带来了更大的优势:既易于产生各种雷达波形,又易于实现波形和频率捷变,使合成波束的控制精度和扫描速度大大提高。数字T/R组件技术的研究成为相控阵雷达发展的一种必然趋势。由于宽带信号可以获得高的距离分别率,有助于目标识别,因此,数字接收组件的接收信号频率范围是其重要发展方向,宽带数字T/R组件研究已成为热点。宽带数字接收机又是组件中至关重要的组成部件,其性能直接关系到宽带数字阵T/R组件的质量,对宽带数字阵列雷达的整体性能起着重要的影响。所以,对宽带数字阵接收机技术的研究有着重要的意义。一般来说,相对带宽在10%左右的及以上被认为是宽带雷达,相对带宽在25%以上被称为超宽带雷达。对于现有的宽带数字接收组件,仍然大量采用二次变频、混频的方法来实现宽带内的射频信号降频到中频信号,使得系统复杂度大大增加,并且易导致谐波杂散、泄露等问题,降低了组件的性能指标。本发明采用了新颖的一次变频下变频方式以及新型的AD和FPGA实现了6GHz带宽的超宽带数字接收组件。
发明内容
本发明针对以上现有技术及产品存在的缺点,设计了一种超宽带一次变频的多通道接收组件。
实现本发明目的的技术解决方案为:一种多通道数字接收组件包括模拟接收模块和数字处理模块,实现了6GHz频率范围内超宽带射频信号接收。数字接收组件接收来自面阵天线单元的辐射源信号,进入到模拟接收模块中,经过频率预选、限幅、衰减、低噪声放大后,通过列向合成器将2n路信号合成一路射频信号,再经过衰减放大后功分为两路,一路作为预留的采集通道信号直接输出;另一路信号衰减放大后,经过分段混频滤波,将频谱搬移到中频频率;再输入到数字处理模块,通过AD采样模数转换,数字信道化处理,光电转换,形成数字中频信号由光纤送出数字R组件。
模拟接收模块由2n通道前端电路和变频电路两部分组成。天线接收的射频微弱信号经过预选滤波器滤波、限幅、数控衰减1和低噪声放大后,通过列向合成器将16路信号合成一路射频信号,再经过一个数控衰减2后均衡、放大,功分为两路,一路作为预留的采集通道信号放大后直接输出;另一路信号放大后,经过分段滤波后再放大、一次变频,将频谱搬移到中频频率1.2GHz,中频信号经过放大、滤波后输出给数字模块进行AD采样。使用了一组七路开关滤波器组对频率进行分选,将6GHz范围内的宽带信号按照镜频抑制需要划分为七段,滤波器1-7分别对应于频率f到f+1.2GHz,f+0.8到f+2GHz,f+1.6到f+2.8GHz,f+2.4-f+3.6GHz,f+3.2到f+4.4GHz,f+4到f+5.2GHz,再跟对应的频率为f+1.2到f+7.2GHz可调本振信号混频,其中f为射频信号的起始频率,实现了超宽带一次变频到中频。
数字处理模块可实现数字信号预处理及前端R组件的工作控制功能;工作时,模拟接收通道输出的400MHz带宽的中频信号进入到ADC进行射频采样,采样后的信号直接送入FPGA中进行信号预处理。通过多相滤波信道化处理,可以直接得到中频2n-1路基带IQ信号,通过两级幅相补偿,经光电转换送往DBF处理模块;对于前端R组件控制功能,FPGA通过读取来自综合控制模块的控制命令和主触发信号,按时序控制数字R组件的工作状态。
本发明的有益效果是:
(1)多通道超宽带接收组件采用开关滤波器一次变频方案设计,通过选择7路开关滤波器,实现了6GHz带宽的超宽带一次变频到中频的功能。
(2)多通道超宽带接收组件数字电路利用高速AD处理模块实现了瞬时带宽400MHz中频信号的模数转换,并使用FPGA实现了多相滤波信道化处理和幅相补偿。
附图说明
图1数字接收组件结构图;
图2模拟接收模块结构图;
图3数字处理模块结构图;
图4柔性印制板结构图。
具体实施方式
超宽带一次变频多通道数字接收组件的结构如图1所示,由模拟接收模块1和数字处理模块2两部分组成。模拟接收模块将接收到的微波信号,经过频率预选、限幅、衰减、低噪声放大后,通过列向合成器将2n路信号合成一路射频信号,再经过衰减放大后功分为两路,一路作为预留的采集通道信号直接输出;另一路信号衰减放大后,经过分段混频滤波,将频谱搬移到中频频率;再输入到数字处理模块,通过AD采样模数转换,数字信道化处理,光电转换,形成数字中频信号由光纤送出数字R组件。其中,模拟接收模块和数字处理模块之间通过柔性印制板(图4所示)连接起来实现控制信号和电源信号的传输,该方式可以保证接收组件整体的可靠性和小型化。
模拟接收模块1是整个接收组件的核心部件,它由多通道前端电路和变频电路两部分组成,具体结构图如图2所示。接收天线接收的射频微弱信号经过预选滤波器滤波、限幅、可控衰减1和低噪声放大后,通过列向合成器将16路信号合成一路射频信号,再经过一个数控衰减2后均衡、放大,功分为两路,一路作为预留的采集通道信号放大后直接输出;另一路信号放大后,经过分段滤波后再放大、一次变频,将频谱搬移到中频频率1.2GHz,中频信号经过放大、滤波后输出给数字模块进行AD采样。本方法中采用一次变频分段滤波设计来实现了6GHz宽频接收信号到中频信号的处理,通过分段滤波混频,实现镜频抑制和虚假电平抑制,以更少的成本有效简化链路结构,减少系统复杂度并切实提高电路可靠性。具体表现为,使用了一组七路开关滤波器组对频率进行分选,将6GHz带宽信号按照镜频抑制需要划分为七段f到f+1.2GHz,f+0.8到f+2GHz,f+1.6到f+2.8GHz,f+2.4-f+3.6GHz,f+3.2到f+4.4GHz,f+4到f+5.2GHz,由于中频带宽是400MHz,跳频间隔为10MHz,因此频段划分考虑了相邻滤波器之间带宽留有400MHz交叠带宽。经过开关滤波器组分选后所得信号与本振混频,对应的本振频率为f+1.2~f+7.2GHz,接收信号下变频至1.2GHz,带宽为400MHz,并通过中频滤波器滤除带外杂散。
组件数字接收电路的主要功能分为数字信号预处理及前端R组件的工作控制两部分,如图3所示。其中,ADC采用ANALOG DEVICE公司的AD9625芯片,其单通道最高采样率为2.5GHz,位数为12位,实际有效位数大于8位,能够覆盖接收支路400MHz带宽信号。
工作时,模拟接收通道将接收来自天线的微波信号,经下变频后送给ADC进行射频采样,采样后的信号直接送入FPGA中进行信号预处理。通过多相滤波信道化处理,可以直接得到中频2n-1路基带IQ信号,通过两级幅相补偿,经光电转换送往DBF处理模块;对于前端R组件控制功能,FPGA通过读取来自综合控制模块的控制命令和主触发信号,按时序控制数字R组件的工作状态。由于下行中频信号为1000MHz~1400MHz,瞬时覆盖400MHz,设计AD采样时钟为1.6GHz,外部输入时钟为100MHz,考虑到同步要求,采用时钟管理芯片HMC7044通过倍频得到1.6G采样时钟,FPGA芯片工作时钟为100MHz。设计中AD采样率高达1.6GHz,AD9625采用8-lane JESD204B协议将中频采样数据传输至FPGA,将中频数据截位分取即可得到2n路AD中频数据。将输出的2n路信号进行多项滤波处理,即可得到2n信道的基带I/Q数据(每个信道覆盖50MHz),完成信道化处理。FPGA电路的主要功能是:对ADC采集的400MHz宽带信号数据分取和多相滤波,通过2n-1路GTX(Gigabit Transceiver)将2n-1个通道的基带IQ信息经光电转换传给DBF处理模块;根据组件测试与面阵测试结果,存储两级幅相补偿系数,完成中频信号幅相校准功能;根据来自综合控制模块的控制信号和命令,对R组件的内部模块进行时序控制;控制数控衰减器实现STC功能;检测来自模块内部的状态信息,送给综合控制模块。

Claims (4)

1.一种超宽带一次变频多通道数字接收组件的设计方法,包括模拟接收模块和数字处理模块,其特征在于:接收来自面阵天线单元的辐射源信号,其频率覆盖范围在6GHz以上,在进入到模拟接收模块中,经过频率预选、限幅、衰减、低噪声放大后,通过列向合成器将2n路信号合成一路射频信号,其中n=1,2,3,4...;再经过衰减放大后功分为两路,一路作为预留的采集通道信号直接输出,另一路信号衰减放大后,经过分段混频滤波,实现一次变频到中频频率;生成的中频信号再输入到数字处理模块,通过AD采样模数转换,数字信道化处理,光电转换,形成数字中频信号由光纤送出数字R组件。
2.根据权利要求1所述的一种超宽带一次变频多通道数字接收组件的设计方法,其特征在于所述模拟接收模块由2n通道前端电路和变频电路两部分组成;天线接收的射频微弱信号经过预选滤波器滤波、限幅、数控衰减1和低噪声放大后,通过列向合成器将2n路信号合成一路射频信号,再经过一个数控衰减2后均衡、放大,功分为两路,一路作为预留的采集通道信号放大后直接输出;另一路信号放大后,经过分段滤波后再放大、一次变频,将频谱搬移到中频频率1~1.4GHz,中频信号经过放大、滤波后输出给数字模块进行AD采样;其中使用了一组七路开关滤波器组对频率进行预分选,将6GHz范围内的信号按照镜频抑制需要划分为七段f到f+1.2GHz,f+0.8到f+2GHz,f+1.6到f+2.8GHz,f+2.4-f+3.6GHz,f+3.2到f+4.4GHz,f+4到f+5.2GHz,并与对应的f+1.2到f+7.2GHz可调本振信号混频,实现了400MHz带宽的中频信号输出。
3.根据权利要求1所述的一种超宽带一次变频多通道数字接收组件的设计方法,其特征在于所述数字处理模块实现数字信号预处理及前端R组件的工作控制功能:工作时,模拟接收通道输出的高达400MHz带宽中频信号进入到ADC进行射频采样,采样后的信号直接送入FPGA中进行信号预处理;通过多相滤波信道化处理,可以直接得到中频2n-1路基带IQ信号,通过两级幅相补偿,经光电转换送往DBF信号处理模块;对于前端R组件控制功能,FPGA通过读取来自综合控制模块的控制命令和主触发信号,按时序控制数字R组件的工作状态。
4.根据权利要求1所述的一种超宽带一次变频多通道数字接收组件的设计方法,其特征在于所述模拟接收模块和数字处理模块之间通过柔性印制板连接来实现控制信号传输和电源连接。
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