CN108983237A - 一种星载Ka波段SAR多通道数字接收机 - Google Patents

一种星载Ka波段SAR多通道数字接收机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种星载Ka波段SAR多通道数字接收机，实现了5路模拟信号的数据采集，最高采样速率可达500Mhz,有效位达到8位，通过对通道间幅相不一致进行补偿，通道相位一致性达到20ps,完成直接数字下变频、I/Q解调、BAQ压缩处理，满足后续成像的需要，并考虑了航天器可靠性安全性设计，满足航天器的应用。

Description

一种星载Ka波段SAR多通道数字接收机
技术领域
本发明属于SAR雷达技术领域，具体涉及一种星载Ka波段SAR多通道数字接收机。
背景技术
随着空间技术的发展,各国空间探测的竞争日趋激烈，星载合成孔径雷达(SAR)可不受天气环境、气候等的影响，可全天候高分辨率高宽幅进行对地观测，已经成为目前卫星主载荷的重要研究方向之一。数字接收机在星载Ka波段SAR系统中完成对模拟信号的采集和通道一致性误差提取补偿、数据正交解调BAQ压缩等功能，其性能指标影响着整个雷达系统的成像指标。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种星载Ka波段SAR多通道数字接收机，可快速完成数据采集及传输，并具有较高的可靠性。
一种星载Ka波段SAR多通道数字接收机，包括AD采集模块、时钟模块、数据传输模块以及FPGA数据处理模块；
所述AD采集模块对SAR接收的五路模拟信号进行同步AD采集，并缓存原始数据；
所述时钟模块为AD采集模块提供统一的采样时钟；
所述FPGA数据处理模块包括五路数据处理单元，均包括数字下变频模块和BAQ压缩模块；其中第一路数据处理单元还包括定标模块；另外四路数据处理单元还包括补偿模块；五路所述数字下变频模块一一对应接收五路原始数据，并分别对原始数据进行下变频、抽取以及滤波处理；
第一路中所述定标模块接收所在数据处理单元的数字下变频模块处理后的原始数据，对其依次进行傅里叶变换和坐标旋转数字计算处理后，得到第一路原始数据的相位和峰值；
其它四路中各个所述补偿模块对从本路数字下变频模块处理后的原始数据依次进行傅里叶变换和坐标旋转数字计算处理后，得到本路原始数据的相位和峰值；将本路原始数据的相位和第一路的相位进行相减，得到相位差值；将本路原始数据的峰值和第一路的峰值相除，得到峰值之商；将相位差值进行逆坐标旋转数字计算处理，得到余弦值和正弦值，再与幅值之商作相乘，以得到实部和虚部的补偿系数；将下变频后数据与补偿系数作复乘，输入到BAQ压缩模块；
第一路数据处理单元中的BAQ模块对数字下变频模块处理后的原始数据进行压缩处理；
其它四路数据处理单元中的BAQ模块对复乘补偿系数的下变频数据进行压缩处理；
所述数据传输模块通过五路TLK2711接口与SAR的实时成像单元一对一连接，五路压缩数据与从接收监控定时单元接收的辅助数据一起组帧打包分别传给SAR的实时成像单元。
较佳的，所述数字下变频模块在对原始数据进行混频前，先进行滤波器处理。
较佳的，所述数字下变频模块在对数据进行抽取前，首先进行抽取滤波处理，滤除混频后的高频分量和高频杂散信号；同时按照32抽1比率对数据抽取。
本发明具有如下有益效果：
本发明的多通道数字接收机实现了5路模拟信号的数据采集，最高采样速率可达500Mhz,有效位达到8位，通过对通道间幅相不一致进行补偿，通道相位一致性达到20ps,完成直接数字下变频、I/Q解调、BAQ压缩处理，满足后续成像的需要，并考虑了航天器可靠性安全性设计，满足航天器的应用。
附图说明
图1为本发明的多通道数字接收机功能框图；
图2多通道数字接收机多路AD采集电路结构图；
图3多通道数字接收机时钟电路框图；
图4多通道数字接收机高数数据传输电路；
图5 FPGA数据处理模块功能框图；
图6通道间幅相一致性补偿模块功能框图；
图7数字下变频(DDC)模块功能框图；
图8 BAQ压缩模块功能框图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种星载Ka波段SAR多通道数字接收机，多通道数字接收机主要功能是接收外部的监控定时单元的采样命令，根据外部频综提供的基准时钟，完成来对模拟接收机输出的5路模拟信号的采集，对数据进行通道一致性误差提取补偿、直接数字下变频、I/Q解调、BAQ压缩，将压缩的数据发送给数传分系统进行对地下传，并将原始数据发送给实时成像单元进行成像处理。
如图1所示，本发明的数字接收机数字接收机由4个功能模块组成，分别是多路高速AD采集模块、时钟模块、高速数据传输模块和基于XC7VX485T 2FFG1761I FPGA的FPGA数据处理模块。
输入中频回波信号中心频率为200MHz，输入信号电平为-0.5dBm，输入信号带宽为26～28MHz，为保证信号可以被完全恢复，根据奈奎斯特带通信号采样定理:取n＝2，则Fs＝160Mhz，且大于2倍信号带宽。
为实现上述信号的采集，AD转换器选用ADS5463-SP，是TI公司一款V级高速ADC，专门应用于测试测量设备、软件无线电、数据获取设备、通信设备以及雷达,采样速率为500MHz,12位量化，有效位为10位。如图2所示。
高速ADC对于采样时钟的性能要求十分严格，时钟的抖动增加将会制约ADC信噪比的提高，同一个时钟扇出后提供给5路ADC电路，可以有效地提高ADC的相位一致性。为实现ADC的最佳功能，ADC的时钟输入必须采用差分时钟，时钟电路采用AD公司生产的ADCLK954，该芯片为高性能时钟扇出缓冲器和抖动消除器，由外部时钟提供本振信号，可以产生0～4800MHz的时钟信号，输出信号为差分LVPECL接口，该时钟芯片支持两路参考时钟输入，其参考时钟可以由板上的晶振产生，也可以由外部时钟提供。如图3所示。
为实现对地观测数据快速下传，设计高速数据传输模块，数字接收机高速数据传输模块通过高速总线与实时成像单元采用一对一连接，进行高速数据的交互传输。通信芯片采用TI公司的宇航级高速套片TLK2711，采用交流耦合方式连接，其串行收发速率可达1.6Gbps～2.7Gbps,采用8b/10b信道编码，用户接口为16bits设计的单片有效带宽为2Gbps；
数字接收机与实时成像单元需要传输的有效码速率为4Gbps，因此需要五组高速数传通信来完成数据传输。如图4所示。
FPGA数据处理模块位于数字接收机中，用于控制高速ADC模块进行模数转换，并对采集到的信息进行数字下变频、定标补偿、BAQ压缩等处理，最后将生成的数据与从接收监控定时单元接收的轨道和时间等辅助数据一起组帧打包以TLK2711协议传给实时成像单元。
如图5所示，设计上采用5路数字信号的调理、采集采用相同型号，相同批次的元器件，从而从器件级保证采集的幅值的一致性；在印制线布线时，5路信号采用等长布线，保证每路信号在印制线上的衰减相同，5路AD使用一个时钟扇出芯片提供采样时钟，可以有效地提高ADC的相位一致性。纵使采用以上方法，还存在由于工艺设计差异等原因而产生的通道间信号幅度和相位差异，通道间幅相一致性补偿使各通道信号达到误差一致性。
本模块包括8192点的FFT模块、CORDIC模块、除法器、复乘模块等子模块。在定标模式下，通道接收来自DDC处理后的信号，并做8192点的FFT处理。若经过32抽1的DDC模块之后定标数据不足8192，则对输入FFT核的数据补0。之后调用CORDIC求出频域的幅度值和相位值，迭代查找出此通道的最大幅值和相位，作为此通道的既有幅值和相位。
以第1通道的幅值和相位为参考，分别与第2、3、4、5通道作幅值相除和相位相减。将相位相减的结果进行逆CORDIC(坐标旋转数字计算方法，Coordinate Rotation DigitalComputer)运算，产生cos和sin，再与幅值之商作相乘，以得到实部和虚部的补偿系数。定标数据会发送32次，将所有产生的补偿系数求平均，以作为此通道的最终补偿系数，并输出给打包数据。如图6所示。
在业务模式下，第2、3、4、5通道将下变频后数据与补偿系数作复乘，再向后传输。第1通道只缓存一个周期，直接后传。
数字下变频(DDC)模块是由混频模块、抽取滤波模块、FIR滤波模块等子模块组成。其中混频模块的功能是将中频信号正交解调模块解调成IQ两路的基带数据；抽取滤波器是为了滤除混频后的高频分量和高频杂散信号，防止频谱混叠，同时按照32抽1比率对数据抽取，降低数据量；FIR滤波器是为了降低由于半带滤波器过渡带比较大，导致带外衰减比较低，影响通带信号指标。
中频信号中心频率是200Mhz，采样频率是160Mhz，经过AD采样之后的中频信号中心频率搬移到40Mhz，同时由于AD采集后中心频率和采样频率满足fc/fs＝1/4关系，故可以直接利用fs/4混频来实现中频到基带的转换。而fs/4混频在I Q实现过程中混频因子为：10 -1 0及0 -1 0 1，故不需要采用DDS产生cos及sin信号，减少系统设计复杂度及芯片占用资源，同时减小因DDS产生sin及cos信号数字化所带来的量化误差。
数字下变频模块需实现32比1抽取。为使抽取系数可配，在算法实现中，原始数据需先经过一个FIR滤波器。再混频，分离实部虚部。如图7所示，之后经过1个半带滤波器，使得采样点数先抽取2分之1。最后，单独一个抽取模块，经外界配置，实现设计所需的抽取比例。
混频模块的实部I数据由输入数据经由混频因子[1 0 -1 0]产生，即第1个数据为其本身，第3个数据为其补码，第2、4数据为0，循环往复。虚部I数据由输入数据经由混频因子[0 -1 0 1]产生，即第1、3数据为0，第2个数据为其补码，第4个数据为其本身，循环往复。
BAQ压缩模块将1路输入的I或者Q数据按8:4压缩处理。块大小512个采样点，每512个求平均值，所求7bit值作为查找表地址高7位，绝对值进入缓存阵列后，所得7bit值作为查找表低7bit地址，组成14bit查找表地址。查找表大小，地址：14bit宽，数据8bit宽。输出3bit数据和符号位的缓存输出组成输出数据。如图8所示。
BAQ过程实现上，首先将输入的数据进行符号位与数据位分离，根据符号位求出每个数据的绝对值，将输入的数据进行分块处理，统计每块数据的幅度，即将每块数据的绝对值送入块累加器阵列进行绝对值累加，求取块累加器阵列数据的均值，量化编码存储量化编码值在ROM中(可减少FPGA资源量，编程复杂度，提高处理速度)位拼接，将原始数据符号位与查询编码表的输出位进行拼接，得到最终压缩后的数据。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种星载Ka波段SAR多通道数字接收机，其特征在于，包括AD采集模块、时钟模块、数据传输模块以及FPGA数据处理模块；
所述AD采集模块对SAR接收的五路模拟信号进行同步AD采集，并缓存原始数据；
所述时钟模块为AD采集模块提供统一的采样时钟；
所述FPGA数据处理模块包括五路数据处理单元，均包括数字下变频模块和BAQ压缩模块；其中第一路数据处理单元还包括定标模块；另外四路数据处理单元还包括补偿模块；五路所述数字下变频模块一一对应接收五路原始数据，并分别对原始数据进行下变频、抽取以及滤波处理；
第一路中所述定标模块接收所在数据处理单元的数字下变频模块处理后的原始数据，对其依次进行傅里叶变换和坐标旋转数字计算处理后，得到第一路原始数据的相位和峰值；
其它四路中各个所述补偿模块对从本路数字下变频模块处理后的原始数据依次进行傅里叶变换和坐标旋转数字计算处理后，得到本路原始数据的相位和峰值；将本路原始数据的相位和第一路的相位进行相减，得到相位差值；将本路原始数据的峰值和第一路的峰值相除，得到峰值之商；将相位差值进行逆坐标旋转数字计算处理，得到余弦值和正弦值，再与幅值之商作相乘，以得到实部和虚部的补偿系数；将下变频后数据与补偿系数作复乘，输入到BAQ压缩模块；
第一路数据处理单元中的BAQ模块对数字下变频模块处理后的原始数据进行压缩处理；
其它四路数据处理单元中的BAQ模块对复乘补偿系数的下变频数据进行压缩处理；
所述数据传输模块通过五路TLK2711接口与SAR的实时成像单元一对一连接，五路压缩数据与从接收监控定时单元接收的辅助数据一起组帧打包分别传给SAR的实时成像单元。
2.如权利要求1所述的一种星载Ka波段SAR多通道数字接收机，其特征在于，所述数字下变频模块在对原始数据进行混频前，先进行滤波器处理。
3.如权利要求1所述的一种星载Ka波段SAR多通道数字接收机，其特征在于，所述数字下变频模块在对数据进行抽取前，首先进行抽取滤波处理，滤除混频后的高频分量和高频杂散信号；同时按照32抽1比率对数据抽取。
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