CN109412628A - 一种x波段宽带多波束数字接收系统及其信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种X波段宽带多波束数字接收系统及其信号处理方法，所述多个射频前端用于对X波段射频信号进行限幅放大、滤波和幅相控制；所述多波束网络分别连接各个射频前端，将射频前端输出的射频信号进行合成，同时输出多个接收波束信号；所述多个X波段数字接收机分别连接多波束网络，对接收的多个波束信号进行功分、滤波、放大、直接数字化、数字下变频处理，并将基带数据传输至信号处理机；所述信号处理机连接各个X波段数字接收机，完成基带处理，并接收外部输入的控制指令，调整射频前端内部的衰减、移相码值，实现波束的加权。本发明使用多波束网络实现接收多波束，设备量大大减少，重量、成本大幅度降低，且工程可靠性大幅提升。

Description

一种X波段宽带多波束数字接收系统及其信号处理方法

技术领域

本发明涉及一种宽带多波束数据接收系统，尤其涉及的是一种X波段宽带多波束数字接收系统及其信号处理方法。

背景技术

为了适应复杂电磁环境条件下对多种电子信号的侦收需求，急需一种能够满足大瞬时带宽、宽空域覆盖等技术要求的阵列接收系统。宽带多波束数字接收系统可以同时形成多个接收波束，同时处理多个波束实现宽空域覆盖。因此，宽带多波束数字接收系统在电子侦收系统中得到广泛应用。

参考《相控阵雷达技术》(张光义、赵玉洁著，电子工业出版社)第7章和第8章的内容，常规的X波段宽带多波束接收系统实现方式可归纳为2种，第一、基于射频前端、合成网络及延时线等实现接收多波束，并对多波束输出信号进行混频、数字化处理；第二、基于射频前端、混频、数字化处理多个单元输入信号，在数字域实现接收多波束。

第一种方式的框图见图1，实现多波束的灵活性好，但合成网络和延时线的设计复杂，且延时线的成本很高；受限于ADC器件水平，需使用混频模块实现频谱搬移，元器件数量多、模块体积大、成本高。第二种方式的框图见图2，实现多波束的灵活性最好，但受限于ADC器件水平，需使用混频模块实现频谱搬移，元器件数量多、体积大、成本高；且在波束形成前必须保证多路数据的时延对齐，波束形成需要很大的运算量和很高的运算速度。

在实际操作过程中，常规的宽带多波束接收系统问题在于：1)实现接收多波束的代价大，第一种方式中系统的合成网络和延时线的设计复杂，且成本高；第二种方式中系统的定时及功耗问题突出；2)使用混频模块实现频谱搬移，元器件数量多、体积大、成本高，可靠性和稳定性也较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：现有设计过于复杂，元器件数目多成本高，提供了一种X波段宽带多波束数字接收系统及其信号处理方法。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明的一种X波段宽带多波束数字接收系统，包括多个射频前端、多波束网络、多个X波段数字接收机、信号处理机；

所述多个射频前端用于对X波段射频信号进行限幅放大、滤波和幅相控制；

所述多波束网络分别连接各个射频前端，将射频前端输出的射频信号进行合成，同时输出多个接收波束信号；

所述多个X波段数字接收机分别连接多波束网络，对接收的多个波束信号进行功分、滤波、放大、直接数字化、数字下变频处理，并将基带数据传输至信号处理机；

所述信号处理机连接各个X波段数字接收机，完成基带处理，并接收外部输入的控制指令，调整射频前端内部的衰减、移相码值，实现波束的加权。

所述射频前端包括依次连接的限幅器芯片、低噪声放大芯片LNA、多功能芯片、自动增益控制芯片AGC、放大器芯片、均衡器芯片；所述限幅器芯片对输入射频信号进行功率限制，保护后级电路；所述低噪声放大芯片用于对射频信号进行低噪声放大；所述多功能芯片用于对射频信号进行预选滤波、幅度和相位调节；所述自动增益控制芯片用于扩展系统动态；所述放大器芯片用于对各路信号功率放大；所述均衡器芯片用于改善射频前端的起伏。

作为本发明的优选方式之一，所述多波束网络对射频前端输出的信号进行合成，在方位向上同时输出多个波束信号。

作为本发明的优选方式之一，所述射频前端有16个，X波段数字接收机有16个。

所述射频前端通过第一射频电缆连接到多波束网络，所述多波束网络通过第二射频电缆将波束信号传输至各个X波段数字接收机，所述X波段数字接收机将基带数据通过光缆传输到信号处理机，所述信号处理机通过低频控制电缆连接射频前端。

所述X波段数字接收机包括功分器、滤波器、放大器、超宽带采样保持放大器、ADC、时钟管理和信号处理单元FPGA；所述功分器、滤波器、放大器、超宽带采样保持放大器、ADC和信号处理单元FPGA板依次连接，所述时钟管理分别连接超宽带采样保持放大器和ADC，所述功分器对射频输入信号进行功分；所述滤波器对功分后的射频信号分段滤波；所述放大器对分段后的射频信号进行放大调理；所述超宽带采样保持放大器和ADC实现X波段射频信号的直接数字化；所述时钟管理为超宽带采样保持放大器和ADC提供满足要求的采样时钟；所述信号处理单元完成采样数据的处理、数字下变频及数字滤波，并将数据传输至信号处理机。

所述超宽带采样保持放大器将X波段射频信号的频谱搬移到基带，ADC实现基带稳定信号的量化；选择合适的采样率使得分段后的射频信号在某一个奈奎斯特区域，且超宽带采样保持放大器和ADC工作于同一种采样率。

所述功分器、滤波器、放大器、超宽带采样保持放大器、ADC和时钟管理集成在射频板卡上，射频板卡设计为FMC子板；信号处理单元FPGA板设计为FMC母板；射频板卡与信号处理单元FPGA板通过FMC连接器互连，传输高速并行数据及监控信息。

一种如所述的X波段宽带多波束数字接收系统的信号处理方法，包括以下步骤：

(1)产生超宽带采样保持放大器、ADC和FPGA的工作时钟，保证各个工作时钟的相位相参；

(2)对X波段射频信号进行采样和量化，输出多路高速串行采集数据；

(3)通过FPGA调整高速串行采集数据的接收延时窗口，保证FPGA能够正确接收高速串行数据；

(4)1级1:16同步降速处理，将1路高速串行数据转换为16路高速并行数据；

(5)完成高速并行数据的实时数字下变频处理，包括数字混频和数字滤波，并将基带数据传输至信号处理机。

所述高速并行数据的实时数字下变频处理包括以下步骤：

(51)16路高速并行数据d0，d1，……d14，d15，分别与0°相位的数字本振信号进行乘法运算，得到基带数据dI0，dI1，……dI15，dI16；同时，16路高速并行数据d0，d1，……d14，d15，分别与90°相位的数字本振信号进行乘法运算，得到基带数据dQ0，dQ1，……dQ14，dQ15；

(52)设计N阶低通滤波器，对基带数据进行滤波，其中，N取16的整数倍；将dI0～dI15和dQ0～dQ15分别延时N/16+2个节拍，并将当前数据作为滤波器的输入；

(53)滤波后的基带数据再进行2倍的抽取，用于后续处理。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明使用多波束网络实现接收多波束，设备量大大减少，重量、成本大幅度降低，且工程可靠性大幅提升；采用X波段直接数字化技术，超宽带采样保持放大器替代了混频模块，显著削减了接收机的尺寸、重量、功耗与成本，提高了系统可靠性，便于系统更新、升级；X波段射频信号数字化后，在数字域实现滤波，明显改善相邻频段的干扰抑制。

附图说明

图1是现有技术中第一种方式的X波段宽带多波束接收系统的原理框图；

图2是现有技术中第二种方式的X波段宽带多波束接收系统的原理框图；

图3是本发明的原理框图；

图4是射频前端的原理框图；

图5是X波段数字接收机的原理框图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图3所示，本实施例包括16个射频前端1、16根第一射频电缆2、16根低频控制电缆3、1个多波束网络4、16个第二射频电缆5、16个X波段数字接收机6、16根光缆7和1个信号处理机8；

所述射频前端1通过第一射频电缆2连接到多波束网络4，用于对X波段射频信号进行限幅放大、滤波和幅相控制；

所述多波束网络4将射频前端1输出的射频信号进行合成，同时输出多个接收波束信号；

所述多个X波段数字接收机6通过第二射频电缆5分别连接多波束网络4，对接收的多个波束信号进行功分、滤波、放大、直接数字化、数字下变频处理，并将基带数据传输至信号处理机8；

所述信号处理机8通过光缆7连接各个X波段数字接收机6，完成基带处理，并接收外部输入的控制指令，信号处理机8通过低频控制电缆3连接射频前端1，调整射频前端1内部的衰减、移相码值，实现波束的加权。

本实施例中，第一射频电缆2和第二射频电缆5均为等相电缆。

如图4所示，所述射频前端1包括依次连接的限幅器芯片101、低噪声放大芯片LNA102、多功能芯片103、自动增益控制芯片AGC104、放大器芯片105、均衡器芯片106；所述限幅器芯片101对输入射频信号进行功率限制，保护后级电路；所述低噪声放大芯片LNA102用于对射频信号进行低噪声放大；所述多功能芯片103用于对射频信号进行预选滤波、幅度和相位调节；所述自动增益控制芯片AGC104用于扩展系统动态；所述放大器芯片105用于对各路信号功率放大；所述均衡器芯片106用于改善射频前端1的起伏。

所述多波束网络4基于透镜网络实现，对射频前端1输出的信号进行合成，在方位向上同时输出16个波束信号。

如图5所示，所述X波段数字接收机6包括功分器601、滤波器602、放大器603、超宽带采样保持放大器604、ADC605、时钟管理607和信号处理单元606FPGA板；所述功分器601、滤波器602、放大器603、超宽带采样保持放大器604、ADC605和信号处理单元606FPGA板依次连接，所述时钟管理607分别连接超宽带采样保持放大器604和ADC605，所述功分器601对射频输入信号进行功分；所述滤波器602对功分后的射频信号分段滤波；所述放大器603对分段后的射频信号进行放大调理；所述超宽带采样保持放大器604和ADC605实现X波段射频信号的直接数字化；所述时钟管理607为超宽带采样保持放大器604和ADC605提供满足要求的采样时钟；所述信号处理单元606完成采样数据的处理、数字下变频及数字滤波，并将数据传输至信号处理机8。

所述超宽带采样保持放大器604将X波段射频信号的频谱搬移到基带，ADC605实现基带稳定信号的量化；选择合适的采样率使得分段后的射频信号在某一个奈奎斯特区域，且超宽带采样保持放大器604和ADC605工作于同一种采样率。

所述功分器601、滤波器602、放大器603、超宽带采样保持放大器604、ADC605和时钟管理607集成在射频板卡上，射频板卡设计为FMC子板；信号处理单元606FPGA板设计为FMC母板；射频板卡与信号处理单元606FPGA板通过FMC连接器互连，传输高速并行数据及监控信息。

本实施例的信号处理方法，包括以下步骤：

(1)产生超宽带采样保持放大器604、ADC605和FPGA的工作时钟，保证各个工作时钟的相位相参；

(2)对X波段射频信号进行采样和量化，输出多路高速串行采集数据；

(3)通过FPGA调整高速串行采集数据的接收延时窗口，保证FPGA能够正确接收高速串行数据；

(4)1级1:16同步降速处理，将1路高速串行数据转换为16路高速并行数据；

(5)完成高速并行数据的实时数字下变频处理，包括数字混频和数字滤波，并将基带数据传输至信号处理机8。

所述高速并行数据的实时数字下变频处理包括以下步骤：

(51)16路高速并行数据d0，d1，……d14，d15，分别与0°相位的数字本振信号进行乘法运算，得到基带数据dI0，dI1，……dI15，dI16；同时，16路高速并行数据d0，d1，……d14，d15，分别与90°相位的数字本振信号进行乘法运算，得到基带数据dQ0，dQ1，……dQ14，dQ15；

(52)设计N阶低通滤波器602，对基带数据进行滤波，其中，N取16的整数倍；将dI0～dI15和dQ0～dQ15分别延时N/16+2个节拍，并将当前数据作为滤波器602的输入；

(53)滤波后的基带数据再进行2倍的抽取，用于后续处理。

本实施例提供的X波段宽带多波束数字接收系统，其工作频率范围为8GHz～12GHz，系统的频段划分和采样率设置见表1。采样率选择的主要原则是降低互调信号输出对系统动态范围的影响。系统工作时，可实现4GHz带宽的信号同时处理。系统能够同时实现16个波束的处理，覆盖90°的空域范围。

表1本实施例频段划分和采样率设置表

频段(GHz)	中心频率(GHz)	带宽(GHz)	采样率(GHz)	奈奎斯特区
					8～9	8.5	1	3.072	5
9～10	9.5	1	2.88	6
					10～11	10.5	1	2.8	7
11～12	11.5	1	3.072	7

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种X波段宽带多波束数字接收系统，其特征在于，包括多个射频前端、多波束网络、多个X波段数字接收机、信号处理机；

所述多个射频前端用于对X波段射频信号进行限幅放大、滤波和幅相控制；

所述多波束网络分别连接各个射频前端，将射频前端输出的射频信号进行合成，同时输出多个接收波束信号；

所述多个X波段数字接收机分别连接多波束网络，对接收的多个波束信号进行功分、滤波、放大、直接数字化、数字下变频处理，并将基带数据传输至信号处理机；

所述信号处理机连接各个X波段数字接收机，完成基带处理，并接收外部输入的控制指令，调整射频前端内部的衰减、移相码值，实现波束的加权。

2.根据权利要求1所述的一种X波段宽带多波束数字接收系统，其特征在于，所述射频前端包括依次连接的限幅器芯片、低噪声放大芯片LNA、多功能芯片、自动增益控制芯片AGC、放大器芯片、均衡器芯片；所述限幅器芯片对输入射频信号进行功率限制，保护后级电路；所述低噪声放大芯片用于对射频信号进行低噪声放大；所述多功能芯片用于对射频信号进行预选滤波、幅度和相位调节；所述自动增益控制芯片用于扩展系统动态；所述放大器芯片用于对各路信号功率放大；所述均衡器芯片用于改善射频前端的起伏。

3.根据权利要求1所述的一种X波段宽带多波束数字接收系统，其特征在于，所述多波束网络对射频前端输出的信号进行合成，在方位向上同时输出多个波束信号。

4.根据权利要求1所述的一种X波段宽带多波束数字接收系统，其特征在于，所述射频前端有16个，X波段数字接收机有16个。

5.根据权利要求4所述的一种X波段宽带多波束数字接收系统，其特征在于，所述射频前端通过第一射频电缆连接到多波束网络，所述多波束网络通过第二射频电缆将波束信号传输至各个X波段数字接收机，所述X波段数字接收机将基带数据通过光缆传输到信号处理机，所述信号处理机通过低频控制电缆连接射频前端。

6.根据权利要求1所述的一种X波段宽带多波束数字接收系统，其特征在于，所述X波段数字接收机包括功分器、滤波器、放大器、超宽带采样保持放大器、ADC、时钟管理和信号处理单元FPGA；所述功分器、滤波器、放大器、超宽带采样保持放大器、ADC和信号处理单元FPGA板依次连接，所述时钟管理分别连接超宽带采样保持放大器和ADC，所述功分器对射频输入信号进行功分；所述滤波器对功分后的射频信号分段滤波；所述放大器对分段后的射频信号进行放大调理；所述超宽带采样保持放大器和ADC实现X波段射频信号的直接数字化；所述时钟管理为超宽带采样保持放大器和ADC提供满足要求的采样时钟；所述信号处理单元完成采样数据的处理、数字下变频及数字滤波，并将数据传输至信号处理机。

7.根据权利要求6所述的一种X波段宽带多波束数字接收系统，其特征在于，所述超宽带采样保持放大器将X波段射频信号的频谱搬移到基带，ADC实现基带稳定信号的量化；选择合适的采样率使得分段后的射频信号在某一个奈奎斯特区域，且超宽带采样保持放大器和ADC工作于同一种采样率。

8.根据权利要求6所述的一种X波段宽带多波束数字接收系统，其特征在于，所述功分器、滤波器、放大器、超宽带采样保持放大器、ADC和时钟管理集成在射频板卡上，射频板卡设计为FMC子板；信号处理单元FPGA板设计为FMC母板；射频板卡与信号处理单元FPGA板通过FMC连接器互连，传输高速并行数据及监控信息。

9.一种如权利要求1～8任一项所述的X波段宽带多波束数字接收系统的信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)产生超宽带采样保持放大器、ADC和FPGA的工作时钟，保证各个工作时钟的相位相参；

(2)对X波段射频信号进行采样和量化，输出多路高速串行采集数据；

(3)通过FPGA调整高速串行采集数据的接收延时窗口，保证FPGA能够正确接收高速串行数据；

(4)1级1:16同步降速处理，将1路高速串行数据转换为16路高速并行数据；

(5)完成高速并行数据的实时数字下变频处理，包括数字混频和数字滤波，并将基带数据传输至信号处理机。

10.根据权利要求9所述的一种X波段宽带多波束数字接收系统的信号处理方法，其特征在于，所述高速并行数据的实时数字下变频处理包括以下步骤：

(51)16路高速并行数据d0，d1，……d14，d15，分别与0°相位的数字本振信号进行乘法运算，得到基带数据dI0，dI1，……dI15，dI16；同时，16路高速并行数据d0，d1，……d14，d15，分别与90°相位的数字本振信号进行乘法运算，得到基带数据dQ0，dQ1，……dQ14，dQ15；

(52)设计N阶低通滤波器，对基带数据进行滤波，其中，N取16的整数倍；将dI0～dI15和dQ0～dQ15分别延时N/16+2个节拍，并将当前数据作为滤波器的输入；

(53)滤波后的基带数据再进行2倍的抽取，用于后续处理。