CN109412628B - 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
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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
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,其中,直接数字化通过X波段数字接收机中的超宽带采样保持放大器与ADC实现;
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。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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