CN110086488A - 雷达通信一体化共用构建模块架构超外差接收机设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种雷达通信一体化共用构建模块架构超外差接收机设计方法，旨在提供一种快速、高效的多用途接收整机设计方法。本发明通过下述技术方案予以实现：根据超外差体制，首先规划出射频前端模块、雷达中频模块、通信中频模块、电源模块、控制模块、频率源模块六种共用构建模块；其次针对六种共用构建模块的电路原理，系列化共用构建模块系列产品库；再进行超外差雷达‑通信一体接收整机设计，在雷达‑通信一体超外差接收机的设计中，结合技术指标要求，根据已有共用构建模块产品系列，分别选相应的共用构建模块进行组合，完成雷达通信一体化接收超外差整机的实现。

Description

雷达通信一体化共用构建模块架构超外差接收机设计方法

技术领域

本发明涉及一种雷达通信一体化共用构建模块架构超外差接收机设计方法，特别涉及在快速构建电子综合化构架下的雷达与通信一体的侦收系统的应用。

背景技术

由于现代电磁环境频谱密度大、信号带宽大和频谱样式复杂，对信号接收系统提出了越来越高的要求。接收机种类很多，各类接收机的特点决定其应用场合。常见的接收机类型有超外差类接收机、信道化架构接收机、零中频接收机等。其中信道化接收机由于其体积大、功耗高、成本难以控制等因素制约；零中频接收机虽然原理结构简单，但目前受到核心器件性能有限的制约，比如高频高速大动态AD还不能达到理想的使用状态。宽带超外差射频接收机与信道化接收系统相比，具有体积小，重量轻、功耗低等特点，与射频数字化接收系统相比频段宽。超外差式接收机由于其具有灵敏度高、选择性好和抗干扰能力强等特点，几乎成为现代雷达、通信系统的必选。然而根据雷达、通信系统的用途和体制不同接收机的分类和组成形式各种各样。比较典型的有：单通道接收机、双通道接收机、单脉冲雷达接收机、三坐标雷达接收机、堆集波束雷达接收机、相控阵雷达接收机、机载预警雷达接收机、机载成像雷达接收机和气象雷达接收机等。接收机的主要指标分别为：灵敏度、噪声系数、工作频带宽度、滤波特性、动态范围和增益等。灵敏度表示接收机接收微弱信号的能力；接收机的工作频段宽度表示接收机的瞬时工作频率范围；动态范围表示接收机工作时所容许的输入信号强度变化范围；接收机的增益表示对回波信号的放大能力。数字雷达/通信接收机、模块化雷达/通信接收机和软件雷达/通信接收机是现代雷达接收机的重要发展方向。数字式雷达/通信接收机是近年来发展很快的雷达/通信接收机技术。特别是高性能A/D变换器和数字直接频率合成器的发展以及高速、超高速数字信号处理芯片的大量使用，为数字式雷达/通信接收机提供了可靠的硬件基础。在宽带中频带通采样数字化结构的理论下，雷达/通信系统一般都采用超外差式接收机。

超外差式接收机是超外差电路的典型应用。超外差接收机体制是现代雷达接收机的主要构成体制。超外差接收机主要由带通滤波器、低噪声放大器、混频器、中频放大器等元件组成。随着接收系统需求不断增加，超外差接收机不仅在结构上日益复杂，指标多，数据要求精确，而且在性能指标上必须适应信号环境的要求，要求接收机具有近实时的响应和很宽的瞬时带宽。性能上难以满足现代电子技术的要求。虽然数字中频接收机技术现已成熟，但对现代雷达苛刻的指标要求使数字接收机的技术不断地提高，接收机不断的全新发展，不同体制的不兼容带来的极大不便性，新品研制任务变的非常复杂而艰巨，使得研制周期不能适应用户研制周期要求，并且新品研制耗费大量人力，重复开发严重，通信接收机与雷达接收机分开设计与开发没有统型设计，研制成本居高不下。瞬时带宽的确定与输入信号环境以及接收机后面的信号处理机的能力等因素有关，目前并没有一个最佳带宽的确定准则。接收机由于受模拟制式的限制，难以达到较高的处理精度和分辨率，同时这些系统是基于硬件的，一经制作完成，难以作更多的改变，因此，不容易设计成具有自适应能力。随着超高集成电路和超大规模集成电路的迅速发展，数字化接收机已在雷达、电子站和通信接收机中普遍使用。面临被不断提高的电子技术、无线电干扰射频传感器结构模块化程度低、重量体积功耗大和反辐射的破坏，成本高、可靠性差、改进困难,难以适应未来的信雷达系统所广泛采用的自适应置零、低副瓣等要求。设计一种能够快速响应接收系统的研制要求，以最少的人力资源、最快的研制周期、最少的产品类型完成不同项目的超外差接收机设计方法具有重大的现实意义。雷达通信系统在原理上都是通过电磁波的发射和接收过程实现各自不同的功能，在频段、天线、发射机、接收机、信号处理器均会出现重叠，那么在重叠的部分进行一定程度的共享，雷达和通信可以通过时分的方式来利用发射/接收系统。通信也可以共享雷达的天线，利用雷达天线的方向性提高通信的保密性，但由于受到雷达天线频段和带宽的限制，需要合理选择通信的上行和下行频率。随着有源相控阵雷达的广泛应用，雷达与干扰不仅可以在硬件上共享，还可以在信号上共享。有源相控阵雷达可以分出若干发射/接收组件在某个频率范围内产生较大功率的干扰波束而不影响雷达的基本任务。

发明内容

本发明的目的是针对超外差接收机特有的工作模式，提供一种雷达通信一体化共用构建模块架构超外差接收机设计方法，此方法能够简化超外差接收机整机设计难度、节约设计成本、减少重复开发，缩短研制周期、便于整机测试、维修、可实现雷达-通信一体同时接收等优点。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种雷达通信一体化共用构建模块架构超外差接收机设计方法，具有如下技术特征：根据超外差体制，首先规划出射频前端模块、雷达中频模块、通信中频模块、电源模块、控制模块、频率源模块六种共用构建模块；其次针对六种共用构建模块的电路原理，进行系列化研制与生产，形成共用构建模块系列产品库；再进行超外差雷达-通信一体接收整机设计，在雷达-通信一体超外差接收机的设计中，结合技术指标要求，根据已有共用构建模块产品系列，分别选用射频前端模块、雷达中频模块、通信中频模块、频率源模块、电源模块、控制模块中相应的共用构建模块进行组合，完成雷达通信一体化接收超外差整机的实现。

本发明的有益效果在于，

本发明首先确定分别为，射频前端模块、雷达中频模块、通信中频模块、电源模块、控制模块、频率源模块的六种共用构建模块，然后围绕这六种基础模块进行系列化开发形成基础构建模块库，最后根据不同项目的具体要求，从六种产品库内选取合适的模块进行组合，即可完成基于共用构建模块架构的通信雷达一体超外差接收机设计。这种通过设计几种共用构建模块，对共用构建模块进行系列开发，再通过不同模块拼接的方式实现超外差雷达通信一体接收整机设计的方法的优点是：可以简化整机设计难度、节约设计成本、减少重复开发，缩短研制周期、便于整机测试、维修、可实现雷达通信一体同时接收等。可以通过一种接收机来同时实现对雷达信号与通信信号的同时侦收。

本发明采用同时具有可操作性强特点的射频前端模块、雷达中频模块、通信中频模块、电源模块、控制模块、频率源模块六种共用构建模块，只要设计出这六种共用构建模块，进行各自的系列开发，就能满足超外差雷达通信一体接收整机的设计要求，且后期产品迭代升级、产品质量提高也具有很强的便利性。试验结果表明：雷达与通信模式均能正常工作, 实测数据率与设计值相当,语音和图片传输快速、流畅。相较于常规的超外差接收机设计方法，不仅可以使用共用构建模块架构实现接收机的设计方案，而且可以实现雷达-通信一体接同时接收。同时还具有，缩短了研制周期、降低了研制成本、避免了同类型产品的重复开发等优点。

附图说明

为了进一步说明而不是限制本发明的上述实现方式，下面结合附图举例说明，从而使本发明的细节和优点变得更为明显。

图1是本发明雷达通信一体化共用构建模块架构超外差接收机设计流程示意图。

图2是图1雷达-通信共用构建模块架构的超外差接收机电路原理示意图。

图3是图1频率源模块电路原理示意图。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，根据超外差体制，首先规划出射频前端模块、雷达中频模块、通信中频模块、电源模块、控制模块、频率源模块六种共用构建模块；其次针对六种共用构建模块的电路原理，进行系列化研制与生产，然后围绕这六种基础模块进行系列化开发形成基础构建模块库，基于共用构建模块架构形成射频前端模块库、雷达中频模块库、通信中频模块库、电源模块库、控制模块库、频率源模块库的共用构建模块系列产品库；射频前端模块库包含射频前端模块1、射频前端模块2…射频前端模块N；雷达中频模块库包含雷达中频模块1、雷达中频模块2、…雷达中频模块N；通信中频模块1、通信中频模块2…通信中频模块N；电源模块库包含电源模块1、电源模块2…电源模块N；控制模块库包含控制模块1、控制模块2、…控制模块N；频率源模块库包含频率源模块1、频率源模块2…频率源模块N。再进行超外差雷达-通信一体接收整机设计，在雷达-通信一体超外差接收机的设计中，结合技术指标要求，根据已有共用构建模块产品系列，分别选用射频前端模块、雷达中频模块、通信中频模块、频率源模块、电源模块、控制模块中相应的共用构建模块进行组合，完成雷达通信一体化接收超外差整机的实现。

所述射频前端模块的系列开发为按照不同的预选滤波器的覆盖频段、链路增益以及一中与二中频的选择进行开发形成系列产品库；所述雷达中频模块的系列开发为按照不同的雷达信号中频频率，中频带宽以及中频增益进行开发形成系列产品库；所述通信中频模块的系列开发为按照不同的通信信号中频频率，中频带宽以及中频增益进行开发形成系列产品库；所述电源模块的系列开发为按照不同的电源输出功耗、电压路数、效率、AC-DC或者DC- DC因素进行开发形成系列产品库；所述控制模块的系列开发为按照不同的控制TTL路数、遥测上报功能要求、总线协议因素进行开发形成系列产品库；所述频率源模块的系列开发为按照不同的频率工作流程、输出本振源路数、相位噪声、杂散、幅度、步径因素进行开发形成系列产品库。

参阅图2。雷达-通信共用构建模块架构的超外差接收机电路原理示意图(实际开发的射频前端模块不限于示例的设计情况)。射频前端模块包括预选电路与一次和二次变频信道电路，其中，预选电路主要包含开关、并联在信号输入开关和信号输出开关之间的若干个频率预选滤波器，低噪声放大器、开关、一混频器、一中滤波器、一中放大器、二混频器、二中放大器、二中滤波器等器件。雷达中频模块包括顺次串联的第一低通滤波器、第一放大器、第一小步进数控衰减器、第一单刀N掷开关和并联在第一单刀N掷开关与第二单刀N 掷开关之间的雷达中频滤波器1、雷达中频滤波器2…雷达中频滤波器n，以及通过第二单刀N掷开关输出端顺次串联的第一末级放大器和限频器。通信中频模块包括顺次串联的第二低通滤波器、三混频器、第二放大器，第二小步进数控衰减器、第三单刀N掷开关和并联在第三单刀N掷开关与第四单刀N掷开关之间的通信中频滤波器1、通信中频滤波器2…通信中频滤波器n，以及通过第四单刀N掷开关输出端顺次串联的第二末级放大器和限频器。电源模块可以是接收外部输入交流或者直流电压的AC-DC或者DC-DC电路，该电路通过低频连接线给其它六种模块提供相应的电源电压。频率源模块包括并联一本振、二本振、三本振以及频率源的参考源，其中一本振、二本振分别连接射频前端模块中的一混频器、二混频器，三本振连接通信中频模块中的上三混频器。射频前端模块中的后端输出功分器端口分别连接雷达中频模块输入端的第一低通滤波和通信中频模块输入端的第二低通滤波。控制模块包括串联控制模块参考源电路以及控制模块电路，控制模块电路通过CAN通信接口(不同的项目可以有不同的总线接口)与外部进行通信，控制模块通过低频连接线与射频前端模块、雷达中频模块、通信中频模块、电源模块、频率源模块进行连接，实现对射频前端模块、雷达中频模块、通信中频模块、电源模块、频率源模块模块的控制以及接收这六种模块上报的温度、电压等状态信息。

在射频前端模块链路设计过程中，部分设计细节需要特别说明，在预选滤波器在设计中要考虑预选滤波器间的频率交叠，防止由于设计不当，造成宽带信号在接收机前端被抑制，导致信号接收不完整；在抗烧毁设计中不仅仅只考虑接收机前端的限幅器设计，由于链路的放大器饱和输出电平也很高，设计不当会造成链路内部的其他器件烧毁的现象，因此还要把整个信道链路拉通了来逐级计算抗烧毁电平；在链路中镜频设计中，如果预选滤波器的指标达不到要求，就需要在预选滤波器后端加上镜频抑制滤波器才能有效的达到预期效果。所述射频前端模块的系列开发为按照不同的预选滤波器的覆盖频段、链路增益以及一中与二中频的选择进行开发，形成系列产品库。

在雷达中频模块链路设计过程中，部分设计细节需要特别说明，在设计雷达中频滤波器组要在滤波器电路之间预留调节幅度的位置，这样才能保证不同滤波器之间的增益一致性；与输出限幅器连接的末级放大器的线性度应尽量高，这样才能保证整个接收机的线性度。所述雷达中频模块的系列开发为按照不同的雷达信号中频频率，中频带宽以及中频增益进行开发，形成系列产品库。

在通信中频模块链路设计过程中，部分设计细节需要特别说明，通信中频模块包含有混频变频电路，而且要求与其对应频率源模块末级本振是跳频源电路，跳频源的步进和频率根据对应的项目要求进行设定，这样就能实现同一时刻既可以侦收雷达信号也可以通过末级本振源扫频来对通信信号无丢失侦收，实现一种接收机实现通信雷达信号同时接收的目的。所述通信中频模块的系列开发为按照不同的通信信号中频频率，中频带宽以及中频增益进行开发，形成系列产品库。

参阅图3。(实际开发的频率源模块不限于示例的设计情况)。频率源模块主要有参考电路与三个本振源电路组成，频率源模块的硬件电路构建主要由参考源输出到放大器后串联衰减器后再串联一分三功分器，一分三功分器的输出端形成三个支路并联在功分器的三个端口，三个支路各串联一级衰减器，支路一上的衰减器串联由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、分频器构成的锁相环电路1与滤波器、放大器、滤波器构成的一本振电路，支路二上的衰减器串联由由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、分频器构成的锁相环电路2与滤波器、放大器、滤波器构成的二本振电路，支路三上的衰减器串联由由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、分频器构成的锁相环电路3与直接数字频率合成器DDS、滤波器、放大器、滤波器构成的三本振电路。在频率源模块链路设计过程中，部分设计细节需要特别说明，VCO 输出频率范围要与鉴相器输入相匹配，否则会出现失锁现象，供电电路一定要进行二次稳压处理，不但可以起到稳定电源，而且可以减小电源带来的干扰，DDS由于功耗相对较大，再设计时要采取相应的散热设计。频率源模块的系列化设计主要就是针对不同的接收机的频率流程以及相位噪声、杂散等因素选择进行设计，形成系列产品库。

电源模块主要分为AC-DC或者DC-DC两种类型电路。在电源模块链路设计过程中，部分设计细节需要特别说明，输入电压地与输出电压地要保持隔离，避免相互干扰；要增加浪涌抑制电路设计，防止加电瞬间的大电流导致模块损坏。电源模块的系列化设计主要针对不同的输入范围、不同的电压输入形式(AC/DC)、功耗、效率、输出电压路数等因素选择进行设计，形成系列产品库。

控制模块电路主要电路由控制芯片(单片机、FPGA等)、存储器、总线收发器等器件组成。在链路设计过程中，部分设计细节需要特别说明，控制电路如果有加电顺序的一定要加上电源时序控制电路比如RC延时电路，否则会导致电路工作异常；控制模块的IO接口输出端要增加总线隔离电路，比如在控制信道模块或者频率源模块时，增加隔离电路就会消除模块间的相互干扰问题。控制模块的系列化设计主要就是针对不同的控制IO引脚路数、不同的接口，不同的功能要求等因素选择进行设计形成系列产品库。

根据上述说明的六种共用构建模块按照图2的链接关系就可以完成所需要设计的通信雷达一体超外差接收机。

如果项目只需要通信超外差接收机，那就只需要去掉雷达中频模块，即可完成通信超外差接收机设计。

如果项目只需要雷达超外差接收机那就只需要去掉通信中频模块，即可完成雷达超外差接收机设计。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变、修改、甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种雷达通信一体化共用构建模块架构超外差接收机设计方法，具有如下技术特征：根据超外差体制，首先规划出射频前端模块、雷达中频模块、通信中频模块、电源模块、控制模块、频率源模块六种共用构建模块；其次针对六种共用构建模块的电路原理，进行系列化研制与生产，形成共用构建模块系列产品库；再进行超外差雷达-通信一体接收整机设计，在雷达-通信一体超外差接收机的设计中，结合技术指标要求，根据已有共用构建模块产品系列，分别选用射频前端模块、雷达中频模块、通信中频模块、频率源模块、电源模块、控制模块中相应的共用构建模块进行组合，完成雷达通信一体化接收超外差整机的实现。

2.如权利要求1所述的雷达通信一体化共用构建模块架构超外差接收机设计方法，其特征在于：所述射频前端模块的系列开发为按照不同的预选滤波器的覆盖频段、链路增益以及一中与二中频的选择进行开发形成系列产品库；所述雷达中频模块的系列开发为按照不同的雷达信号中频频率，中频带宽以及中频增益进行开发形成系列产品库；所述通信中频模块的系列开发为按照不同的通信信号中频频率，中频带宽以及中频增益进行开发形成系列产品库；所述电源模块的系列开发为按照不同的电源输出功耗、电压路数、效率、AC-DC或者DC-DC因素进行开发形成系列产品库；所述控制模块的系列开发为按照不同的控制TTL路数、遥测上报功能要求、总线协议因素进行开发形成系列产品库；所述频率源模块的系列开发为按照不同的频率工作流程、输出本振源路数、相位噪声、杂散、幅度、步径因素进行开发形成系列产品库。

3.如权利要求1所述的雷达通信一体化共用构建模块架构超外差接收机设计方法，其特征在于：射频前端模块包括预选电路与一次和二次变频信道电路，其中，预选电路主要包含开关、并联在信号输入开关和信号输出开关之间的若干个频率预选滤波器，低噪声放大器和开关，还包含一混频器、一中滤波器、一中放大器、二混频器、二中放大器和二中滤波器构成的一次和二次变频信道电路。

4.如权利要求1所述的雷达通信一体化共用构建模块架构超外差接收机设计方法，其特征在于：雷达中频模块包括顺次串联的第一低通滤波器、第一放大器、第一小步进数控衰减器、第一单刀N掷开关和并联在第一单刀N掷开关与第二单刀N掷开关之间的雷达中频滤波器1、雷达中频滤波器2…雷达中频滤波器n，以及通过第二单刀N掷开关输出端顺次串联的第一末级放大器和限频器。

5.如权利要求1所述的雷达通信一体化共用构建模块架构超外差接收机设计方法，其特征在于：通信中频模块包括顺次串联的第二低通滤波器、三混频器、第二放大器，第二小步进数控衰减器、第三单刀N掷开关和并联在第三单刀N掷开关与第四单刀N掷开关之间的通信中频滤波器1、通信中频滤波器2…通信中频滤波器n，以及通过第四单刀N掷开关输出端顺次串联的第二末级放大器和限频器。

6.如权利要求1所述的雷达通信一体化共用构建模块架构超外差接收机设计方法，其特征在于：频率源模块包括并联一本振、二本振、三本振以及频率源的参考源，其中一本振、二本振分别连接射频前端模块中的一混频器、二混频器，三本振连接通信中频模块中的上三混频器。

7.如权利要求1所述的雷达通信一体化共用构建模块架构超外差接收机设计方法，其特征在于：射频前端模块中的后端输出功分器端口分别连接雷达中频模块输入端的第一低通滤波和通信中频模块输入端的第二低通滤波。

8.如权利要求1所述的雷达通信一体化共用构建模块架构超外差接收机设计方法，其特征在于：控制模块包括控制模块参考源电路以及控制模块电路，控制模块电路通过CAN通信接口或不同的总线接口与外部进行通信。

9.如权利要求1所述的雷达通信一体化共用构建模块架构超外差接收机设计方法，其特征在于：控制模块通过低频连接线与射频前端模块、雷达中频模块、通信中频模块、电源模块、频率源模块进行连接，实现对射频前端模块、雷达中频模块、通信中频模块、电源模块、频率源模块模块的控制以及接收这六种模块上报的温度、电压等状态信息。

10.如权利要求1所述的雷达通信一体化共用构建模块架构超外差接收机设计方法，其特征在于：频率源模块主要由参考电路与三个本振源电路组成；频率源模块的硬件电路构建主要由参考源输出到放大器后串联衰减器后再串联一分三功分器，一分三功分器的输出端形成三个支路并联在功分器的三个端口，三个支路各串联一级衰减器，支路一上的衰减器串联由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、分频器构成的锁相环电路1再与滤波器、放大器、滤波器构成的一本振电路，支路二上的衰减器串联由由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、分频器构成的锁相环电路2再与滤波器、放大器、滤波器构成的二本振电路，支路三上的衰减器串联由由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、分频器构成的锁相环电路3再与直接数字频率合成器DDS、滤波器、放大器、滤波器构成的三本振电路。