CN113949945A - 一种适用于超宽带测向的可扩展架构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于超宽带测向的可扩展架构，属于雷达信号处理领域。该可扩展架构以辐射源接收通道数量可扩展为设计核心，给出了一种超宽带测向系统的设计方法，主要包括综合射频模块的可扩展设计方法、超宽带接收模块的可扩展设计方法及模块间可扩展交互结构的设计方法。本发明实现的用于超宽带测向的可扩展架构瞬时接收带宽大、扩展性好。

Description

一种适用于超宽带测向的可扩展架构
技术领域
本发明属于雷达信号处理领域，特别是一种适用于超宽带测向的可扩展架构。
背景技术
复杂电磁环境，信号密度高，频域范围宽。测向信息作为重要的电子对抗截获参数，利用具有超宽瞬时接收带宽的测向方法，可提高复杂电磁环境下对信号的截获能力。
现有实时数字化测向设备受限于前端数字化接收机的处理带宽，通常使用频域分段配合频段内扫频的设计方法，瞬时接收带宽非常有限。若以此设计思路来实现瞬时超宽频域覆盖，需对全频域进行分段，每段的宽度与接收机的瞬时接收带宽相当。仅单个辐射源接收通道，就耗费数十部变频组件和数字接收机，还要进行复杂的控制和频段融合处理。为得到精确的测向结果，需要多个这样的辐射源接收通道。这种以资源换取瞬时接收带宽的设计方法，结构复杂扩展性差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于超宽带测向的可扩展架构，以提供超宽带测向设计方法的可扩展性。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种适用于超宽带测向的可扩展架构，包括：
超宽带接收模块，用于接收前端微波通道模块的输出，使用单比特接收体制进行超宽带信号处理；
融合处理模块，用于对超宽带接收模块生成的测向信息进一步融合处理，得到测向结果；
综合射频模块；其特征在于，
所述综合射频模块包括：
天线阵列模块，设有按平面圆阵排列的多个定向天线元，相邻天线元波束中心指向夹角相同，用于接收外部信号；
微波通道模块，测向系统的射频处理部分，用于对接收到的射频信号进行滤波、放大、变频，此模块输入端的射频信号来源可切换；
微波自检模块，用于提供自检信号，以消除多个辐射源接收通道不一致性所致的系统误差；所有辐射源接收通道的自检信号来源于同一个自检源的功分器输出；
微波接口模块，用于解析融合处理模块的控制信息，控制自检模块的频率和功率参数，完成自检工作；控制微波通道模块的开关选择，完成整个综合射频模块在自检状态与工作状态之间的切换；
超宽带接收模块，输入端设有一个专用的ADC采样时钟源模块，用于同时为多路超宽带接收通道的ADC提供采样时钟信号；
所述超宽带接收模块设有多路超宽带接收通道，每一个天线元对应一路超宽带接收通道；在工作状态时，以信号的最大幅度所在超宽带接收通道为参考标准，将信号选取的特征信息通过交互结构同步到其他超宽带接收通道中，使所有超宽带接收通道的信号截获状态保持一致；
多路辐射源接收通道，每一路辐射源接收通道均由一个可切换的天线元或自检源输入、一个微波通道及一个超宽带接收通道组成。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
各个辐射源接收通道通过易扩展的交互结构连接，采用统一的多输出自检模块，统一的专用ADC高速采样时钟源模块，单一辐射源接收通道的结构设计简洁，易于在有限的空间内进行多路扩展，适用于实现单比特接收体制的测向架构，瞬时接收带宽大，扩展性好。
附图说明
图1为超宽带实时测向的可扩展架构设计图。
图2为多辐射源接收通道可扩展设计图。
图3为超宽带接收与融合处理的交互架构图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1和图2，本实施例提供的超宽带测向设计方法以辐射源接收通道数量易扩展性为设计核心，辐射源接收通道数量的确定由超宽带测向算法原理和精度要求共同决定，更多的辐射源接收通道数量意味着更高的测向精度。
本实施例的一种适用于超宽带测向的可扩展架构设计，包括以超宽带实时测向技术为核心的可扩展测向架构设计，该设计主要包括：综合射频模块的可扩展设计、超宽带接收模块的可扩展设计及模块间可扩展交互结构的设计。
所述综合射频模块的可扩展设计，包括天线接收阵列模块的设计、微波自检模块的设计、微波通道模块的设计及微波控制接口模块的设计方法。天线阵列模块由多个定向天线元按平面圆阵等夹角排列接收自由空间信号，微波自检模块提供特定的自检信号，微波通道模块根据对输入的射频信号的频段特点进行滤波、放大、变频等工作，微波接口模块对整个综合射频模块进行相关控制。
超宽带测向的每个辐射源接收通道的前端包含微波自检源和天线元阵列接收两个输入，对应测向架构的自检状态(微波自检模块)和工作状态(天线接收阵列模块)，利用一个开关切换，共享同一个微波通道，该开关由微波接口模块通过一对多硬线连接控制切换，完成所有辐射源通道状态(自检或工作状态)的统一转换。每一路自检源或天线元输入都后接一个微波通道，主要由低噪声放大器和变频模块串联构成，这几种微波器件技术原理成熟、幅相一致性稳定、模块化程度高、体积小，易于在有限的空间内进行多路扩展。
测向之前需要先进行自检，以消除多个辐射源接收通道的不一致性所致的系统误差。自检信号的频率发射范围应与实际测向的频率范围一致。所有辐射源接收通道的自检信号来源于同一个自检源的功分器输出，当辐射源接收通道数量扩展时，只需对应增加功分器的输出接口数即可。
自检信号在各个微波通道中进行滤波、放大、变频，然后经ADC采样，在超宽带接收模块的FPGA中得到自检信号的相位信息和频率值信息。超宽带接收模块通过背板或光纤连接至多通道相位融合处理模块，把不同辐射源接收通道的相位信息和频率值信息利用高速收发器进行发送并融合处理，在融合模块FPGA中根据各通道的相位差及当前信号频率值推算得到每个通道的时延差信息，再通过同一连接结构将时延差信息反馈至各对应的超宽带接收通道FPGA中。融合处理模块通过LVDS连接至微波接口模块，用SPI协议传递控制信息给微波接口模块，微波接口模块解析控制信息，然后控制自检模块的频率。自检模块的频率从低频至高频连续步进，每次频率改变后都计算一次各通道间的相位差，经过多次频率的切换，最终利用多组相位差和对应频率值得到各通道之间准确的时延差信息，完成对各个接收通道不一致性的消除。自检结束后，测向系统切换至工作状态，信号首先被天线阵列接收，进入到测向架构中。天线接收阵列模块中各个天线元按平面圆阵排列，相邻天线元波束中心指向夹角相同。每一个天线元对应一路辐射源接收通道，天线元的输出由等相电缆连接到微波通道模块的输入端。外部输入信号进入微波通道模块，经与自检信号同样的射频处理后送往超宽带接收模块。
所述超宽带接收模块的设计，包括综合时钟源模块的设计、超宽带接收模块的设计。综合时钟源模块依系统需求为超宽带接收模块提供统一的ADC采样时钟信号，超宽带接收模块接收前端微波通道模块的输出，进行单比特体制的超宽带信号处理，融合处理模块则对超宽带接收模块提取的测向信息进一步融合处理，得到测向结果。
在超宽带接收模块的输入端，为实现可扩展多路超宽带数字接收机结构，设计了一个专用的ADC采样时钟源模块，可同时为多路超宽带接收机的ADC提供纯净且稳定的超高速采样时钟信号，保证各路接收机采样信号之间相位关系不随时间而漂移变化。由于ADC采样时钟的输入功率范围较窄，设计该采样时钟输出功率为可控，以适应超宽带接收模块扩展对多路高速同步采样时钟信号的功率需求。各路超宽带接收机生成的测向信息，包括接收信号的实时相位信息和频率值信息，通过高速同步传输协议送入融合处理模块，完成信号方位数据的测定。
辐射源接收通道数量扩展的设计要求融合处理模块预留尽可能多的高速收发器，以满足多路高速数据的同步接收需求。目前的硬件水平，以Xilinx的Kintex UltrtaScale系列FPGA为例，可最高支持到64路，满足测向系统辐射源接收通道的扩展需求。
如图3所示，超宽带接收机主要由高速采样ADC芯片及FPGA构成，ADC对经过微波通道处理后的射频信号进行高速采样。ADC选型依据单比特接收体制特点，在满足测向系统动态范围的前提下，尽量选择更低的位宽，以换取更高的采样率，使测向系统拥有超宽瞬时带宽的同时，FPGA能够完成实时处理。
所述的模块间的交互结构的设计，包括微波通道模块与超宽带接收模块的交互结构设计及两模块各自内部子模块之间的交互结构设计。微波通道模块与超宽带接收模块的交互结构，完成超宽带接收机FPGA到融合处理FPGA的测向信息传输以及融合模块FPGA到各个超宽带接收机FPGA的指令传输。两模块各自内部子模块之间的交互结构，使所有超宽带接收通道的信号截获状态保持一致，控制整个系统完成相关自检和测向工作。
各个超宽带接收通道之间需要进行信息交互：在测向系统处于外部信号接收状态时，以信号的最大幅度(由相位信息计算)所在超宽带接收通道为参考标准，将信号选取的特征信息通过交互结构同步到其他N-1路超宽带接收通道的FPGA中(N为超宽带接收通道个数)，使所有超宽带接收通道的信号截获状态保持一致。设计该交互结构由板卡间背板的LVDS或光纤连接实现，能够满足多辐射源接收通道扩展后的交互需求。
各路超宽带接收模块的输出与融合处理模块之间通过板卡间背板或光纤连接，实现高速同步收发协议：一方面完成从接收机FPGA到融合处理FPGA的测向信息传输，另一方面完成从融合模块FPGA到各个接收机FPGA的指令传输，设置超宽带接收机的各项参数，控制其正确完成全部测向工作。
各个辐射源接收通道通过易扩展的交互结构连接，采用统一的多输出自检模块，统一的专用ADC高速采样时钟源模块。单一辐射源接收通道的结构设计简洁，所有辐射源通道的输出通过高速同步收发器发送至一片FPGA完成融合处理相关工作，得到测向结果，适用于实现单比特接收体制的测向架构，能够实现超宽瞬时接收带宽。各信号处理功能模块技术成熟、模块化程度高、体积小，易于在有限的空间内进行多路扩展。上述因素构成了该超宽带测向设计方法的超宽瞬时接收带宽和可扩展性。

Claims (4)

1.一种适用于超宽带测向的可扩展架构，包括：
超宽带接收模块，用于接收前端微波通道模块的输出，使用单比特接收体制进行超宽带信号处理；
融合处理模块，用于对超宽带接收模块生成的测向信息进一步融合处理，得到测向结果；
综合射频模块；其特征在于，
所述综合射频模块包括：
天线阵列模块，设有按平面圆阵排列的多个定向天线元，相邻天线元波束中心指向夹角相同，用于接收外部信号；
微波通道模块，测向系统的射频处理部分，用于对接收到的射频信号进行滤波、放大、变频，此模块输入端的射频信号来源可切换；
微波自检模块，用于提供自检信号，以消除多个辐射源接收通道不一致性所致的系统误差；所有辐射源接收通道的自检信号来源于同一个自检源的功分器输出；
微波接口模块，用于解析融合处理模块的控制信息，控制自检模块的频率和功率参数，完成自检工作；控制微波通道模块的开关选择，完成整个综合射频模块在自检状态与工作状态之间的切换；
超宽带接收模块，输入端设有一个专用的ADC采样时钟源模块，用于同时为多路超宽带接收通道的ADC提供采样时钟信号；
所述超宽带接收模块设有多路超宽带接收通道，每一个天线元对应一路超宽带接收通道；在工作状态时，以信号的最大幅度所在超宽带接收通道为参考标准，将信号选取的特征信息通过交互结构同步到其他超宽带接收通道中，使所有超宽带接收通道的信号截获状态保持一致；
多路辐射源接收通道，每一路辐射源接收通道均由一个可切换的天线元或自检源输入、一个微波通道及一个超宽带接收通道组成。
2.根据权利要求1所述的适用于超宽带测向的可扩展架构，所述超宽带接收模块采用多路超宽带数字接收机。
3.根据权利要求2所述的适用于超宽带测向的可扩展架构，超宽带接收模块的输出与融合处理模块之间通过交互结构连接，实现高速同步收发协议：一方面完成从接收机FPGA到融合处理FPGA的测向信息传输，另一方面完成从融合模块FPGA到各个接收机FPGA的指令传输。
4.根据权利要求1或3所述的适用于超宽带测向的可扩展架构，所述交互结构由板卡间背板的LVDS或光纤连接实现。
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