鄭世連 王冰

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所，安徽合肥 230088

VHF頻段射頻數(shù)字化接收系統(tǒng)濾波器設(shè)計(jì)

鄭世連 王冰

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所，安徽合肥 230088

本文介紹了工作在VHF頻段的雷達(dá)射頻數(shù)字化接收系統(tǒng)濾波器的設(shè)計(jì)方法和理論根據(jù)，該型雷達(dá)中根據(jù)其體制選擇和體積要求共設(shè)計(jì)了預(yù)選濾波器、開(kāi)關(guān)濾波器和數(shù)字濾波器等三種濾波器，有效地提高雷達(dá)在復(fù)雜電磁環(huán)境下的抗干擾能力，通過(guò)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了濾波器的有效性。

VHF； SAW濾波器；CIC濾波器；HB濾波器；FIR濾波器

引言

VHF頻段雷達(dá)工作的電磁環(huán)境復(fù)雜，雷達(dá)工作頻段電磁頻譜分布密集，雷達(dá)接收機(jī)在接收有用回波的同時(shí)，不可避免地會(huì)遇到干擾。為了選擇有用回波，同時(shí)抑制各種干擾和噪聲，就需要通過(guò)濾波器來(lái)進(jìn)行頻率選擇，濾波器頻帶寬度和頻率特性直接關(guān)系著雷達(dá)接收機(jī)的靈敏度，波形失真等重要指標(biāo)。對(duì)應(yīng)于不同的輸入信號(hào)和噪聲干擾，為使輸出端的信噪比最大或波形失真最小，濾波器有一個(gè)最佳的頻帶寬度和頻率特性形狀，以實(shí)現(xiàn)最佳濾波。

1 VHF頻段無(wú)線電視信號(hào)分布

在設(shè)計(jì)接收系統(tǒng)濾波器時(shí)，首先要了解VHF頻段的無(wú)線電信號(hào)分布情況，中國(guó)電視是PAL D/K制式，伴音載頻頻率比圖像載頻頻率高6.5MHz，每個(gè)頻道帶寬為8MHz，從圖像載頻頻率-1.25MHz至圖像載頻頻率+6.5MHz。中國(guó)電視頻道頻率劃分如表1所示。各個(gè)頻道內(nèi)的圖像載頻與伴音載頻之間的關(guān)系如圖1所示。

表1 VHF頻段無(wú)線電視信號(hào)分布

根據(jù)雷達(dá)工作頻帶附近頻譜分布情況，在設(shè)計(jì)時(shí)選取了不同類(lèi)型的濾波器用于接收通道，共設(shè)計(jì)了3大類(lèi)濾波器：預(yù)選濾波器、開(kāi)關(guān)濾波器和數(shù)字濾波器。

2 預(yù)選濾波器

預(yù)選濾波器有時(shí)也叫做預(yù)選器，它放置在接收機(jī)的輸入端，主要是為了抑制外部干擾和噪聲、濾波器的帶寬一般與接收機(jī)的射頻工作帶寬相一致，預(yù)選濾波器還特別要求其帶外抑制特性要對(duì)鏡像具有良好的抑制作用。預(yù)選濾波器的工作頻率為接收機(jī)的射頻工作頻率，它采用的濾波器大都屬于微波濾波器。

本系統(tǒng)預(yù)選濾波器中信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器輸入匹配網(wǎng)絡(luò)輸入，通過(guò)內(nèi)部諧振器及級(jí)間耦合，經(jīng)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)輸出至負(fù)載。由于濾波器近端抑制高，通過(guò)在諧振器間添加并聯(lián)回路實(shí)現(xiàn)高低端各兩個(gè)有線傳輸零點(diǎn)，以達(dá)到濾波器電路最小體積化，滿足濾波器技術(shù)要求。該電路的電原理框圖如圖2所示。

3 開(kāi)關(guān)濾波器

開(kāi)關(guān)濾波模塊是模擬收發(fā)前端的重要組成部分，主要實(shí)現(xiàn)工作頻道選擇，收/發(fā)射頻信號(hào)濾波、放大等功能，具有體積小、幅相一致性好的特點(diǎn)。

該模塊設(shè)計(jì)時(shí)采用了信道濾波器收發(fā)共用的方案，同時(shí)增加補(bǔ)償放大器對(duì)收發(fā)信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償放大，其工作原理框圖見(jiàn)圖3。

在發(fā)射狀態(tài)下，DDS根據(jù)雷達(dá)的工作模式產(chǎn)生不同波形的發(fā)射信號(hào)（該信號(hào)通常含有幅度較大的諧波、雜波），開(kāi)關(guān)濾波模塊的收發(fā)開(kāi)關(guān)選擇發(fā)射通道，信道選擇開(kāi)關(guān)根據(jù)外部控制信號(hào)切換到與工作頻率對(duì)應(yīng)的濾波器通道，信號(hào)經(jīng)放大、濾波后送出到PA端；在接收狀態(tài)下，收發(fā)開(kāi)關(guān)選擇接收通道，模塊放大頻帶內(nèi)有用信號(hào)，抑制帶外干擾信號(hào)。聲表面波濾波器SAWF是該模塊核心，其內(nèi)部芯片結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 開(kāi)關(guān)濾波器原理框圖

圖4 聲表濾波器結(jié)構(gòu)圖

圖5 開(kāi)關(guān)濾波器頻響曲線

SAWF的工作原理是在壓電基片上制作兩個(gè)叉指換能器(IDT1、IDT2)，當(dāng)IDT1上加一交變信號(hào)時(shí)，由于逆壓電效應(yīng)，壓電基片表面上激勵(lì)出電信號(hào)周期相等的聲表面波（SAW），并向兩邊傳播，其中一邊傳播經(jīng)過(guò)IDT2時(shí)，由正壓電效應(yīng)，IDT2將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并從負(fù)載上取出。叉指換能器的聲電、電聲轉(zhuǎn)換效率與壓電基片的材料、切型，叉指換能器的電極寬度、長(zhǎng)度、數(shù)量有關(guān)，只要通過(guò)選擇合適的基片材料，并對(duì)換能器進(jìn)行適當(dāng)加權(quán)，便能非常靈活地實(shí)現(xiàn)濾波等多種信號(hào)處理功能。該開(kāi)關(guān)濾波模塊的頻響曲線見(jiàn)圖5。

4 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用的是射頻采樣方案，在開(kāi)關(guān)濾波器后是射頻采樣模塊，經(jīng)射頻采樣后的信號(hào)送入FPGA中，在FPGA內(nèi)完成信號(hào)的正交解調(diào)、抽取和濾波，在射頻采樣模塊中共設(shè)計(jì)了3級(jí)數(shù)字濾波器，分別是CIC濾波器、HB濾波器和FIR濾波器。

積分梳狀（Cascade Integrator Comb,CIC）濾波器是在高速抽取或插值系統(tǒng)中非常有效的單元，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，處理速度高，最大的優(yōu)點(diǎn)是不需要進(jìn)行乘法運(yùn)算，可以對(duì)高速數(shù)據(jù)流進(jìn)行低通濾波和因子不是2的冪次方的抽取處理，它常用在多級(jí)抽取的第一級(jí)。設(shè)抽取因子為D，則CIC濾波器的沖激響應(yīng)具有如下形式：

式中，D是CIC濾波器的階數(shù)（即抽取因子），本系統(tǒng)中CIC濾波器的頻率特性見(jiàn)圖6。

半帶（HB）濾波器在多速率信號(hào)處理中非常適合2倍抽取或內(nèi)插，計(jì)算效率高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。它可使2倍抽取的每秒次數(shù)比一般的線性相位FIR濾波器較少近一倍，半帶濾波器的沖激響應(yīng)具有如下形式：

即，半帶濾波器的沖激響應(yīng)h(n)除零點(diǎn)外，其余偶數(shù)點(diǎn)均為零。本系統(tǒng)中其頻響曲線見(jiàn)圖7。

圖6 CIC濾波器頻響曲線

圖7 HB濾波器頻響曲線

本系統(tǒng)中的FIR濾波器的頻響曲線見(jiàn)圖8。

圖8 FIR濾波器頻響曲線

數(shù)字濾波器（CIC、HB、FIR）位于處理流程后端，并在FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)，并不占用額外的硬件資源，同時(shí)具有抽取比大，濾波矩形系數(shù)好，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)方式靈活等特點(diǎn)，是射頻采樣系統(tǒng)濾波器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，并被廣泛使用。

5 結(jié)語(yǔ)

濾波器設(shè)計(jì)是雷達(dá)接收系統(tǒng)的重要設(shè)計(jì)內(nèi)容，尤其是在VHF頻段，電磁環(huán)境復(fù)雜、干擾強(qiáng)度較大，必須對(duì)濾波器設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)的論證。本文在該雷達(dá)接收系統(tǒng)中共設(shè)計(jì)了多級(jí)濾波器，不同特性的濾波器在不同的信號(hào)環(huán)節(jié)使用，最大限度地發(fā)揮了每種濾波器的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)雷達(dá)整機(jī)在各種環(huán)境下的實(shí)際使用，充分證實(shí)了該設(shè)計(jì)方案的有效性。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2012.10.093

鄭世連,男，1979年出生，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所工程師，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)數(shù)字收發(fā)技術(shù)。