王玉紅 秦睢睢 李兵

收稿日期：2023-08-29

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.06.013

摘? 要：文章設(shè)計(jì)的單比特接收機(jī)能在0.8～2 GHz頻率范圍內(nèi)對(duì)偵收的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行快速測(cè)頻，并輸出頻率、保寬脈沖等相關(guān)信息，從而快速引導(dǎo)干擾設(shè)備進(jìn)行干擾。該單比特接收機(jī)將測(cè)頻結(jié)果用于引導(dǎo)干擾源，具有頻率測(cè)量和頻率碼連續(xù)輸出、連續(xù)波判別、保寬脈沖輸出和BIT自檢等功能。單比特接收機(jī)的組成架構(gòu)在滿足瞬時(shí)寬帶寬、高靈敏度和實(shí)時(shí)處理等主要性能指標(biāo)的前提下，還具備各組成模塊功能明確、控制獨(dú)立、調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：0.8～2 GHz；單比特接收機(jī)；快速測(cè)頻

中圖分類號(hào)：TN851? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2024）06-0058-04

Design of 0.8～2 GHz Single Bit Receiver

WANG Yuhong， QIN Suisui， LI Bing

（Nanjing Aerospace Industry Technology Co.， Ltd.， Nanjing? 210001， China）

Abstract： The single-bit receiver designed in this paper can quickly measure the frequency of the detected radar signal in the frequency range of 0.8 ～ 2 GHz， and output the frequency， wide pulse and other related information， so as to quickly guide interfering devices to interfere. This single-bit receiver uses the frequency measurement results to guide the interference source， and has functions such as frequency measurement and continuous output of frequency codes， continuous wave discrimination， wide pulse output， and BIT self-check. The composition architecture of a single-bit receiver not only meets the main performance indicators of instantaneous broadband， high sensitivity， and real-time processing， but also has the advantages of clear functions of each component module， independent control， and convenient debugging.

Keywords： 0.8～2 GHz; single-bit receiver; fast frequency measurement

0? 引? 言

傳統(tǒng)的IFM接收機(jī)組成簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、模塊化程度高、體積小、成本較低廉，但工作靈敏度不高，同時(shí)到達(dá)信號(hào)適應(yīng)能力較差，延遲線精度易受溫度變化影響，帶來通道出錯(cuò)或測(cè)頻精度下降[1-3]。模擬信道化接收機(jī)具有與IFM接收機(jī)相同的截獲概率和同等的測(cè)頻精度，但工作靈敏度高于IFM接收機(jī)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是能測(cè)出同時(shí)到達(dá)信號(hào)的載頻[4-6]。然而本文研究需要較大的瞬時(shí)帶寬0.8～2 GHz，對(duì)于模擬信道化接收機(jī)來說，無論其設(shè)備量、體積、重量、造價(jià)都無法承受。單比特接收機(jī)最早由美國(guó)軍方空軍實(shí)驗(yàn)室AFRL提出，后來其他公司開發(fā)了各種類型的單比特接收機(jī)作為數(shù)字瞬時(shí)頻率測(cè)量接收機(jī)[7]，單比特接收機(jī)具有以下主要特點(diǎn)：測(cè)頻精度高、瞬時(shí)帶寬高、體積功耗小、全數(shù)字實(shí)現(xiàn)[8]。故本文設(shè)計(jì)的接收機(jī)選用單比特接收機(jī)體制實(shí)現(xiàn)。

1? 單比特接收機(jī)的工作原理

單比特接收機(jī)原理及實(shí)物組成框圖如圖1所示。

圖1? 單比特接收機(jī)組成框圖

單比特接收機(jī)接收外部輸入的0.8～2 GHz帶寬的雷達(dá)射頻信號(hào)，雷達(dá)射頻信號(hào)進(jìn)入單比特接收機(jī)后首先進(jìn)入寬帶微波通道前端，寬帶微波通道前端的主要功能是實(shí)現(xiàn)將接收到的大動(dòng)態(tài)范圍的射頻信號(hào)變換到超高速采樣處理板采樣模塊所需要的量程范圍。超高速采樣處理板的主要功能是通過高效快速的數(shù)字信號(hào)處理算法和高速實(shí)時(shí)信號(hào)處理硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻信號(hào)的直接采樣，完成對(duì)信號(hào)的快速實(shí)時(shí)測(cè)量，產(chǎn)生頻率碼和保寬脈沖等相關(guān)信息給后續(xù)引導(dǎo)設(shè)備[9]。

整個(gè)系統(tǒng)組成架構(gòu)設(shè)計(jì)在滿足瞬時(shí)寬帶寬、高靈敏度和實(shí)時(shí)處理等主要性能指標(biāo)的前提下，盡量做到各組成模塊功能明確，控制獨(dú)立，調(diào)試方便。

2? 單比特接收機(jī)的設(shè)計(jì)

2.1? 寬帶微波通道前端

寬帶微波通道前端設(shè)計(jì)的技術(shù)難點(diǎn)主要有兩點(diǎn)。一是將大動(dòng)態(tài)的射頻信號(hào)壓縮到一個(gè)恒定的電平范圍內(nèi)同時(shí)還要保證通道內(nèi)信號(hào)雜散、交調(diào)沒有明顯惡化和低噪聲。

為了保證系統(tǒng)的靈敏度和接收性能，必然要求整個(gè)微波接收前端內(nèi)具有良好的幅頻一致性、較低的雜散電平和較低的噪聲系數(shù)[10]。對(duì)于超高速采樣模塊，其輸入信號(hào)要求功率電平在-15～-5 dBm。而單比特接收機(jī)輸入信號(hào)具有較大的動(dòng)態(tài)范圍，并且要達(dá)到較高的靈敏度，因此則需要輸入信號(hào)壓縮到一個(gè)恒定的電平范圍內(nèi)，還要保證小信號(hào)和大信號(hào)不失真，需要在較大增益前提下對(duì)大信號(hào)輸入在寬帶微波通道的性能進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

在通道內(nèi)采用多級(jí)放大的方式，通過合理分配各級(jí)放大器的增益和必要的衰減器來實(shí)現(xiàn)高性能的微波接收前端。

微波通道前端由多級(jí)放大器級(jí)聯(lián)組成，在各級(jí)放大器間級(jí)聯(lián)衰減芯片，增加電路穩(wěn)定性，通過器件本身性能保證在高低溫下的增益起伏，使輸出功率在數(shù)字采樣板的最佳工作范圍內(nèi)。

2.2? 超高速采樣處理板

本超高速采樣處理板采用采樣率為10 GS/s的超高速采樣電路，輸入射頻信號(hào)通過高速ADC進(jìn)行單比特量化后，得到數(shù)字量化信號(hào)輸入到高速處理FPGA中進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)和頻率計(jì)算，得到結(jié)果通過接口芯片轉(zhuǎn)換為TTL電平后輸出。

本方案主要關(guān)鍵點(diǎn)在高速單比特量化、高速采樣時(shí)鐘產(chǎn)生和高速信號(hào)布局設(shè)計(jì)上，下面主要對(duì)這四個(gè)方面進(jìn)行說明。

2.2.1? 高速單比特量化

所選芯片采用GaAs工藝，可將1路高頻模擬信號(hào)以1：16降速比輸出16路LVDS低速數(shù)字信號(hào)。輸出提供8分頻及16分頻時(shí)鐘供數(shù)據(jù)同步。采樣率可達(dá)14 GS/s，數(shù)據(jù)信號(hào)輸入動(dòng)態(tài)范圍達(dá)34dBc適合高速數(shù)據(jù)信號(hào)的降速處理和數(shù)字化接收前端。

2.2.2? 時(shí)鐘芯片

時(shí)鐘芯片的主要功能是根據(jù)輸入的160 MHz晶振信號(hào)產(chǎn)生高速單比特ADC所需要的采樣時(shí)鐘，單比特ADC所需要的單比特采樣時(shí)鐘信號(hào)的頻率是

5.12 GHz，設(shè)計(jì)采用的高速鎖相環(huán)PLL芯片ADF4355。

VCO相位噪聲性能對(duì)整體系統(tǒng)性能起著關(guān)鍵作用，它可以提供穩(wěn)定的高精度的頻率信號(hào)，故選擇合適的PLL頻率合成器是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要考慮。ADI公司的ADF4355寬帶PLLVCO頻率合成器完全滿足應(yīng)用中對(duì)壓控振蕩器相位噪聲的嚴(yán)格要求，可以確保相位噪聲盡可能低，擴(kuò)展頻率范圍，縮小尺寸，擴(kuò)大工作溫度范圍，從而降低風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.3? 電源設(shè)計(jì)

電源部分主要包括FPGA和高速ADC芯片的供電。

FPGA的供電主要包括FP_VCC_1P0V 、FP_VCC_1P8V、FP_VCC_2P5V、FP_VCC_3P3V四種電壓，采用2片LT4630A供電。LT4630A每一路電源的最大輸出電流為18 A，輸出電壓可調(diào)，足夠保證FPGA的正常工作。

2.2.4? 高速信號(hào)布局與設(shè)計(jì)

10 GS/s的采樣率使得時(shí)鐘和信號(hào)分布路徑的走線不能再按照集總參數(shù)電路的方法來處理，而應(yīng)該考慮到其傳輸線效應(yīng)、時(shí)鐘和信號(hào)分布電路相互之間的干擾以及其與其他片上關(guān)鍵信號(hào)路徑之間的干擾，即信號(hào)完整性問題。超高速采樣技術(shù)必須在有效的電磁仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)聯(lián)合仿真分析的前提下進(jìn)行。

超高速采樣處理板采取了對(duì)高速數(shù)據(jù)線“加擾”的方式，來避免數(shù)據(jù)線的長(zhǎng)“1”、長(zhǎng)“0”狀態(tài)，進(jìn)而壓縮數(shù)據(jù)線帶寬，保證數(shù)據(jù)眼圖張開。產(chǎn)生與采樣時(shí)鐘同源且固定在某一速率范圍內(nèi)的偽隨機(jī)信號(hào)，和ADC高速率數(shù)據(jù)進(jìn)行異或，經(jīng)高速異或門電路后的信號(hào)進(jìn)入處理器，達(dá)到“加擾”的目的。電路設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮信號(hào)間的串?dāng)_、開關(guān)電源噪聲的污染、以及信號(hào)鏈路的信號(hào)完整性等，并進(jìn)行了前仿真加后仿真的聯(lián)合設(shè)計(jì)。對(duì)成板電路進(jìn)行實(shí)物介電常數(shù)、阻抗、插損等測(cè)試，再由這些實(shí)測(cè)參數(shù)指導(dǎo)進(jìn)一步的仿真過程，設(shè)計(jì)出符合要求的超高速采樣電路。

高速信號(hào)仿真主要包括過孔優(yōu)化仿真、通過頻域仿真分析和時(shí)域仿真分析。整個(gè)系統(tǒng)為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，單個(gè)通道信號(hào)速率為10 GS/s。

2.3? FPGA軟件設(shè)計(jì)

FPGA處理軟件是實(shí)現(xiàn)單比特接收機(jī)功能的核心，決定著靈敏度、測(cè)頻精度等指標(biāo)，根據(jù)本項(xiàng)目技術(shù)指標(biāo)，F(xiàn)PGA處理算法進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)。

FPGA處理算法的實(shí)現(xiàn)示意框圖如圖2所示。

軟件算法按照功能分為以下步驟：

1）高速數(shù)據(jù)接收。超高速采樣電路工作在10 Gbit/s，完成對(duì)輸入信號(hào)的采樣量化，量化后的數(shù)字信號(hào)通過高速串行收發(fā)器傳輸。接收端采用FPGA內(nèi)嵌的高速串行收發(fā)器GTH配對(duì)接收，收發(fā)器的參考時(shí)鐘由超高速采樣電路的隨路時(shí)鐘分頻產(chǎn)生，這樣保證了數(shù)據(jù)能夠穩(wěn)定的被GTH接收且不會(huì)產(chǎn)生累計(jì)誤差。FPGA內(nèi)部控制邏輯首先對(duì)接收完成的數(shù)據(jù)對(duì)齊保證采樣數(shù)據(jù)的同步；其次完成數(shù)據(jù)的順序切換，因?yàn)椴蓸訒r(shí)鐘相位的隨機(jī)性會(huì)影響ADC的DeMax輸出順序的變化；最后對(duì)調(diào)整好的數(shù)據(jù)按照算法所需的順序完成排序并整合。在完成時(shí)鐘域同步后送入高效超快速傅氏變換模塊進(jìn)行運(yùn)算。

2）超快速傅氏變換。超快速傅氏變換算法的是離散傅氏變換的快速算法，對(duì)離散傅里葉變換的算法進(jìn)行改進(jìn)獲得的，通過消除FFT過程中的乘法運(yùn)算來減小FFT的復(fù)雜性。一個(gè)模擬信號(hào)，經(jīng)過ADC采樣之后，就變成了數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)就可以做FFT變換了。N個(gè)采樣點(diǎn)，就可以得到N個(gè)點(diǎn)的FFT結(jié)果。離散博里葉變換可以表示為：

，k = 0， 1， 2， …， N-1

式中，x（n）為輸入數(shù)據(jù)， 為核（Kernel）函數(shù)。如果輸入x（n）為±1，不需要在輸入數(shù)據(jù)和內(nèi)核函數(shù)之間執(zhí)行乘法運(yùn)算。如果FFT只進(jìn)行加法和減法運(yùn)算，運(yùn)算的復(fù)雜度將大大降低。為了避免FFT乘法，核函數(shù)被減少到1位。Kernel函數(shù)是一個(gè)復(fù)雜的函數(shù)，因此它不能用1位實(shí)數(shù)表示。表示核函數(shù)的最簡(jiǎn)單方法是用1位表示虛部，用l位表示實(shí)部。從數(shù)學(xué)上講，它可以表示為：

核函數(shù)的值可以是方程中的4個(gè)值之一。在這條件下，F(xiàn)FT運(yùn)算不需要乘法，最終通過減少運(yùn)算復(fù)雜度達(dá)到瞬時(shí)計(jì)算的目的。

3）譜峰搜索。接著在高效MonibitFFT模塊的自相關(guān)輸出結(jié)果中進(jìn)行最大頻譜搜索，即首先對(duì)自相關(guān)輸出結(jié)果進(jìn)行取模運(yùn)算，再在各信道中進(jìn)行最大值比較。將峰值譜線的復(fù)數(shù)信息提取相位信息，并發(fā)送后續(xù)頻率精度測(cè)量模塊進(jìn)行頻率精度估計(jì)，峰值譜線的模與確定的門限做比較，得到輸入信號(hào)的包絡(luò)信息，用作TOA和PW計(jì)算。

采用超高速接收算法并結(jié)合滑動(dòng)FFT算法，可以滿足超高速采樣模塊輸出的高速采樣信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)流水快速測(cè)量的需求。為了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理，不能對(duì)采樣數(shù)據(jù)逐點(diǎn)進(jìn)行滑動(dòng)FFT運(yùn)算，需根據(jù)數(shù)據(jù)的變化來改變滑動(dòng)的點(diǎn)數(shù)和FFT的長(zhǎng)度并結(jié)合系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)以及硬件特性等綜合考慮。

4）頻率精測(cè)。每個(gè)FFT譜線的頻率精度，還不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的2.5 MHz檢測(cè)精度，這種情況下就需要對(duì)頻率進(jìn)行精確測(cè)量，重心法進(jìn)行頻率估計(jì)與FFT變換過程中的窗函數(shù)是直接相關(guān)的，假設(shè)采用矩形窗函數(shù)，那么等效于時(shí)域上幅度為1，寬度為T的矩形窗。矩形窗的頻域傅里葉變換是一個(gè)辛格函數(shù) ，峰值位于f = 0處，第一個(gè)峰值出現(xiàn)在±1/T位置。

通過MATLAB仿真形式對(duì)測(cè)頻精度進(jìn)行仿真分析，得到結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看到測(cè)頻精度是可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求的。

圖3? 頻率測(cè)量精度（r.m.s）

從單比特?cái)?shù)字測(cè)頻的處理算法來看，通過FFT的方式劃分了信道，因此即使在檢測(cè)信號(hào)中存在數(shù)個(gè)功率接近的信號(hào)，經(jīng)過FFT后劃分到不同的信道中，不會(huì)對(duì)測(cè)頻精度造成影響。

5）編碼輸出。根據(jù)輸出結(jié)果的要求，對(duì)處理精頻率碼進(jìn)行編碼并輸出。

3? 單比特接收機(jī)的測(cè)頻精度

測(cè)頻誤差fc由頻率測(cè)量誤差fstd和板上晶振的抖動(dòng)誤差fq兩部分組成，且兩者相互獨(dú)立，故三者之間的關(guān)系如下式所示：

頻率測(cè)量通過時(shí)間差分方式實(shí)現(xiàn)，其表達(dá)式如下：

其中fs表示內(nèi)部數(shù)據(jù)率（常數(shù)），本方案中采用512點(diǎn)FFT，內(nèi)部數(shù)據(jù)率為40 MHz，θ表示時(shí)域測(cè)量的瞬時(shí)相位值，?θ = θn - θn-1，其中θn和θn-1獨(dú)立同分布。因此頻率的標(biāo)準(zhǔn)差為：

當(dāng)信號(hào)的信噪比優(yōu)于8 dBc時(shí)，θstd ≈ 1 / SNR，因此：

其中，SNR = SNRin + G，其中G表示數(shù)字處理增益，約為15 dB，因?yàn)楸卷?xiàng)目的信號(hào)靈敏度要求不高，SNRin約為+40 dBc。因此SNR約為55 dBc，項(xiàng)目中fs = 40 MHz，計(jì)算得到fstd = 0.25 MHz。

本文選用的晶振是一款穩(wěn)定度為±20×10-6的頻率為160 MHz的差分晶振，能保證在工作溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定度為160 M×20×10-6 = 3.2 kHz，通過鎖相環(huán)倍頻到5.12 GHz后對(duì)測(cè)頻精度的影響fq = 0.1 MHz。因此根據(jù)上面公式可算出最終的測(cè)頻精度fc為0.27 MHz。

4? 單比特接收機(jī)的接收靈敏度

接收靈敏度是單比特接收機(jī)解調(diào)微弱信號(hào)并從中獲取信息的能力。單比特接收的信號(hào)質(zhì)量是通過計(jì)算接收的錯(cuò)誤的比特?cái)?shù)與接收的總比特?cái)?shù)之比來衡量的，將采樣量化后的信號(hào)進(jìn)行FFT運(yùn)算，信號(hào)從時(shí)域變換到頻域進(jìn)行處理，獲得信號(hào)的頻率和幅度等信息。由于雷達(dá)信號(hào)在頻域具有能量集中的特點(diǎn)，利用FFT運(yùn)算進(jìn)行頻域檢測(cè)，可有效提高檢測(cè)靈敏度。

接收機(jī)靈敏度描述的是能夠獲得有用信息的最低信號(hào)功率，這是接收機(jī)的最重要技術(shù)指標(biāo)之一。接收機(jī)靈敏度計(jì)算式如下：

S = -174 dBm/Hz + NF + 101 gBW + SNR

對(duì)于本超寬帶數(shù)字接收機(jī)，接收機(jī)的處理能力SNR為+4 dB，暫定系統(tǒng)前級(jí)噪聲系數(shù)NF = 10 dB，BW取2 GHz，將上述參數(shù)代入下式：

S = -174 dBm/Hz + NF + 101 gBW + SNR

可估算出本設(shè)備接收機(jī)的靈敏度為：

S = -174 dBm/Hz + 10 dB + 63 dB+4 dB = -67 dBm

5? 單比特接收機(jī)的測(cè)頻時(shí)間

單比特接收機(jī)的測(cè)頻時(shí)間優(yōu)于200 ns。具體測(cè)頻時(shí)間計(jì)算如表1所示。

表1? 測(cè)頻時(shí)間表

序號(hào) 過程 時(shí)間/ ns

1 射頻通道 2

2 單比特采樣 30

3 高速數(shù)據(jù)接收 40

4 MonoFFT計(jì)算 64

6 譜峰搜索 32

7 頻率精測(cè) 25

8 編碼輸出 5

合計(jì) 198

6? 實(shí)現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)

單比特接收機(jī)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2? 實(shí)現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)

序號(hào) 指標(biāo)項(xiàng) 實(shí)現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)

1 工作頻率范圍 0.8～2 GHz

2 射頻輸入動(dòng)態(tài)范圍 -55～-5 dBm

3 靈敏度 ≤-65 dBm

4 測(cè)頻精度 ≤1 MHz（r.m.s）

6 測(cè)頻時(shí)間 ≤200 ns

7 適應(yīng)信號(hào)脈寬 0.1 μs～CW

8 適應(yīng)周期范圍 2 μs～CW

9 適應(yīng)信號(hào)形式 常規(guī)脈沖、脈沖壓縮、脈沖多普勒、頻率捷變、連續(xù)波等；同時(shí)存在脈沖及連續(xù)波時(shí)，出連續(xù)波信號(hào)標(biāo)志，出大信號(hào)的頻率和保寬脈沖

7? 結(jié)? 論

本文設(shè)計(jì)研制的0.8～2 GHz單比特接收機(jī)，經(jīng)過對(duì)該接收機(jī)認(rèn)真詳細(xì)的設(shè)計(jì)工作，主要包括0.8～

2 GHz單比特接收機(jī)的寬帶微波通道前端、超高速采樣處理板以及FPGA軟件的設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了分析，實(shí)現(xiàn)了頻率范圍為0.8～2 GHz、測(cè)頻精度小、靈敏度低、測(cè)頻時(shí)間快，功耗小的單比特接收機(jī)，并在測(cè)頻系統(tǒng)中得到應(yīng)用，實(shí)際使用效果較好。

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作者簡(jiǎn)介：王玉紅（1984—），女，漢族，江蘇徐州人，高級(jí)工程師，本科，研究方向：電子對(duì)抗工作；秦睢?。?985—），男，漢族，河南新鄉(xiāng)人，高級(jí)工程師，碩士研究生，研究方向：電子對(duì)抗工作；李兵（1981—）男，漢族，江蘇南通人，高級(jí)工程師，本科，研究方向：雷達(dá)干擾與模擬工作。