采用全數字接收機的航管二次雷達系統研究

馮華平

摘 要：全數字接收機技術的應用越來越廣泛，本文給出了一種采用全數字接收機技術的航管二次雷達系統方案，對系統中全數字接收機部分進行了重點論述。經實際使用，證明了全數字接收機技術應用于航管二次雷達系統中是可行的。

關鍵詞：航管二次雷達 全數字接收機 直接數字合成

中圖分類號：TN959.2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（b）-0010-01

航管二次雷達是應用于傳統空中交通管制系統中的重要設備，可對空中合作目標進行有效監視，能夠向管制中心提供目標的方位、距離、A代碼和氣壓高度等信息，具有S模式的二次雷達與普通A/C模式的二次雷達相比，不僅可以提供更好的監視能力，還可以提供空中和地面的數據鏈接能力[1]，增強地面與空中目標的信息交互。

航管二次雷達工作于L波段，最初采用的是視頻采樣技術。隨著雷達接收機技術的發展，出現了數字中頻采樣技術，該技術已經十分成熟，因此視頻采樣技術逐漸被數字中頻技術替代。近年來，雷達接收機的數字化水平越來越高，超高速數字電路技術迅速發展，目前L波段的全數字化接收機技術已經逐步成熟。本文介紹了采用全數字化接收機技術的航管二次雷達系統的組成和原理，重點介紹了系統中的全數字接收機部分，并在實際的項目中對該系統進行了驗證。

1 航管二次雷達系統概述

1.1 系統組成

航管二次雷達一般由天線系統（包括天線、天線座和伺服系統）、饋線系統、發射機、接收機、信號處理器、數據處理器和顯示與控制單元組成。

1.2 系統工作原理

（1）二次雷達詢問信號的產生。

在航管二次雷達的顯示與控制單元界面上可以對二次雷達的工作模式進行設置，該設置命令發給二次雷達的數據處理器，數據處理器將命令轉發給信號處理器的定時模塊，由定時模塊產生詢問脈沖序列，送往接收機的激勵模塊進行調制，產生的激勵信號送發射機進行功率放大，得到大功率的射頻信號，該射頻信號經饋線系統傳輸至天線，由天線向空間輻射。

（2）二次雷達對應答信號的接收與處理。

飛機上的應答機接收到詢問信號后，會對詢問信號進行模式判別，然后根據詢問模式產生相應的應答脈沖序列，再對應答脈沖序列進行調制和功率放大，形成大功率射頻信號，送往應答機天線，由天線向空間輻射。

二次雷達的天線接收到應答信號后，通過饋線系統將應答信號送入接收通道，根據系統方案的不同，接收通道可以輸出射頻信號，也可以輸出中頻信號或視頻信號，送入信號處理器做應答預處理、應答處理，處理形成的應答報告送往數據處理器進行點、航跡處理，最終形成航跡報告，送往顯控終端或管制中心進行顯示。

2 采用全數字接收機的航管二次雷達系統設計

2.1 全數字接收機與信號處理器功能模塊劃分

全數字接收機由模擬部分和數字部分兩部分組成。

（1）模擬部分。

模擬部分對天線來的射頻應答信號進行濾波和低噪聲放大，對數字部分產生的D/A輸出信號進行濾波和放大，另外還產生系統所需的時鐘。

（2）數字部分。

數字部分對定時模塊產生的基帶信號進行數字上變頻和D/A轉換，對模擬部分輸出的放大后的射頻應答信號進行射頻A/D采樣和數字下變頻。

與全數字接收機相匹配的信號處理器的組成及模塊劃分與傳統的航管二次雷達信號處理器相同：均由定時模塊、應答預處理模塊和應答處理模塊組成，完成詢問序列的產生和應答處理功能。其不同之處在于定時模塊產生的詢問序列的信號形式不同：傳統的定時模塊產生的是脈沖框架，采用DDS方式的定時模塊產生的是數字化的I/Q序列。

2.2 全數字接收機與信號處理器硬件設計

本系統中將接收機模擬部分的功能合并為一個模塊，接收機數字部分與信號處理器集成在一塊印制板上。

接收機模擬部分由濾波和放大電路、激勵放大電路和時鐘源組成；數字部分由兩塊FPGA、DAC和射頻ADC組成[3]。（在FPGA中完成數字上變頻、數字下變頻、定時和應答處理功能）。

數字上變頻的功能包括濾波、內插和混頻，即將數字I/Q序列分別通過FIR內插成型濾波器，將數據的采樣頻率提高到射頻采樣頻率，NCO產生兩路完全正交的數字離散載波，保證調制時I、Q兩路數據完全正交[4]。合成后的信號送DAC，產生模擬的激勵信號。

數字下變頻的功能包括混頻、濾波和抽取，即將射頻數字信號變成零中頻數字信號，通過濾波器將需要的信號濾出來，通過抽取將數據速率盡可能降低[3]。

2.3 全數字接收機與信號處理器的工作過程

全數字接收機的工作過程為：

定時器產生正交調制的I/Q數據，然后進行數字上變頻、D/A轉換、帶通濾波、放大，形成1030MHz的激勵信號送發射機；

天線來的應答信號經過接收通道的濾波和放大后，輸出1090MHz的射頻信號進行射頻A/D采樣，然后進行數字下變頻，輸出基帶的I/Q信號送信號處理器做應答預處理和應答處理。

2.4 接收機技術指標要求

（1）接收靈敏度：優于-90 dBm。（2）接收帶寬：8 MHz±1 Hz。（3）接收動態范圍：不小于80 dB。要達到指標，接收通道及ADC的動態范圍均需達到80dB，ADC的位數至少需要14位。（4）接收通道增益.由于射頻ADC的噪聲相對中頻ADC的噪聲要大一些，因此采用射頻ADC的接收通道增益應比采用中頻ADC的接收通道增益適當大一些，以減小系統的噪聲系數，保證系統靈敏度能夠達到設計要求。

3 實驗結果

實測的全數字接收機指標如下。

（1）接收靈敏度達到了-95dBm。（2）接收帶寬8MHz。（3）接收動態范圍為81dB。

將該采用全數字接收機的航管二次雷達接入天、饋線及伺服系統平臺，在外場進行實驗。

經過實際觀測，雷達的作用距離不小于400 km，目標的距離精度為43 m，方位精度為0.08°，航跡平滑、連續。

4 結語

本文首先介紹了航管二次雷達的系統構成及工作原理，然后給出了采用全數字接收機的航管二次雷達系統系統設計方案，詳細論述了系統中的全數字接收機部分，最后給出了采用全數字接收機的航管二次雷達系統的實驗結果。

本文涉及的全數字接收機已應用于航管二次雷達上。經工程實踐證明，采用全數字接收機的航管二次雷達方案是可行的，后續還需對雷達的測量精度做進一步的優化，以滿足實際使用的要求。

參考文獻

[1] 張尉.二次雷達原理[M].北京：國防工業出版社，2009.

[2] 楊小牛，樓才義，徐建良.軟件無線電原理與應用[M].北京：電子工業出版社，2001.

[3] 弋穩.雷達接收機技術[M].北京：電子工業出版社，2005.

[4] 王洋聰，朱冬.DDS技術在軟件無線電中的應用[J].山西電子技術2005（5）.endprint