電離層探測系統(tǒng)模擬接收前端設(shè)計(jì)

張?zhí)忑?/p>

介紹了一種電離層探測系統(tǒng)模擬接收端的實(shí)現(xiàn)方法，由兩級VGA及跟蹤濾波器組成，能夠適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境系的電離層探測并驅(qū)動(dòng)后級ADC。VGA電路設(shè)計(jì)兼顧低噪小信號放大和抗飽和能力，電調(diào)諧跟蹤濾波器有效抑制帶外干擾。

【關(guān)鍵詞】電離層 探測系統(tǒng) 設(shè)計(jì)

短波是重要的戰(zhàn)略頻率資源，在戰(zhàn)略通信、超視距探測等應(yīng)用中擁有無可替代的作用。短波由于其電離層反射傳播的傳播方式帶來的抗打擊能力和超視距傳播能力被人們重視，新的短波技術(shù)快速涌現(xiàn)。這些技術(shù)依賴于良好的信道建模和信道參數(shù)，因此對電離層進(jìn)行探測和研究也受到重視。電離層探測系統(tǒng)通過向電離層發(fā)射脈沖調(diào)制信號進(jìn)行頻率掃描，并對電離層回波的信號的時(shí)延、振幅、多普勒頻移等參數(shù)進(jìn)行測量。

天線感生到的回波信號的電平變化幅度很大，需要模擬接收端具有增益控制功能以便使ADC能夠有效的對接收信號進(jìn)行采樣。與一般的短波接收機(jī)不同，電離層探測需要對回波信號的幅度進(jìn)行測量以便得到電離層對電波的衰減特性，因此增益需要受到系統(tǒng)的具體控制。短波波段有大量的干擾信號，干擾信號可能遠(yuǎn)大于測量信號，使放大器無法對測量信號進(jìn)行有效放大，需要接收前端能與發(fā)射頻率相協(xié)調(diào)進(jìn)行窄帶跟蹤濾波來抑制帶外干擾。

1 接收前端功能與結(jié)構(gòu)

電離層探測系統(tǒng)的接收天線接收到的0.6～32MHz的回波信號先經(jīng)過位于天線附近的預(yù)處理電路后的50歐信號傳遞給模擬接收前端進(jìn)行處理，在模擬端接收前端進(jìn)行放大濾波處理后再經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換（76MHz）、數(shù)字下變頻、 數(shù)字濾波等數(shù)字化處理后將接收數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。電離層探測系統(tǒng)模擬接收前端電路由第一VGA、跟蹤電調(diào)諧濾波電路、第二VGA以及控制電路組成。

第一級VGA為低噪放大器，的增益范圍為-32dB～23dB，較低的噪聲系數(shù)和較大的前級增益可以提高系統(tǒng)的噪聲特性，但第一級VGA的輸出不宜過大，一是第一級輸入為寬帶信號，大增益輸出時(shí)放大器的非線性會產(chǎn)生大量的互調(diào)干擾，而在惡劣的電磁環(huán)境下，強(qiáng)干擾進(jìn)入放大器會使放大器出現(xiàn)飽和，影響對有用信號的處理能力。另一方面，由于后級的跟蹤濾波電路特性，過大的輸入信號會對其性能造成影響。而在惡劣的電磁環(huán)境下，第一VGA會對信號進(jìn)行衰減來穩(wěn)定跟蹤濾波器的特性。

信號先經(jīng)過第一VGA進(jìn)行放大后進(jìn)入跟蹤濾波器抑制帶外干擾信號，消除干擾信號對第二VGA影響。跟蹤濾波的重點(diǎn)在于提供精準(zhǔn)的中心頻點(diǎn)和較窄的帶寬，更進(jìn)一步濾波由數(shù)字系統(tǒng)完成。跟蹤濾波器為分波段的電調(diào)諧窄帶濾波器，采用分波段結(jié)構(gòu)，各波段中心頻點(diǎn)電控可調(diào)，而電離層探測中會以線性步長進(jìn)行脈沖頻率掃描，因此期望跟蹤濾波的絕對帶寬保持不變。

經(jīng)過濾波的窄帶信號進(jìn)入第二VGA進(jìn)行放大，此時(shí)由于信號變?yōu)檎瓗盘柷覍飧蓴_進(jìn)行了有效抑制，第二VGA的增益可以比較大，增益范圍設(shè)為17～48dB。跟蹤濾波器和低通濾波器存在約5dB的衰減，考慮設(shè)計(jì)指標(biāo)及設(shè)計(jì)余量，系統(tǒng)使用的增益范圍設(shè)為-18～63dB。

模擬接收前端的增益、跟蹤濾波的中心頻點(diǎn)等參數(shù)由電離層探測系統(tǒng)通過通信接口傳遞給控制電路并由微控制器負(fù)責(zé)具體控制。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 VGA電路

第一VGA需要直接處理天線感生信號，在強(qiáng)干擾情況下可能使放大器產(chǎn)生飽和，而在良好電磁環(huán)境下又希望其擁有良好的噪聲特性，因此第一VGA采用分路設(shè)計(jì)，分別為直接衰減通路和放大衰減通路，由兩個(gè)HMC545模擬開關(guān)配合選擇輸入信號進(jìn)入放大器后通過衰減器還是直接通過衰減器。放大器采用GaL-74單片式放大器，它結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用方便，在提供25dB的固定增益，1dB壓縮點(diǎn)高達(dá)19dBm，能夠在較強(qiáng)干擾下不出現(xiàn)飽和，噪聲系數(shù)低達(dá)2.7dB，很適合作為前級低噪聲放大器。衰減器采用HMC307程控衰減器，它在短波波段擁有良好的特性和較小的誤差，插入損耗約為1.7dB提供0～31dB步長為1dB的程控衰減。因此兩個(gè)通路共同形成了-32～23dB的增益范圍。

第二VGA與第一VGA相似，采用相同的芯片，不同的是VGA結(jié)構(gòu)采用了放大衰減放大結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)既保證了較小的噪聲系數(shù)又減小了輸入過載輸出飽和的幾率。

2.2 跟蹤濾波電路

電調(diào)諧濾波器采用分波段結(jié)構(gòu)，將0～32MHz頻帶分為6個(gè)波段，頻帶覆蓋率為1.94。進(jìn)行再帶濾波考慮諧振濾波的電路，以電容為可變電抗。耦合諧振回路矩形系數(shù)較好，帶外能力較強(qiáng)，但是耦合系數(shù)會隨電抗的改變而變，且等品質(zhì)因數(shù)下帶寬較大，因此采用單諧振回路。單諧振回路的帶寬BW=f0/QL其中f0=為諧振頻率，QL為帶負(fù)載品質(zhì)因數(shù)，并聯(lián)諧振QL=ω0 C/g，，串聯(lián)諧振QL=ω0 L/R因此并聯(lián)、串聯(lián)諧振灰度的帶寬分別為g/2πC和R/2πL，其中g(shù)、R分別為折合到諧振回路電導(dǎo)和電阻。為了使絕對帶寬保持不變，以電容作為可變電抗時(shí)應(yīng)采用串聯(lián)諧振電路。

可變電容通過頭對頭的變?nèi)荻O管實(shí)現(xiàn)，控制電路DA輸出控制電壓經(jīng)高壓運(yùn)放反向作用于變?nèi)莨埽瑸榱耸棺內(nèi)莨芄ぷ髟诶硐雲(yún)^(qū)域，-5V的電壓作用于變?nèi)荻O管的正向。為了得到較窄帶寬需要提高諧振回路的品質(zhì)因數(shù)，在兩端采用4：1和1：4匝數(shù)比的理想變壓器降低諧振回路的等效電阻。根據(jù)BW=R/2πL選擇電感，使帶寬占所在段的3%左右。輸入信號由變壓器直接耦合至6個(gè)波段，各波段輸出分別使用變壓器耦合并用PIN管開關(guān)電路選擇輸出。

串聯(lián)諧振的電抗電壓較大，信號會改變變?nèi)莨軆啥说碾妷菏怪C振頻率發(fā)生漂移，產(chǎn)生寄生調(diào)制造成非線性壓縮，因此跟蹤濾波的輸入電壓不易過大，而這限制了第一VGA的增益。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)電路適用于小功率數(shù)字化電離層探測系統(tǒng)，能夠確保在存在大功率干擾對探測信號的有效接收，噪聲系數(shù)最低為2.9dB，配合滿量程2伏14位DAC靈敏度達(dá)-120dBm。

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作者單位

武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院 湖北省武漢市 430070