搜索接收機(jī)多通道信號(hào)處理組合的國(guó)產(chǎn)化研究

■ 姜廣順 趙豐 王韋 / 軍藍(lán)科技集團(tuán)總公司

0 引言

多通道信號(hào)處理組合作為某引進(jìn)武器裝備搜索接收機(jī)的目標(biāo)信號(hào)通道,裝機(jī)數(shù)量多,故障率高,備件消耗量大。外方的售后服務(wù)保障期為交裝后的1.5年,保障期后我方主要采取對(duì)外采購(gòu)備件的供應(yīng)保障模式。外方對(duì)我備件采購(gòu)價(jià)格抱較高期望,加之其武器出口公司的壟斷性質(zhì),不僅談判越來(lái)越困難,而且價(jià)格逐年上漲。對(duì)外備件采購(gòu)從談判到收貨的周期一般在1年以上,訂貨周期長(zhǎng)；隨著裝備的更新?lián)Q代,備件供應(yīng)沒(méi)有可靠保證,且部分備件已經(jīng)停產(chǎn)。為保證引進(jìn)裝備的正常使用要求,充分發(fā)揮其作戰(zhàn)效能,必須開(kāi)展備件的國(guó)產(chǎn)化研究[1]。因此,在剖析多通道信號(hào)處理組合的組成和工作原理的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)其國(guó)產(chǎn)化。

圖1 原多通道信號(hào)處理組合結(jié)構(gòu)框圖

1 原多通道信號(hào)處理組合的組成及工作原理

多通道信號(hào)處理組合用于對(duì)目標(biāo)反射信號(hào)進(jìn)行相關(guān)濾波處理和相參積累,并對(duì)其進(jìn)行時(shí)間和頻率選擇,從接收的信號(hào)中分離出由動(dòng)目標(biāo)反射的信號(hào),抑制地物和云雨反射回來(lái)的無(wú)源干擾信號(hào)[2]。該組合由3個(gè)距離通道、帶阻濾波器、速度選擇/濾波/中頻積分器、同步控制、集中選擇濾波及輸出級(jí)、電子開(kāi)關(guān)模塊等組成,結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖1。

第一中頻f1中頻的目標(biāo)反射信號(hào)送到距離選擇通道,與被距離選擇脈沖調(diào)制的第二本振信號(hào)f2本振進(jìn)行混頻,降低目標(biāo)反射信號(hào)頻率,輸出第二中頻f2中頻,同時(shí)實(shí)施距離選擇。只有當(dāng)目標(biāo)反射信號(hào)脈沖與第二本振信號(hào)f2本振重合時(shí),才有信號(hào)輸出。輸出信號(hào)進(jìn)入帶阻濾波器,濾除地物和無(wú)源干擾產(chǎn)生的多普勒頻移。帶阻濾波器的輸出信號(hào)進(jìn)入速度選擇電路,與第三本振信號(hào)f3本振混頻,進(jìn)一步降低目標(biāo)反射信號(hào)頻率。同時(shí)還進(jìn)行目標(biāo)反射信號(hào)的多普勒頻率補(bǔ)償,使目標(biāo)信號(hào)通過(guò)額定頻率的速度中心通道。輸出信號(hào)進(jìn)入集中選擇濾波器濾波；當(dāng)允許積分脈沖加到積分器時(shí),進(jìn)行信號(hào)的相參積累。中頻積分器的輸出端與一級(jí)詢問(wèn)電子開(kāi)關(guān)相連接,當(dāng)允許積分脈沖結(jié)束時(shí),距離通道的所有中頻積分器在1μs時(shí)間內(nèi)放電,為下次探測(cè)做準(zhǔn)備。經(jīng)過(guò)二級(jí)詢問(wèn)電子開(kāi)關(guān)后,3個(gè)距離通道第六中頻的目標(biāo)積累信號(hào)在相加器內(nèi)相加,形成壓縮的目標(biāo)信號(hào),輸出至下一級(jí)設(shè)備。

圖2 國(guó)產(chǎn)化多通道信號(hào)處理組合的組成結(jié)構(gòu)框圖

圖3 帶阻濾波器單元原理框圖

2 國(guó)產(chǎn)化多通道信號(hào)處理組合的硬件設(shè)計(jì)

引進(jìn)裝備為20世紀(jì)八九十年代的產(chǎn)品,獨(dú)特的設(shè)計(jì)思想使其在性能指標(biāo)和作戰(zhàn)效能等方面處于世界領(lǐng)先水平。但由于裝備生產(chǎn)國(guó)微電子技術(shù)水平較低,因此該產(chǎn)品的數(shù)字電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)水平不高。武器裝備中很多中低頻電路不得不仍采用模擬電路甚至分立元件電路,同時(shí)配合小規(guī)模數(shù)字集成電路和微處理器,才能完成很多復(fù)雜的控制任務(wù)。例如,接收機(jī)中采用的中頻相參積累,沒(méi)有用數(shù)字技術(shù),而是用較簡(jiǎn)單的模擬電路—中頻積分器來(lái)完成,系統(tǒng)集成度低,故障率高。顯然,在現(xiàn)有技術(shù)條件下,該產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化不可能走器件級(jí)代換的技術(shù)路線,必須基于逆向工程方法,對(duì)原多通道信號(hào)處理組合進(jìn)行全面、系統(tǒng)的測(cè)試、測(cè)繪和反設(shè)計(jì),利用國(guó)內(nèi)先進(jìn)技術(shù)和工藝進(jìn)行功能替代,以提升國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品的可靠性和維修性水平。

2.1 國(guó)產(chǎn)化多通道信號(hào)處理組合的硬件組成

國(guó)產(chǎn)化多通道信號(hào)處理組合由功能模塊、總線背板、供電電源模塊和組合框架等組成,其中,功能模塊包括帶阻濾波器模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、信號(hào)處理模塊,其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

1） 帶阻濾波器模塊

為保證國(guó)產(chǎn)化組合的整體性能及功能與原組合相同,混頻器單元內(nèi)部模塊與原組合內(nèi)部構(gòu)造基本保持一致,采用集成寬帶隔離放大器作為輸入信號(hào)和本振信號(hào)的緩沖器,使輸入信號(hào)和第二本振信號(hào)在混頻器中混頻、濾波,通過(guò)可調(diào)增益放大器對(duì)濾波后信號(hào)進(jìn)行增益調(diào)整。帶阻濾波器濾去多普勒頻率范圍在-2kHz～+2kHz之間的目標(biāo)反射信號(hào),消除地物干擾和無(wú)源干擾等。帶阻濾波器單元原理框圖如圖3所示。

2） 信號(hào)調(diào)理模塊

信號(hào)調(diào)理模塊用于解析控制信號(hào),產(chǎn)生時(shí)序信號(hào),倍頻基準(zhǔn)頻率。

基準(zhǔn)頻率倍頻功能能夠?qū)斎氲幕鶞?zhǔn)頻率信號(hào)進(jìn)行倍頻,實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)頻率信號(hào)的4倍頻,可對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行幅值調(diào)整,將信號(hào)輸出到帶阻濾波器,滿足與第一中頻進(jìn)行混頻的要求。解析控制信號(hào)與產(chǎn)生時(shí)序信號(hào)功能,對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行譯碼解析,形成新的控制信號(hào),并判斷工作模式。信號(hào)調(diào)理模塊接收前一級(jí)設(shè)備的控制信號(hào),通過(guò)譯碼電路形成組合工作的控制及同步信號(hào)。組合輸入的信號(hào)有信息脈沖1和信息脈沖2,距離選擇脈沖1、2、3,以及置零脈沖。

信息脈沖1由2個(gè)脈沖組成：脈沖串包絡(luò)脈沖和濾波器詢問(wèn)起始脈沖。信息脈沖1通過(guò)脈沖分配器將2路脈沖信號(hào)分離出來(lái)。信息脈沖2包括19串脈沖,該脈沖串輸入到5個(gè)串聯(lián)分配器中,用于形成3串移位脈沖,通過(guò)濾波詢問(wèn)開(kāi)始工作脈沖與信息2信號(hào)形成一級(jí)詢問(wèn)脈沖。信息1和詢問(wèn)脈沖形成允許積分脈沖,控制中頻積分器的工作。

3） 信號(hào)處理模塊

信號(hào)處理模塊完成數(shù)模變換和數(shù)字信號(hào)處理。

數(shù)模變換功能：對(duì)輸入的f2中頻信號(hào)采樣,使中頻信號(hào)數(shù)字化,對(duì)數(shù)字中頻信號(hào)進(jìn)行下變頻處理和數(shù)字濾波處理,使其滿足FFT變換要求；將經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)處理和中頻處理后的信號(hào)進(jìn)行D/A變換,通過(guò)DAC解碼器播放DDS頻率合成器輸出的數(shù)據(jù),形成模擬信號(hào)。模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)可調(diào)放大器,形成f6中頻。

數(shù)字信號(hào)處理功能：對(duì)數(shù)字下變頻后的中頻信號(hào)進(jìn)行距離選通,實(shí)現(xiàn)3個(gè)通道中的信號(hào)選擇。在每個(gè)距離通道上對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行FFT運(yùn)算,得到N/2個(gè)頻譜,送往數(shù)字濾波器進(jìn)行卷積運(yùn)算,壓低頻譜旁瓣成分。經(jīng)過(guò)上述變換后,頻譜數(shù)據(jù)為復(fù)數(shù)形式,由于信號(hào)中頻處理過(guò)程僅對(duì)頻譜中的幅度參量感興趣,因此數(shù)字濾波器輸出的頻譜數(shù)據(jù)要進(jìn)行求模運(yùn)算,得出的復(fù)數(shù)譜的模為信號(hào)的幅度頻譜。通過(guò)濾波器組選取,選出18個(gè)幅度頻譜,進(jìn)行速度通道的濾波；將選出的數(shù)據(jù)通過(guò)一級(jí)詢問(wèn)脈沖對(duì)18路信號(hào)進(jìn)行合并疊加,形成一個(gè)距離通道的中頻積累數(shù)據(jù),將3個(gè)距離通道的f6中頻目標(biāo)積累信號(hào)通過(guò)二級(jí)詢問(wèn)脈沖疊加,形成壓縮的目標(biāo)信號(hào),發(fā)送給下一級(jí)設(shè)備。

2.2 國(guó)產(chǎn)化組合設(shè)計(jì)中需解決的主要問(wèn)題

多通道信號(hào)處理組合在高重復(fù)頻率脈沖串狀態(tài)下工作,分10kHz、100kHz兩種狀態(tài)。中頻積分模塊和混頻器模塊進(jìn)行10kHz和100kHz兩種工作狀態(tài)下的中頻信號(hào)處理,完成3D（D距離通道）×18V（V速度通道）搜索通道矩陣處理。信號(hào)處理過(guò)程包括數(shù)據(jù)采集和相參積累。

1） 數(shù)據(jù)采集

由FMC采集子卡上的ADC16DV160芯片完成對(duì)中頻輸入信號(hào)f2中頻的采樣,AD采樣時(shí)鐘由輸入基準(zhǔn)頻率信號(hào)f0經(jīng)4倍頻產(chǎn)生。采樣范圍由信號(hào)調(diào)理子卡輸入控制信號(hào)中的距離選擇脈沖1、2、3邏輯運(yùn)算產(chǎn)生。采樣數(shù)據(jù)通過(guò)FMC總線傳給信號(hào)處理載板上的FPGA。采樣數(shù)據(jù)由信號(hào)處理載板上的GC5016芯片完成數(shù)字下變頻,下變頻模式通過(guò)距離選擇脈沖1和探測(cè)起始脈沖確定。同時(shí),探測(cè)起始脈沖作為GC5016的系統(tǒng)復(fù)位信號(hào),使GC5016輸出信號(hào)同步到系統(tǒng)發(fā)射基準(zhǔn)上。信號(hào)處理DSP芯片采用中斷方式接收數(shù)字下變頻后的數(shù)據(jù),并完成相參積累。

2） 中頻信號(hào)積累的實(shí)現(xiàn)

中頻信號(hào)積累是組合信號(hào)處理過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)。在原組合中,采用中頻積分模塊對(duì)混頻以后的信號(hào)進(jìn)行積分運(yùn)算,它實(shí)際上是一個(gè)高Q值的石英晶體振蕩器,調(diào)諧在某一固定的頻率如f10上,振蕩器在輸入中頻信號(hào)的激勵(lì)下工作。當(dāng)輸入信號(hào)頻率與振蕩器本身的調(diào)諧頻率相同或相近時(shí),振蕩器工作,輸出頻率為f10的中頻振蕩信號(hào)。當(dāng)有輸入信號(hào)時(shí),振蕩器進(jìn)行增幅振蕩,增幅的快慢與輸入信號(hào)的頻率有關(guān),頻率差越小,增幅越快。因此,在脈沖持續(xù)期間振蕩器輸出信號(hào)的幅度以類似積分的形式增大,增幅振蕩的持續(xù)時(shí)間等于輸入信號(hào)的脈寬,脈沖寬度越大,信號(hào)幅度也就越大。當(dāng)沒(méi)有信號(hào)時(shí),也就是在脈沖間歇期,振蕩器做減幅振蕩,由于阻尼系數(shù)很小,響應(yīng)時(shí)間很長(zhǎng),約為3ms,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于脈沖周期,故此時(shí)可以看作是等幅振蕩。下一個(gè)脈沖到來(lái)時(shí),其輸出振蕩幅度進(jìn)一步增大,這樣中頻積分器依次對(duì)各輸入中頻脈沖進(jìn)行積累,輸出一個(gè)與輸入信號(hào)幅度、頻率及脈沖寬度有關(guān)的中頻振蕩信號(hào)。

原組合中的中頻積分模塊采用中頻積分放大器和晶體組合進(jìn)行信號(hào)積累。經(jīng)調(diào)研,國(guó)內(nèi)專業(yè)廠家的晶體濾波器信號(hào)積累性能指標(biāo)難以達(dá)到使用要求。因此,國(guó)產(chǎn)化組合采用數(shù)字接收機(jī)中FFT技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的相參積累。采用數(shù)字FFT進(jìn)行信號(hào)積累對(duì)提高信號(hào)信噪比的效果是相同的,兩者對(duì)N個(gè)信號(hào)脈沖進(jìn)行信號(hào)積累,對(duì)信號(hào)的信噪比均提高了NdB。

3 性能測(cè)試

在專用檢測(cè)臺(tái)上,對(duì)國(guó)產(chǎn)化多通道信號(hào)處理組合與原多通道信號(hào)處理組合進(jìn)行了性能對(duì)比測(cè)試,如表1所示。測(cè)試結(jié)果表明,國(guó)產(chǎn)化多通道信號(hào)處理組合的輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍、覆蓋的多普勒頻率范圍、目標(biāo)速度分辨精度、噪聲抑制比等主要指標(biāo)均優(yōu)于原組合。

表1 國(guó)產(chǎn)化多通道信號(hào)處理組合與原多通道信號(hào)處理組合性能指標(biāo)對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)和實(shí)裝對(duì)接試用,驗(yàn)證了國(guó)產(chǎn)化多通道信號(hào)處理組合產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性、可靠性以及與武器系統(tǒng)的協(xié)調(diào)、匹配性。目前,該產(chǎn)品已用于工廠裝備修理和部隊(duì)裝備的維護(hù)保障,能夠滿足引進(jìn)裝備的正常使用要求,使用維護(hù)簡(jiǎn)單、方便,可靠性高[3]。

組合級(jí)備件的研制成功,對(duì)如何在缺少設(shè)計(jì)資料的情況下,在通過(guò)系統(tǒng)反設(shè)計(jì)和在不同工作狀態(tài)下的激勵(lì)響應(yīng)信息反推解算出被測(cè)仿件的設(shè)計(jì)需求等方面進(jìn)行了有益的嘗試,可供其他開(kāi)展引進(jìn)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化工作的單位和技術(shù)人員參考。

[1] 姜廣順,楊召甫. 引進(jìn)裝備水平檢測(cè)儀的國(guó)產(chǎn)化研究[J]. 航空維修與工程,2016 (8)：54-56.

[2] 某裝備技術(shù)說(shuō)明書 第2部分 搜索接收機(jī)[Z].

[3] 姜廣順,楊召甫,王韋. 自主供電系統(tǒng)整流裝置的國(guó)產(chǎn)化改造[J]. 航空維修與工程,2016 (12)：55-56.