基于軟件定義無線電的可編程微波輻射計設(shè)計

中圖分類號：TB9;TP732.1 文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-5124（2025）06-0132-09

Design of programmable microwave radiometer based on software defined radio

SHIMinghui1，2，LUHao1，LIUJingyi1，WANG Zhenzhan1 （1.National Space Science Center， Chinese Academy ofSciences，Beijing 10o190，China; 2. University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

Abstract：Traditional microwaveradiometer has low integration，fixed RF front-end function，and limited programmability in digital back-end. To solve the above problems， a software defined radiometer with programmable RF front-end and digital processing back-end is designed and implemented based on software defined radio （SDR） technology. The core of programmable RF front-end adopts an SDR platform with zero intermediate frequency architecture， achieving configurable frequency ranges，bandwidth， gain， etc.Digital processing back-end uses an FPGA embedded in ARM to perform real-time FFT spectrum procesing and power spectrum integration，supporting the identification and elimination of radio frequency interference.This type of radiometer covers L， S and C bands， and integration time is adjustable within 500-1000ms . The system sensitivity is 0.13K through experimental testing inL band. In China， this software defined radiometer took the lead in realizing RF front-end programmability， supporting dynamic adjustment of working bands and parameters， and achieving a breakthrough.

Keywords： radiometer; programmability; software defined radio;FFT

0 引言

微波輻射計是被動式微波遙感電子儀器，可以觀測天線視場范圍內(nèi)目標(biāo)物體輻射、散射或反射的微波噪聲能量，并等效成亮溫表示。其實質(zhì)就是一種高靈敏度、高分辨率的微波信號接收設(shè)備。

傳統(tǒng)輻射計如美國國家航空航天局（NASA）發(fā)射的SMAP衛(wèi)星輻射計，普遍使用超外差架構(gòu)，在解調(diào)之前先將信號下變頻到中頻。此結(jié)構(gòu)需要大量分離元件，難以在單芯片中集成[1]。因此，傳統(tǒng)輻射計往往采用定制化的射頻和中頻器件，再搭配定制化的檢波器或數(shù)字電路采集數(shù)據(jù)[2]。整體系統(tǒng)規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、集成度低且缺乏可配置性[3]，提高了生產(chǎn)成本和周期。

相比之下，零中頻架構(gòu)對射頻信號直接解調(diào)至基帶，然后進行放大、濾波、采樣，消除了對中頻的需求。原超外差架構(gòu)中的鏡像抑制和中頻器件都可以去除，有利于單系統(tǒng)單芯片的集成。這種新技術(shù)正在一些現(xiàn)代無線電系統(tǒng)中使用，尤其是在軟件定義無線電（SoftwareDefinedRadio，SDR）中。

SDR技術(shù)基于通用硬件平臺，使用可編程器件實現(xiàn)射頻模擬電路以及基帶數(shù)字信號處理，是一種單芯片集成系統(tǒng)。基于SDR平臺開發(fā)的設(shè)備可以工作在多協(xié)議、多標(biāo)準(zhǔn)、多頻帶上，適用于不同的場景和用途[4]。

不同于SDR技術(shù)在通信領(lǐng)域中相對成熟的應(yīng)用，將其應(yīng)用于微波輻射計研制的案例在國際上較少，較為典型是2020年歐空局的FSSCat任務(wù)[5，其在立方星上搭載了一個L波段的SDR輻射計，但該輻射計并不具備可編程能力，其波段、帶寬等參數(shù)被固定，頻譜處理的通道數(shù)和系統(tǒng)靈敏度也落后于本文的設(shè)計方案。而在國內(nèi)，則尚未見有關(guān)于SDR輻射計的研究論文發(fā)表。

此外，輻射計的原理是被動接收觀測目標(biāo)的低電平微波輻射信號。該類信號強度極弱、頻譜極寬且類似噪聲、容易受到干擾，與常用的通信信號差異很大。因此，參考案例的稀少以及SDR技術(shù)的跨領(lǐng)域應(yīng)用都對本文工作提出了挑戰(zhàn)。

針對上述問題，本文充分挖掘了SDR平臺的可編程能力，研制了一款可編程的軟件定義輻射計。可編程射頻前端核心使用零中頻架構(gòu)的SDR芯片，各項參數(shù)如頻點、帶寬、增益等均可配置[]。數(shù)字處理后端使用片上系統(tǒng)（systemonchip，SoC）并實現(xiàn)1024通道頻譜處理、功率譜積分等功能。實現(xiàn)了對傳統(tǒng)輻射計硬件結(jié)構(gòu)的改良，并引入軟件來控制系統(tǒng)工作電路，從而搭建出集成度高、功耗低、可編程的新型軟件定義輻射計。

1輻射計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1總體需求及硬件架構(gòu)

該軟件定義輻射計由可編程射頻前端和數(shù)字處理后端構(gòu)成。

可編程射頻前端核心基于SDR平臺，通過數(shù)字接口配置射頻器件的狀態(tài)和參數(shù)，完成射頻模擬信號到基帶數(shù)字信號的放大、混頻、濾波和采樣等工作。硬件可編程性使得該輻射計可應(yīng)用于多種任務(wù)場景。

數(shù)字處理后端使用SoC芯片，實現(xiàn)1024點FFT處理及功率譜積分。微波輻射計在L波段易受射頻干擾[7]，采用頻譜分析技術(shù)可以精細(xì)化觀測，具有一定程度識別干擾的能力[8]。目前還沒有過在國產(chǎn)L波段微波輻射計中引入超過1000個通道的頻譜分析功能，本文微波輻射計覆蓋L波段，實現(xiàn)了突破。

基于以上需求，本文所設(shè)計的微波輻射計硬件架構(gòu)如圖1所示。

1.2 SDR芯片平臺選型

可編程接收機前端選用SDR芯片AD9361，該芯片使用零中頻架構(gòu)，其詳細(xì)參數(shù)如表1所示。頻段范圍在 70MHz 至6GHz，覆蓋L、S、C三個微波波段。支持雙通道發(fā)射和接收，未來可拓展主被動/多波段遙感。功耗低于 1.5W ，適用于小型平臺搭載如立方星和無人機。此外，增益配置可手動接管、支持單端轉(zhuǎn)差分輸入、支持LVDS模式等也契合本文需求。

1.3 SoC開發(fā)平臺選型

高集成度的SoC可以提供更好的性能、更低的功耗和更低的成本，數(shù)字處理后端選用ZYNQ7035芯片。該芯片內(nèi)部集成了軟件可編程的ARM處理器以及 28nm 硬件可編程的FPGA，支持在PS端實現(xiàn)自定義軟件，在PL端實現(xiàn)自定義數(shù)字電路邏輯功能。其詳細(xì)參數(shù)如表2。相對于CPU，F(xiàn)PGA更適合負(fù)責(zé)并行高速數(shù)據(jù)流處理[9]。

2 可編程射頻前端設(shè)計

2.1 射頻輸入端

為提高輻射計靈敏度，前置一個噪聲系數(shù)（NF）為0.8dB，固定增益為 20.8dB 的低噪聲放大器

SDR平臺AD9361的噪聲系數(shù)為 2.0dB ，根據(jù)兩級系統(tǒng)噪聲系數(shù)計算公式可得系統(tǒng)噪聲系數(shù)的理論值為 ，如式（1），其中 NF₁ 和 NF₂ 分別是第一級和第二級模塊的噪聲系數(shù)， G₁ 是第一級模塊的增益。

接收端口使用SDR芯片內(nèi)置的巴倫電路，實現(xiàn)單端口轉(zhuǎn)差分輸入模式，如圖2所示。

2.2 信號輸入通道配置

輻射計信號輸入通道如圖3所示，除了LNA1具有固定增益和工作參數(shù)，其他器件的參數(shù)如混頻器本振、濾波器帶寬、數(shù)字濾波采樣率和抽頭數(shù)等均可編程。本振來源于射頻鎖相環(huán)分頻，由ad9361_set_rx_lo_freq函數(shù)配置，寄存器地址為Ox005[D3：D0]。配置濾波器的部分寄存器地址如表3所示。框圖中帶有斜向上箭頭的代表該器件的增益也支持配置。

由于輻射計需要定量測量目標(biāo)在指定頻段上的輻射能量并轉(zhuǎn)化為亮溫輸出。為了區(qū)分不同目標(biāo)，需手動控制增益使得系統(tǒng)增益保持恒定。構(gòu)建的增益索引表有利于快速完成配置，每個Index值都指向表中一行，每行包含接收通道中各個器件的增益值，總增益范圍在 19.8～93.8dB 之間，增益索引表部分展示如圖4所示。

2.3 射頻前端主控

輻射計射頻前端涉及多器件的單系統(tǒng)集成及實時化配置。在軟件層搭建主控模塊可以有效的解決硬件層的配置和資源調(diào)度問題。

如圖5所示，射頻前端主控由初始化（INIT）模塊、配置（CONFIG）模塊、調(diào)試（DEBUG）模塊和跳頻鎖定（FASTLOCK）模塊組成。初始化模塊在設(shè)備啟動時對可編程器件進行初始工作狀態(tài)設(shè)置。配置模塊允許在設(shè)備處于工作狀態(tài)時配置可編程器件的參數(shù)及切換狀態(tài)而無需重啟。調(diào)試模塊用以輔助進行調(diào)試。跳頻鎖定模塊用于切換頻率時快速鎖定到新頻率。

該文側(cè)重介紹初始化模塊和配置模塊。對于初始化模塊，由于射頻前端的核心是一款可編程射頻芯片，每次上電啟動都要進行初始化配置，需要向各器件如濾波器、鎖相環(huán)、混頻器等對應(yīng)的超過1000個寄存器地址寫入數(shù)據(jù)。

對于配置模塊，主要考慮波段、增益、帶寬等系統(tǒng)參數(shù)的實時配置。單一系統(tǒng)參數(shù)的變更往往需要調(diào)整多個器件，如系統(tǒng)增益，需要同時調(diào)整混頻器，濾波器，低噪聲放大器等器件的增益。本設(shè)計對于每個系統(tǒng)參數(shù)，都將其背后的復(fù)雜執(zhí)行邏輯封裝成一個虛擬端口，只需配置一個參數(shù)而無需了解其所涉及的多個器件是如何工作的。這避免了更改或重編譯代碼，用戶不用對軟硬件有任何了解即可通過圖6的虛擬端口實時配置輻射計，圖中mgc1_value為系統(tǒng)總增益值、tx_io_freq為發(fā)射頻點、rx_io_freq為接收頻點。向虛擬端口鍵入新值時，會觸發(fā)事件監(jiān)控并執(zhí)行相應(yīng)的配置流程。

由于主控模塊均需通過唯一的四線SPI接口來配置射頻前端。為使其分時訪問該接口，使用Avalon總線協(xié)議封裝，通過多路選擇器輪流競爭接口訪問權(quán)限。該方案有利于各個主控的功能相互切割、通信隔離，提升代碼可讀性，易于維護和升級。

2.4 數(shù)字輸出模塊

數(shù)字濾波器采樣完成后，通過并行數(shù)據(jù)端口P0和P1輸出兩路位寬12bit的I/Q信號。數(shù)據(jù)端口采用適合高速傳輸、功耗低、抗噪聲的LVDS模式。

射頻前端輸出即數(shù)字處理后端輸入使用AXI總線協(xié)議封裝，如圖7所示。CLK為時鐘，頻率與數(shù)字采樣率一致，DATA為24bit數(shù)據(jù)（I路、Q路各12bit）、VALID電平拉高時輸出有效，LAST電平拉高是表示最后一個數(shù)據(jù)輸出、READY表示已準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)。

3數(shù)字處理后端設(shè)計

3.1 信號處理流程

數(shù)字信號處理流程如圖8所示，主要有兩個功能，F(xiàn)FT頻譜處理和功率譜計算與積分。

FFT頻譜處理：對正交解調(diào)后的微波輻射信號作實時1024點復(fù)數(shù)FFT運算。使用Xilinx提供的FFTIP核，采用串行流水線模式，以確保在處理連續(xù)的數(shù)據(jù)流時不丟失數(shù)據(jù)。考慮到官方IP核被加密，在3.2中設(shè)計并實現(xiàn)了一款自研FFT。

功率譜計算與積分：對FFT計算后得到的頻譜數(shù)據(jù)作功率譜計算和積分。為了提升數(shù)字處理后端的可編程性，功率譜積分時間可在 500～1000ms 內(nèi)動態(tài)調(diào)整，同樣通過虛擬端口配置。

3.2 自研FFT模塊

由于Xilinx提供的FFTIP核未開源，該文自主設(shè)計了一個1024點基4FFT模塊，其端口如表4所示。

FFT為串行輸入/輸出，采用按時間抽取的基4FFT算法，數(shù)據(jù)位為64bit復(fù)數(shù)，旋轉(zhuǎn)因子小數(shù)位為 10bit 。封裝后如圖9所示。

圖10為FFT模塊的實現(xiàn)架構(gòu)，F(xiàn)FT模塊主要由狀態(tài)機主控模塊和受其調(diào)度的三個子模塊構(gòu)成，分別是運算模塊、存儲模塊和尋址模塊。

運算模塊，由256個4路復(fù)數(shù)輸入/輸出的基4蝶形運算單元構(gòu)成。為兼顧速率與硬件資源，運算流程采取三級流水線模式。按式（②）對復(fù)數(shù)乘法進行優(yōu)化， 和 C+jD 表示任意復(fù)數(shù)，可減少一次實數(shù)乘法，只需3次實數(shù)乘法和5次實數(shù)加法。乘法器使用基4Booth編碼設(shè)計，編碼規(guī)則如表5，可將乘法累積的部分和數(shù)量減少一半，每個部分積均可通過對乘法取補碼或移位計算。

存儲模塊，包含輸入/輸出緩沖，運算存儲器及旋轉(zhuǎn)因子 ROM 。當(dāng)1024個數(shù)據(jù)全部進入輸入緩沖后，在兩組運算存儲器之間進行乒乓運算。考慮到并行性，每組運算存儲器由4塊位寬64bit，深度為256的BRAM組成

尋址模塊，由于每輪FFT運算的規(guī)則都是固定的，該子模塊可根據(jù)狀態(tài)機當(dāng)前狀態(tài)，檢索并排序所需數(shù)據(jù)的內(nèi)存地址，提供給運算子模塊進行運算。

狀態(tài)機主控模塊負(fù)責(zé)全局控制，包括控制輸入/輸出使能、讀取旋轉(zhuǎn)因子、協(xié)調(diào)子模塊工作狀態(tài)如在乒乓運算時，兩個運算存儲器之間的讀寫使能跳轉(zhuǎn)等。

綜上，該FFT模塊的輸人和輸出均為1024個時鐘，運算時間為1327時鐘。使用基4Booth編碼乘法器，只消耗LUTs，不占用DSP資源。其資源消耗與同模式、同性能的官方IP核相當(dāng)，如表6和表7所示。值得注意的是，該FFT參考流水線模式設(shè)計，運算階段依然可以接收數(shù)據(jù)，輸出階段也可以進行下一輪數(shù)據(jù)運算，因此效率為 1024/1327≈ 0.772，較為可觀。

3.3 功率譜計算及積分

FFT模塊的輸入有效位為24bit（實部 12bit. 虛部12bit），輸出有效位為48bit（實部24bit、虛部24bit） 。實部及虛部的平方和為對應(yīng)子帶的功率值（49bit） 。對1024個子帶的功率值累次積分即得到在該時間段內(nèi)的功率譜積分值。

上位機通信使用通用異步收發(fā)器（UART），速率為 115200Hz ，因此需限制積分次數(shù)和積分值位寬。以L波段為例，通道帶寬為 27MHz ，數(shù)字信號處理速率為 60MHz ，積分范圍在 30000～60000 次，對應(yīng)積分時間在 500～1000ms ，以16bit表示，最終積分值右移25bit，為40bit正整數(shù)，數(shù)據(jù)流見圖11。

4系統(tǒng)測試

4.1單一信號

對輻射計系統(tǒng)做單一信號閉環(huán)測試，本振頻率為 1.4135GHz ，發(fā)送信號為I/Q兩路正弦信號，頻率為 120kHz ，相位相差 90^° ，理論波形如圖12（a）所示。數(shù)字采樣率為 30.72MHz ，實際波形如圖12（b）所示。

對接收信號做1024點FFT，采樣率為30.72MHz，結(jié)果如圖13所示。在快速傅里葉變換（FFT）后，I/Q信號峰值功率出現(xiàn)的頻率為 120kHz ，與理論值吻合。

由上述測試可驗證該輻射計系統(tǒng)對單一信號的接收和處理能力。

4.2 寬帶信號

以L波段為例，對輻射計系統(tǒng)做寬帶信號閉環(huán)測試。發(fā)送信號為I/Q調(diào)制的寬帶信號，帶寬為27MHz，中心頻率為 1.4135GHz ，輸出衰減為 60dB O

使用虛擬端口配置本振頻率為 1.4135GHz ，增益為 50dB ，數(shù)字濾波器采樣率為 60MHz 。濾波器鏈路的幅度響應(yīng)曲線的平坦度小于0.1dB，如圖14所示。

對發(fā)送信號理論值做1024點FFT后得到的理論結(jié)果如圖15（a）所示，對接收信號實際值進行FFT和功率譜積分后得到的實測結(jié)果如圖15（b）所示，其中FFT采樣率為 60MHz 。

對理論結(jié)果和實測結(jié)果進行相關(guān)性計算，如圖16所示，可見在閉環(huán)測試中，實測信號和理論信號相關(guān)性達到了 0.9906 0

由上述測試可驗證該輻射計系統(tǒng)處理寬帶信號的性能較為優(yōu)秀。

4.3冷熱源測試及靈敏度分析

4.1和4.2的實驗說明該輻射計對通信信號具有良好的接收能力，但不足以說明其具備接收和處理寬頻帶微弱噪聲信號的能力。因此還需要連接冷源和熱源進行噪聲測試。

以L波段為例，配置輻射計的本振頻率為1.4135GHz 。多級濾波器參數(shù)同寬帶測試中使用的一致，數(shù)字濾波器采樣率為 60MHz ，鏈路總增益為55dB ，功率譜積分時間為 700ms 。將輻射計與熱源 （T_hot=293K） 連接，相對功率譜如圖17（a），將輻射計與冷源 （T_cold=80K） 連接，相對功率譜如圖17（b）。帶寬內(nèi)相對功率值即為第282至742點子帶相對功率的累積。

Y因子法是一種常用的測量噪聲系數(shù)的方法，在該文中，將Y因子定義為相對功率之比，如式（3）所示。其中 Count_hot 為熱源的相對功率， Count_cold 為冷源的相對功率。

系統(tǒng)噪聲溫度 T_sys 可由 Y 因子計算，如式（4）所示。其中 T_hot 和 T_cold 分別表示了熱源與冷源的溫度，測試條件下為 293K 和 80K 。

系統(tǒng)噪聲系數(shù)的計算公式如下。

剔除相對功率值異常的子帶，根據(jù)輻射計兩點定標(biāo)原理，可得一次項系數(shù) Δ_a ，如式（6。其中分子為熱源與冷源在信道帶寬內(nèi)的相對功率值之差。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差分析法可以求出輻射計溫度靈敏度 NEDT_C 的實測值，如式（8）。其中 STD（Count_hot） 為熱源的相對功率值的標(biāo)準(zhǔn)差，AVR（a）為一次項系數(shù) a 的平均值。

以10s為周期分別對熱源和冷源進行觀測，系統(tǒng)噪聲溫度為 148K ，噪聲系數(shù)為 1.79dB ，溫度靈敏度的實測值為 0.13K 。

溫度靈敏度的理論值NEDT_T可通過理論方程推導(dǎo)得出，如式（8），其中 τ 為單個功率譜的積分時間， ΔG/G 為輻射計的增益波動。經(jīng)計算，溫度靈敏度的理論值為 0.05K 。

由此可見，系統(tǒng)靈敏度的實測值偏離理論值兩倍左右，理論值計算沒有考慮放大器增益波動，實驗結(jié)果總體符合預(yù)期。

由于微波輻射計測量的是微波熱輻射噪聲信號，目前沒有絕對定標(biāo)基準(zhǔn)用來標(biāo)定，也沒有標(biāo)準(zhǔn)測試設(shè)備可以進行比對。因此上述測試足以驗證本文研制的軟件定義輻射計所采用的技術(shù)方案可行，性能優(yōu)秀。

4.4方案對比

為說明本設(shè)計輻射計相關(guān)性能指標(biāo)的先進性和適用性，將其與傳統(tǒng)輻射計SMAP以及歐空局的軟件定義輻射計FMPL-2作橫向?qū)Ρ龋绫?所示。

相較于超外差架構(gòu)的SMAP星載輻射計，本文軟件定義輻射計采用零中頻架構(gòu)，基于軟件定義無線電平臺開發(fā)，射頻前端及數(shù)字處理后端均可編程，適用于不同任務(wù)場景，系統(tǒng)集成度高、功耗低、體積小。圖18（a）和（b）分別為SMAP輻射計與本文研制的軟件定義輻射計的實物圖對比，本文輻射計尺寸僅為 15cm×7.5cm×1 cm，功耗低至 5.05W 。同時，商用芯片使得生產(chǎn)該型輻射計的成本大幅降低，周期大幅縮短。

本文輻射計與歐空局的軟件定義輻射計FMPL-2雖然同樣基于軟件定義無線電技術(shù)開發(fā)，但FMPL-2并未實現(xiàn)輻射計的動態(tài)可編程，也沒有給出相應(yīng)的技術(shù)方案。本文充分挖掘了軟件定義無線電技術(shù)在輻射計上應(yīng)用的潛力，給出了實現(xiàn)輻射計射頻前端及數(shù)字處理后端可編程的完整技術(shù)路線和方案，并引人了超過1000個通道的頻譜分析功能。其可編程性、頻譜處理能力、靈敏度、噪聲系數(shù)等方面均優(yōu)于FMPL-2。

5 結(jié)束語

本文基于軟件定義無線電技術(shù)設(shè)計并實現(xiàn)了一個射頻前端和數(shù)字處理后端均可編程的數(shù)字化輻射計。對該技術(shù)在微波輻射計領(lǐng)域的應(yīng)用在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位。率先將針對傳統(tǒng)通信領(lǐng)域的軟件定義無線電技術(shù)引入到輻射噪聲信號處理的研究中，證明了該技術(shù)對微波輻射信號依然具有良好的適用性。

該軟件定義輻射計的頻段、帶寬、增益、濾波器功率譜積分時間等均可軟件配置。相對于傳統(tǒng)微波輻射計，靈敏度及噪聲系數(shù)有一定的不足，但具有可編程、功耗低、集成度高等突出優(yōu)勢，適用于小型搭載平臺如無人機[10]和立方星。

在實驗室環(huán)境下測得噪聲系數(shù) 1.79dB ，熱靈敏度 0.13K ，動態(tài)增益范圍 19.8～93.8dB ，工作頻段70MHz～6GHz ，濾波帶寬 200kHz～56MHz， 積分時間 500～1000ms 。

同時，開發(fā)了一套效率高、資源占用低的1024點FFT，提高了抗射頻干擾能力，達成在L波段輻射計中引入多通道子帶劃分的突破。由于軟件無線電平臺具備接收和發(fā)射兩種功能，所以在很多主被動聯(lián)合觀測的需求下，不僅可以軟件定制輻射計，還可以軟件定制GNSS。例如，海鹽和海冰的探測需要L波段的微波輻射計和GNSS發(fā)射機進行主被動聯(lián)合測試[11-12]。歐空局就是采用軟件無線電平臺實現(xiàn)了立方星并取得了較好的有效數(shù)據(jù)，充分驗證了該方案的有效性[13]。

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（編輯：徐柳）