三路單脈沖雷達(dá)接收機(jī)DAGC技術(shù)的工程實(shí)現(xiàn)

摘要 分析單脈沖雷達(dá)接收機(jī)DAGC的基本原理，給出靈敏度時(shí)間(STC)控制、手動(dòng)增益控制及自動(dòng)增益控制的數(shù)字實(shí)現(xiàn)方法以及相應(yīng)的硬件、軟件結(jié)構(gòu)框圖。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)討論了數(shù)字AGC技術(shù)工程化設(shè)計(jì)中需考慮的衰減量波動(dòng)、數(shù)控衰減器在中頻電路中引入的沖擊振蕩、頻率捷變狀態(tài)中通道增益和數(shù)字AGC技術(shù)實(shí)現(xiàn)對接收機(jī)增益控制等幾個(gè)問題，以及解決途徑。
關(guān)鍵詞 DAGC技術(shù)；靈敏度時(shí)間控制；數(shù)字自動(dòng)增益控制；衰減器；FPGA

    在雷達(dá)工作過程中，目標(biāo)回波信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)有較大起伏，使接收機(jī)的輸入信號(hào)會(huì)有相應(yīng)的變化，變化范圍為-100～15 dBm。若要在如此寬的信號(hào)變化范圍中保持接收設(shè)備能對信號(hào)進(jìn)行線性放大，和保持信號(hào)不飽和失真，就需要控制接收機(jī)的增益，擴(kuò)展接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，并以此來防止近程雜波及大目標(biāo)回波使接收機(jī)發(fā)生過載，實(shí)現(xiàn)洲角歸一化，使接收機(jī)輸出的角誤差信號(hào)強(qiáng)度只與目標(biāo)偏離天線軸線的夾角有關(guān)，而與距離的遠(yuǎn)近和反射面積的大小無關(guān)。在工程實(shí)踐中，通常用AGC來達(dá)到這一目的。
    早期雷達(dá)采用模擬AGC電路，精度不高，且調(diào)試復(fù)雜。后經(jīng)采用EPROM和D／A轉(zhuǎn)換器對模擬衰減器的控制曲線加以修正，提高了對接收機(jī)進(jìn)行調(diào)試和補(bǔ)償?shù)撵`活性，但電路集成度低，設(shè)備量大。
    文中介紹了三路單脈沖雷達(dá)接收機(jī)DAGC技術(shù)的工程實(shí)現(xiàn)方法，其是基于A／D轉(zhuǎn)換芯片AD9280、FPGA(XC2V1000)等數(shù)字電路，在系統(tǒng)搜索狀態(tài)采用靈敏度時(shí)問控制(STC)及手動(dòng)增益控制、跟蹤狀態(tài)采用AGC控制，實(shí)時(shí)調(diào)整中頻接收機(jī)的增益，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性，使得信號(hào)處理能夠根據(jù)雷達(dá)工作狀態(tài)的需要，調(diào)整中放模塊的增益，甚至改變自動(dòng)增益控制的方式。

1 三路單脈沖雷達(dá)接收機(jī)DAGC技術(shù)
1．1 組成及工作原理
    圖1為三路單脈沖雷達(dá)接收機(jī)DACC的組成框圖。搜索狀態(tài)衰減器1受靈敏度時(shí)間控制，衰減器2受手動(dòng)增益控制。跟蹤狀態(tài)和通道AGC，以和通道中頻信號(hào)作為輸入信號(hào)。當(dāng)目標(biāo)由遠(yuǎn)至近，回波信號(hào)由弱到強(qiáng)時(shí)，控制兩級(jí)衰減器，使得通道中頻信號(hào)幅度保持不變，與時(shí)差通道數(shù)控衰減器衰減量與和通道保持一致，從而保證了兩個(gè)支路輸出的角誤差信號(hào)與目標(biāo)偏離天線軸線的夾角有關(guān)，而與目標(biāo)的遠(yuǎn)近大小無關(guān)。圖中FPGA用來實(shí)現(xiàn)數(shù)字增益控制。

1．2 STC及手動(dòng)增益控制的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)
    在進(jìn)行大范圍目標(biāo)搜索時(shí)，需要把距離選通波門開得較寬，這可用STC電路來實(shí)現(xiàn)。其屬于AGC，可用來減輕近距離的地物反射或海浪反射引起的雜波干擾，防止中頻放大器產(chǎn)生過載。由于叢林、海浪等地物反射引起的雜波干擾的強(qiáng)度隨距離的增大而減小，因此STC電路適用于消弱此種具有特定變化規(guī)律的雜波干擾。
    具體實(shí)現(xiàn)方法是：根據(jù)信號(hào)的實(shí)際情況確定近距離增益值和增益隨時(shí)間變化的曲線，將這一曲線存儲(chǔ)在一個(gè)小的臨時(shí)緩存中，即加載到FPGA內(nèi)部ROM中，在發(fā)射觸發(fā)脈沖觸發(fā)時(shí)將存儲(chǔ)量按一定時(shí)間源源不斷地讀出，產(chǎn)生隨時(shí)間變化的衰減量曲線，從而實(shí)現(xiàn)靈活準(zhǔn)確的STC。圖2為STC數(shù)字實(shí)現(xiàn)的框圖。

    手動(dòng)增益控制的實(shí)現(xiàn)較為簡單，其過程是將手動(dòng)控制電壓經(jīng)A／D變換后送到FPGA，在FPGA內(nèi)部經(jīng)數(shù)據(jù)寄存器輸出后送到控制衰減器2，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)增益控制。
1．3 跟蹤狀態(tài)自動(dòng)增益控制數(shù)字化實(shí)現(xiàn)
    跟蹤狀態(tài)自動(dòng)增益控制是對被跟蹤目標(biāo)的幅值進(jìn)行采樣，根據(jù)幅值的大小，反過來控制前端中頻放大電路中的衰減器，將信號(hào)輸出調(diào)整到適合檢測的幅值范圍內(nèi)。如圖1所示，A／D數(shù)據(jù)輸出到FPGA，在FPCA內(nèi)取測距波門中心的3個(gè)值，進(jìn)行比較，選取最大值，作為被跟蹤信號(hào)幅值，則有
    A(n+1)=A(n)+e(n)      (1)
    式(1)中，A(n)為第n次脈沖回波周期的衰減量；e(n)為第n周被跟蹤信號(hào)幅值與各級(jí)門限比較所得的增益需要調(diào)整dB數(shù)；A(n+1)為n+1第次回波周期的衰減量。
    每次在修正AGC碼之前，需采用求出的差值e(n)對當(dāng)前衰減量進(jìn)行修正，將信號(hào)調(diào)整到設(shè)計(jì)允許的誤差范圍內(nèi)，或者AGC值衰減量達(dá)到系統(tǒng)允許的最大值。
    各級(jí)門限值的確定方法是：首先確定標(biāo)準(zhǔn)門限值λ，標(biāo)準(zhǔn)門限值由A／D轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍、接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍和噪聲電平以及雷達(dá)虛警概率共同確定，根據(jù)接收機(jī)在AGC調(diào)整范圍內(nèi)的噪聲電平大小，得到相應(yīng)檢測所需的信號(hào)幅值，這就是標(biāo)準(zhǔn)門限的下限λ下。門限的上限λ上由A／D轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍決定，為防止信號(hào)飽和，一般低于A／D轉(zhuǎn)換器可測量值3 dB，例如，如果最大量程為±1 V，則可取信號(hào)調(diào)整到位時(shí)的最大幅值為0．707 V。當(dāng)信號(hào)幅值處于標(biāo)準(zhǔn)門限值之間時(shí)，e(n)值為0。然后根據(jù)衰減器步跳量及信號(hào)最大起伏量確定剩余各級(jí)門限值，則有
    e(n)=20lg(λx／λ上)     (2)
    式(2)中，λx為各級(jí)門限值，假設(shè)衰減器的步跳量為0．5 dB，則由e(n)分別等于0．5，1．0，1．5，…，計(jì)算出各級(jí)門限值λ1，λ2，λ3，…，設(shè)信號(hào)幅值為V，則當(dāng)λ上<V≤λ1時(shí)，e(n)值為0．5 dB；當(dāng)λ1<V≤λ2時(shí)，e(n)值為1．0 dB，…。

2 工程中問題的解決
2．1 中放增益控制問題
    系統(tǒng)搜索狀態(tài)中的兩級(jí)衰減器分別受靈敏度時(shí)間控制和手動(dòng)增益控制，當(dāng)雷達(dá)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時(shí)，操作手在按跟蹤鍵之前，需調(diào)整手動(dòng)增益，以使目標(biāo)回波在系統(tǒng)跟蹤所要求的電平范圍內(nèi)。解決辦法，是將自動(dòng)增益控制的初始值設(shè)為測距波門中心點(diǎn)處的靈敏度時(shí)間控制值和手動(dòng)增益控制值之和，這樣信號(hào)能快速調(diào)整到標(biāo)準(zhǔn)門限之內(nèi)，對近距離目標(biāo)有效。此方法已成功應(yīng)用于工程中，可在8個(gè)雷達(dá)工作周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)回波輸出穩(wěn)定。
2．2 頻率捷變狀態(tài)中通道增益問題
    采用頻率捷變體制的寬帶雷達(dá)系統(tǒng)中，帶內(nèi)增益很難保持一致，回波信號(hào)幅度會(huì)有較大變化，有時(shí)甚至影響跟蹤的穩(wěn)定性。解決方法是測出雷達(dá)通道在不同頻點(diǎn)的增益差值，頻率變化時(shí)在數(shù)字AGC控制下對不同頻點(diǎn)的增益差值進(jìn)行補(bǔ)償。
2．3 衰減量波動(dòng)問題
    在進(jìn)行信號(hào)處理時(shí)，需檢測和支路信號(hào)中輸入信號(hào)的電平。但是，當(dāng)幅值處于調(diào)節(jié)衰減的臨界狀態(tài)時(shí)，由于電平檢測的波動(dòng)性和滯后性，使得即使輸入信號(hào)的電平?jīng)]有發(fā)生較大的變化，其估計(jì)值也時(shí)常會(huì)在某一AGC值左右震蕩。這樣就會(huì)出現(xiàn)中頻增益反復(fù)調(diào)整的現(xiàn)象，使輸出電平不穩(wěn)，雷達(dá)系統(tǒng)無法進(jìn)入穩(wěn)定跟蹤狀態(tài)。解決方案是使加上衰減與撤去衰減的門限不同。根據(jù)雷達(dá)目標(biāo)檢測的特性，可以令加上衰減的門限高，而撤去衰減的門限低來解決，在系統(tǒng)中衰減器最小衰減量為0．5dB，所以設(shè)計(jì)的門限上限和下限之間差值>0．5dB。
2．4 沖擊振蕩問題
    由于數(shù)控衰減器的開關(guān)作用時(shí)會(huì)在輸出端產(chǎn)生沖擊振蕩，其會(huì)對中頻信號(hào)造成干擾，成為假目標(biāo)。工程設(shè)計(jì)中，通過手動(dòng)增益控制和自動(dòng)增益控制的時(shí)序調(diào)整，即手動(dòng)增益控制碼的變化控制在雷達(dá)休止期，自動(dòng)增益控制碼的變化控制在測距波門的前后沿，從而解決沖擊振蕩干擾問題。由于靈敏度時(shí)間控制無法通過時(shí)序調(diào)整來解決，所以系統(tǒng)中衰減器1應(yīng)采用模擬衰減器，其有效地解決了沖擊震蕩問題。搜索狀態(tài)下的視頻輸出波形如圖3所示，跟蹤狀態(tài)下的視頻輸出波形如圖4所示。

2．5 接收機(jī)增益控制中存在的問題
    用數(shù)字AGC技術(shù)實(shí)現(xiàn)對接收機(jī)增益控制仍存在一些問題亟待解決。如果雷達(dá)在受到同頻異步信號(hào)干擾時(shí)，使用這種數(shù)字化的干擾信號(hào)進(jìn)行AGC時(shí)，可能導(dǎo)致衰減量被迅速調(diào)整到一個(gè)背離實(shí)際情況的值，從而丟失目標(biāo)。因此，在軟件設(shè)計(jì)上應(yīng)采取一些措施，避免此情況出現(xiàn)。另外，當(dāng)目標(biāo)檢測過程中采用多脈沖積累技術(shù)時(shí)，如果區(qū)域內(nèi)存在目標(biāo)或者噪聲突然增強(qiáng)或減弱，在一次脈沖積累過程中由于不調(diào)整AGC，會(huì)出現(xiàn)接收機(jī)飽和或信號(hào)丟失現(xiàn)象，這是應(yīng)用數(shù)字AGC技術(shù)時(shí)應(yīng)當(dāng)注意的問題。

3 結(jié)束語
    數(shù)字AGC技術(shù)調(diào)節(jié)方便、反饋快捷、精度高，從而增強(qiáng)了對接收中頻放大模塊的控制能力，有利于提高系統(tǒng)的檢測和跟蹤性能。目前，大量可編程邏輯器件集成度越來越高，IP核也越來越多，性價(jià)比也越來越好，為數(shù)字化自動(dòng)增益制技術(shù)的應(yīng)用提供了有利的硬件平臺(tái)。文中介紹的單脈沖雷達(dá)接收機(jī)DAGC技術(shù)，已在某型號(hào)雷達(dá)的研制中具體應(yīng)用，解決了工程應(yīng)用中的許多實(shí)際問題，收到了良好的效果。