超高速雷達數(shù)字信號處理技術(shù)簡介

綜述了超高速雷達數(shù)字信號處理技術(shù)的應用背景、研究內(nèi)容、關(guān)鍵技術(shù)及解決方法.采用超高速數(shù)字信號處理技術(shù)實現(xiàn)了超高速數(shù)據(jù)采集、高速數(shù)字脈沖壓縮、超高速雷達回波模擬等系統(tǒng).

關(guān)鍵詞:雷達;超高速;數(shù)字信號處理;數(shù)據(jù)采集;脈沖壓縮;信號產(chǎn)生;信號模擬

Ultra-High-Speed Radar Digital Signal Processing

LONG Teng,MAO Er-ke,YUE Yan-sheng,HUANG Ruo-jian

(Department of Electronic Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081 China)

Abstract:The application background,research area,key technique problems and their resolution of ultra-high-speed radar digital signal processing were discussed.An ultra-high-speed data acquisition system,a high-speed digital pulse compression system,and an ultra-high-speed radar echo simulator were realized.

Key words:radar;ultra-high-speed;digital signal processing;data acquisition;pulse compression;signal generator;signal simulator

一、引　　言

本文所討論的超高速數(shù)字信號處理，是指數(shù)百兆帶寬信號的數(shù)字采集、處理技術(shù)超高速數(shù)字信號處理技術(shù)具有很多獨特的問題，必須進行仔細的分析和研究.

本文的目的，就是綜述超高速雷達數(shù)字信號處理技術(shù)的應用背景、研究內(nèi)容、關(guān)鍵技術(shù)及解決方案，并介紹作者已經(jīng)實現(xiàn)的一些超高速雷達數(shù)字信號處理系統(tǒng).

二、超高速數(shù)字信號處理在雷達中的應用

1.距離高分辨率雷達數(shù)字信號處理

距離高分辨率雷達具有多種優(yōu)點[1].對于最為常用的線性調(diào)頻脈沖(CHIRP)信號，為實現(xiàn)0.1～1m的距離分辨率，要求信號帶寬可以達到150～1500MHz[2]，因此是超高速數(shù)字信號處理技術(shù)的主要應用之一.

2.合成孔徑雷達數(shù)字信號處理

合成孔徑雷達是當前雷達偵察的主要方式之一[3]，其分辨率已經(jīng)從早期的10m量級發(fā)展到目前的1m～0.1m量級[4]，因此同樣需要進行超高速數(shù)字信號采集與處理.

3.電子對抗與反對抗

在電子對抗和反對抗領(lǐng)域，數(shù)字射頻存儲器技術(shù)是近年研究的熱點[5].數(shù)字射頻存儲器的主要指標之一是瞬時帶寬，其中3-bit量化的數(shù)字射頻存儲器帶寬已經(jīng)可以達到17GHz，8-bit量化的數(shù)字射頻存儲器帶寬也可以達到220MHz[6].因此，數(shù)字射頻存儲器的基礎(chǔ)也是超高速數(shù)字信號采集與處理技術(shù).

4.雷達數(shù)字接收機

當前雷達系統(tǒng)研究中已經(jīng)提出了雷達數(shù)字接收機的概念，并在頻率較低的米波雷達中首先獲得了應用[7].雷達數(shù)字接收機的關(guān)鍵技術(shù)是對微波信號的采集和處理[7]，因此同樣需要采用超高速數(shù)字信號處理技術(shù).

5.多功能雷達信號產(chǎn)生與處理

雷達系統(tǒng)具有多種發(fā)射波形可以匹配不同的應用環(huán)境、通過多波形的組合使用取得最優(yōu)的效果[8].直接數(shù)字合成(DDS)技術(shù)是數(shù)字波形形成的主要方法之一.當前DDS器件的水平已經(jīng)可以達到400MHz[9]，因此也是超高速數(shù)字信號處理技術(shù)的應用背景.

6.雷達信號/干擾模擬器

在雷達系統(tǒng)的研制中，為了在天線和微波前端不具備的條件下對雷達數(shù)字信號處理機進行調(diào)試，需要雷達視頻信號/干擾模擬器[10].對于距離高分辨率雷達、合成孔徑雷達，雷達信號/干擾模擬器也要能夠模擬寬帶視頻信號，因此也是超高速數(shù)字信號處理技術(shù)的應用領(lǐng)域之一.

三、超高速數(shù)字信號處理的主要內(nèi)容與特殊問題

1.超高速數(shù)字信號處理的主要研究內(nèi)容

超高速數(shù)字信號處理主要包括以下研究內(nèi)容[11]：

(1)超高速數(shù)據(jù)采集　超高速數(shù)據(jù)采集是整個超高速數(shù)字信號處理的最前端，包括超高速AD變換和超高速數(shù)據(jù)存儲.其中超高速AD變換的特殊問題是其中的超高速模擬電路，即AD變換的精度.它是整個超高速數(shù)字信號處理性能的基礎(chǔ).

(2)高速實時數(shù)字信號處理　高速實時數(shù)字信號處理要完成對采集的超高速數(shù)據(jù)進行信號檢測、截獲、跟蹤等處理，并具備不斷修改、完善的潛力;因此其主要特點是實時性、多功能、可編程，故多采用高速實時數(shù)字信號處理芯片(DSP芯片)構(gòu)成.當前先進DSP芯片的主要代表是TMS320C8x、TMS320C6x和ADSP2106x芯片等等.

(3)超高速信號生成與信號模擬　這里的超高速信號生成指的是通過直接數(shù)字合成(DDS)方法產(chǎn)生各種雷達信號，因此其中核心的問題是超高速DA轉(zhuǎn)換.這里的超高速信號模擬指的是通過數(shù)字仿真的方法模擬寬帶雷達視頻回波信號，因此核心的問題也是超高速DA轉(zhuǎn)換.

2.超高速數(shù)字信號處理的特殊問題

超高速數(shù)字信號處理的特殊問題主要表現(xiàn)在以下幾個方面[11，12]：

(1)元器件選型　芯片選型的問題主要在于兩個方面：一方面，傳統(tǒng)的TTL芯片不能滿足超高速數(shù)字信號處理的速度要求，必須采用更高速的芯片類型.另一方面，AD變換器、DSP芯片、專用芯片(如FFT、數(shù)字相關(guān))、及DA變換器等芯片的選型應與系統(tǒng)的要求進行最佳匹配.

(2)體系結(jié)構(gòu)　系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)必須在信號帶寬、數(shù)據(jù)存儲量、數(shù)字信號處理速度等多項要求之間進行最優(yōu)的折中.由于系統(tǒng)速度要求很可能超過單片采集或處理芯片的速度極限，因此必須考慮采用多路并行的體系結(jié)構(gòu).

(3)數(shù)字電路的硬件實現(xiàn)　在硬件電路的實現(xiàn)中，由于信號之間的連線存在電阻、電容和電感，因此會造成信號的延遲、反射、串擾和噪聲.這些現(xiàn)象在中低速系統(tǒng)中通?？梢院雎?，但是在超高速系統(tǒng)中則會變得非常嚴重.例如，印制板上的線每英尺會造成約2ns的延遲量，這一延遲在中低速系統(tǒng)中可以不考慮，而在超高速系統(tǒng)中它已等同甚至超過一級門延遲.所以，超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的信號連線必須進行特殊的處理，才能保證系統(tǒng)的正常工作.

(4)模擬電路的抗干擾　在超高速數(shù)據(jù)采集、超高速信號生成/信號模擬等應用場合，除了數(shù)字電路之外，還有運算放大器、A/D變換器、D/A變換器等模擬器件.這些模擬器件很容易受到各種干擾，必須采取各種抗干擾措施來保證它們的精度.

(5)系統(tǒng)功耗與散熱　超高速系統(tǒng)的電流一般都遠大于中、低速系統(tǒng)，因為超高速系統(tǒng)實際上是以大電流來換取高速度的.系統(tǒng)功耗引起的溫升會使芯片的性能下降，嚴重時甚至會造成芯片的損壞.因此必須在系統(tǒng)設(shè)計時進行熱性能分析，并仔細研究系統(tǒng)散熱的方法.

(6)超高速數(shù)字信號處理的軟件算法　典型的雷達數(shù)字信號處理算法可分為底層算法和高層算法.底層算法主要是提高信噪比、抑制雜波等算法，包括脈沖壓縮、濾波、恒虛警率處理、信號檢測等.高層算法主要是雷達成像、目標識別等算法.此外，在電子對抗、信號生成、信號模擬等方面，也有其特殊的算法需要研究.

超高速信號處理算法中一個比較獨特的問題是需要研究信號處理算法的并行性、算法與硬件結(jié)構(gòu)的最佳匹配問題.這是因為信號采集速度極高，要求信號的快速處理.在單片信號處理芯片性能不足的情況下，必須研究并行處理的處理機結(jié)構(gòu)和與之相應的算法.

四、超高速數(shù)字信號處理關(guān)鍵技術(shù)的解決方案

1.元器件的選型[13]

對于超高速數(shù)字信號處理系統(tǒng)，傳統(tǒng)的TTL芯片已無法工作.目前常用的超高速標準芯片系列是ECL芯片;其不同系列的最高工作頻率可以達到250M、500M、甚至1600MHz(表1).對于更高速的系統(tǒng);則需要采用砷化鎵器件構(gòu)成.

表1　常用芯片的最高觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)頻率(單位：MHz)

TTLTTLTTLTTLCMOSCMOSECLECLECLECL

74LS74ALS74S74AS74HCT74ACT10K10KH100K100E

335095125501251502503751600

2.數(shù)字電路的實現(xiàn)[14]

在數(shù)字電路的實現(xiàn)中，主要需要解決信號的延遲、反射、串擾、噪聲問題.解決這些問題的方法，就是采用微波傳輸線作為信號之間的連線.微波傳輸線在端接電阻匹配的條件下可以消除反射，并精確控制信號的延遲.由于ECL芯片本身具有驅(qū)動50Ω端接傳輸線的能力，這就為微波傳輸線的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ).

3.模擬電路抗干擾[15]

模擬電路的干擾源主要包括空間電磁輻射的干擾、信號線之間的串擾、地線和電源線的共模干擾等因素.可以采用屏蔽、大面積接地、元器件的合理布局、電源濾波等多種手段解決這一問題.例如，可以采用鐵氧體磁芯加電容濾波的方法來取得最好的濾波效果，并采用星形接地的方法來減小地線上的共模干擾.

4.體系結(jié)構(gòu)的選擇

體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計可以分為多個層次：最頂層的設(shè)計是整個數(shù)字信號處理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu);進一步細化的層次是AD、存儲器、DSP、DA等模塊的體系結(jié)構(gòu).超高速系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)最重要的特點就是各種層次上的并行性;而具體系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計則要根據(jù)不同的應用條件而定.

5.系統(tǒng)功耗與散熱[11]

由于超高速系統(tǒng)的功耗很大，因此在系統(tǒng)設(shè)計時就必須把熱設(shè)計作為必需的組成部分;在設(shè)計階段就要仔細分析各個芯片的功耗、熱阻、溫度范圍及推薦的散熱方法.對于必須進行強制制冷的系統(tǒng)，可以在風冷、液冷等方案之間進行選擇;一般來說，只要選擇合適的風冷方法就可以使系統(tǒng)正常工作.

6.采用先進的分析手段[16]

電子設(shè)計自動化(EDA)技術(shù)可以對超高速系統(tǒng)的設(shè)計提供極大的幫助.先進的EDA工具可以分析PCB上傳輸線的延遲、反射和串擾，并對系統(tǒng)功耗和溫度進行分析;采用先進的EDA工具還可以在嚴格定義的布線條件下完成系統(tǒng)的自動布線，因此可
 

五、超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實現(xiàn)

對于1m距離分辨率的雷達系統(tǒng)，其采樣速率可以達到250MS/s，其主要問題是：

1.體系結(jié)構(gòu)的選擇

(1)AD變換的體系結(jié)構(gòu)[17]　在AD轉(zhuǎn)換模塊中，可以采用單片AD的結(jié)構(gòu)，也可以采用多片AD并行的結(jié)構(gòu);而多片AD并行又包括時間并行和幅度并行兩種方式.多片AD并行可以降低對每一AD芯片的性能要求，但增加了設(shè)備量和控制的復雜性.在超高速應用的場合，一般采用的是單片AD變換的結(jié)構(gòu).

(2)數(shù)據(jù)存儲的體系結(jié)構(gòu)[18]　由于超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的速度很快，因此存儲模塊的設(shè)計一般都采用分路數(shù)據(jù)輸出的體系結(jié)構(gòu);這種結(jié)構(gòu)將AD的輸出數(shù)據(jù)分成多路較低速數(shù)據(jù)輸出，可以降低對存儲器讀寫速度的要求.

2.元器件的選型與信號連線的處理

根據(jù)表1，對于250MS/s的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，傳統(tǒng)的TTL芯片已無法工作.目前常用的超高速標準芯片系列是ECL芯片;對于250MS/s的采樣速率，ECL10KH系列可以滿足要求.

根據(jù)前面的分析，超高速系統(tǒng)的信號連線必須采用微波傳輸線作為信號之間的連線，并要進行正確的端接.這樣就可以消除反射，并精確控制信號的延遲.

3.模擬電路的抗干擾

系統(tǒng)抗干擾的方法首先是屏蔽，包括電路整體的屏蔽以及系統(tǒng)模擬部分和數(shù)字部分之間的屏蔽.但是由于超高速系統(tǒng)一般是高功耗的，因此還必須兼顧散熱問題.

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中數(shù)字電路對模擬電路的干擾是主要誤差源之一.消除這一干擾可以通過器件的隔離、電源濾波、星形接地以及元器件的合理布置來解決.在超高速系統(tǒng)的實現(xiàn)中，大面積地是一個最基本、也最重要的因素之一，一方面它可以減小干擾，另一方面它也是微帶傳輸線的一個組成部分.

4.系統(tǒng)的實現(xiàn)與性能測試

(1)系統(tǒng)的實現(xiàn)　系統(tǒng)中采用了單片超高速AD芯片加全局存儲器的體系結(jié)構(gòu)，并采用單片機構(gòu)成系統(tǒng)與IBM-PC計算機的接口，使數(shù)據(jù)采集的結(jié)果可以在計算機中顯示并加以處理(圖1).其中，為降低對存儲器速度的要求，采用了分路數(shù)據(jù)輸出的方式，使存儲器的速度降低為AD變換速度的一半.存儲器的周邊器件采用ECL芯片.信號之間的連線采用微帶或帶狀傳輸線，并端接了合適的端接電阻.

圖1　超高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

(2)系統(tǒng)性能測試　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能測試主要包括靜態(tài)測試和動態(tài)測試，其中動態(tài)測試更能夠全面地反應系統(tǒng)的性能.在動態(tài)測試中最為關(guān)心的指標是動態(tài)有效位(ENOB).本系統(tǒng)在250MS/s采樣速率、125MHz輸入信號時測試了系統(tǒng)的動態(tài)有效位，可以證明，系統(tǒng)的動態(tài)有效位在7-bit以上.

六、高速數(shù)字脈沖壓縮系統(tǒng)的實現(xiàn)

1.脈沖壓縮的基本原理[8]

脈沖壓縮算法的基礎(chǔ)在于匹配濾波的理論.假設(shè)發(fā)射信號為S(t)，其頻譜為S(ω);并設(shè)匹配濾波器的沖擊響應為h(t)，傳遞函數(shù)為H(ω)，則脈沖壓縮后的信號輸出為：

Y(ω)=H(ω).S(ω)　(1)

y(t)=h(t)

s(t)　(2)

這里，只要匹配濾波器的沖擊響應/傳遞函數(shù)與發(fā)射信號滿足匹配濾波關(guān)系，就可以獲得脈沖壓縮的輸出結(jié)果.

2.脈沖壓縮的主要實現(xiàn)方法

(1)時域法實現(xiàn)脈沖壓縮　時域法實現(xiàn)脈沖壓縮的基礎(chǔ)是式(2)：由于匹配濾波在時域等效于相關(guān)接收，因此，時域法實質(zhì)上就是數(shù)字相關(guān)的方法.圖2顯示了相關(guān)數(shù)字脈壓的基本結(jié)構(gòu).其中，采集的原始信號與預先存儲的參考碼送入相關(guān)器，相關(guān)器的輸出就是脈壓后的數(shù)字結(jié)果;可以采用DA變換將其變?yōu)槟M信號顯示.

圖2　時域法實現(xiàn)數(shù)字脈壓

(2)頻域法實現(xiàn)數(shù)字脈壓　頻域法實現(xiàn)數(shù)字脈壓的基礎(chǔ)是式(1)，其基本結(jié)構(gòu)示于圖3.這里，采集的原始信號首先通過FFT變換到頻域，與預先存儲的參考碼相乘后，再通過逆FFT變換回時域，就構(gòu)成脈壓后的數(shù)字結(jié)果;同樣可以采用DA變換將其變?yōu)槟M信號顯示.由于FFT算法相當于快速卷積，因此頻域法的運算速度一般要快于時域法，尤其在壓縮比較大的情況下.

圖3　頻域法實現(xiàn)數(shù)字脈壓
 

3.一種高速實時多功能數(shù)字脈沖壓縮系統(tǒng)的實現(xiàn)

采用頻域法實現(xiàn)了一個高速實時多功能數(shù)字脈沖壓縮系統(tǒng);系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)就采用圖3的方式.這里，系統(tǒng)實時性的關(guān)鍵問題是FFT芯片的速度;我們選擇了可在98us時間內(nèi)完成1024點FFT的高速專用FFT芯片.系統(tǒng)中存儲參考碼的EPROM可以存放不同的匹配濾波器參數(shù)，只要變換EPROM的地址，就可以實現(xiàn)對不同信號形式的脈沖壓縮.因此，這是一種高速、實時、多功能的數(shù)字脈沖壓縮系統(tǒng).

七、超高速雷達信號發(fā)生器/回波模擬器的實現(xiàn)

1.直接數(shù)字合成法實現(xiàn)超高速信號發(fā)生器

DDS的基本原理如圖4所示[20]，其核心內(nèi)容是超高速D/A變換器和一個正弦查找表.這里，正弦查找表存儲了一個完整的正弦波在不同相位上的幅度值;因此，只要改變正弦查找表的尋址方式，就可以獲得不同類型的數(shù)字信號;再經(jīng)過DA變換器和低通濾波器，就是所需要的模擬信號.

圖4　DDS技術(shù)的原理框圖

2.超高速雷達回波模擬器的實現(xiàn)

(1)雷達回波模擬的基本原理[10]　雷達回波模擬器的實質(zhì)是“分立DDS”的方法，即把DDS的數(shù)據(jù)存儲器(即DDS中的正弦查找表)和DA變換器分離開，并采用隨機存儲器RAM代替DDS中的ROM.這樣，在分立的隨機存儲器內(nèi)可以存儲各種復雜的雷達回波數(shù)據(jù)，而且可以實時修改，這樣就可以實現(xiàn)各種目標回波和干擾背景的模擬.

(2)雷達回波模擬的主要模塊　雷達回波模擬器主要包括數(shù)據(jù)生成、數(shù)據(jù)調(diào)度、DA轉(zhuǎn)換三個模塊;如果要求模擬產(chǎn)生中頻或射頻回波，則還要包括載頻調(diào)制模塊(圖5).這里，數(shù)據(jù)生成模塊產(chǎn)生雷達目標、噪聲、雜波、干擾等互相疊加的復雜回波數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)調(diào)度模塊主要用于生成實時回波數(shù)據(jù);D/A轉(zhuǎn)換和低通濾波模塊用于生成所需要的模擬視頻回波信號.

圖5　雷達回波模擬器的原理框圖

(3)超高速雷達回波模擬器的實現(xiàn)　采用圖6介紹的方法實現(xiàn)了一個超高速雷達回波模擬器.模擬器的時鐘頻率為250MHz，因此模擬器的輸出頻率最高可達125MHz(圖6).

圖6　超高速雷達回波模擬器的實現(xiàn)框圖

3.采用超高速雷達回波模擬器產(chǎn)生多種雷達發(fā)射信號

以上介紹的超高速雷達回波模擬器不僅可以用作回波模擬，而且可以用作信號生成.這里，如果在圖6的多路全局存儲器中存放正弦查找表，則圖6實際上就是一個DDS系統(tǒng).

采用回波模擬器產(chǎn)生信號與DDS芯片的主要差別是：一、DDS在同一時間只能產(chǎn)生一種信號，而回波模擬器可以在同一時間產(chǎn)生多種不同信號的疊加;二、DDS可以產(chǎn)生具有任意相位分辨率的連續(xù)信號，而回波模擬器由于循環(huán)尋址比較困難，因此只能產(chǎn)生一些特定頻點的信號，其產(chǎn)生信號的頻點數(shù)受到全局存儲器容量的限制.