CN106125054A - 数字相控阵天线中频信号模拟源产生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种数字相控阵天线中频信号模拟源产生装置,旨在提供一种使用灵活简单的模拟源。本发明通过下述技术方案予以实现:逻辑控制单元(2从数据表(1中,读取M个可以同时被访问的同一个数据段的数据;参数设置单元(5根据信源的波达方向产生一个二进制编码,并传递给逻辑控制单元计算来自空间不同方向的模拟信号与相邻阵元的相对延时和起始地址差,从数据表中取数,再把从数据表中不同存储单元取的数据相加,相加求和后数据和M路中频采样序列输出给多路DAC输出单元(3,得到数字相控阵天线每个阵元的中频信号的离散采样值,通过数字模拟转换器DAC得到连续的时域连续波形信号,并作为模拟源的最终输出。
Description
技术领域
本发明涉及信号处理领域的模拟源,尤其是数字相控阵天线***中频变频和基带处理部分的模拟源。
技术背景
现代雷达***的日益复杂,使得在设计和调试雷达***的过程中,不可避免地需要雷达的回波信号。当前雷达信号模拟技术逐步发展成熟,成为雷达技术的一个重要分支,雷达信号模拟器的研制更成为国内外研究领域的热门方向。数字相控阵天线***在通信、雷达中广泛应用。雷达信号模拟器是模拟技术与雷达技术相结合的产物。它通过模拟的方法产生雷达回波信号,以便在实际雷达***前端不具备的条件下对雷达***后级进行调试。随着现代雷达技术的日益发展,对模拟器(信号源的要求也越来越高,要求信号源的频率应越来越准确与稳定,整个***性能的优劣在很大程度上取决于信号源的性能。因此,对提高信号源性能的频率合成器的研究也越来越受到关注,使其在短短的几十年发生了两次技术上的巨大飞跃。现有技术雷达中频模拟器可通常采用,
1、直接频率合成。直接频率合成(DS是最早的频率合成方法。它是谐波发生器、滤波器、倍频器、分频器和混频器的组合,由一个或多个参考频率来合成某个特定的频率。直接频率合成具有频率变换快,频率分辨率高,低相位噪声和工作频率高等优点。但是它所采用的硬件设备要比其它方法多得多,结构复杂,体积庞大。而且它的输出端会出现无用寄生频率,这就要求用高性能的滤波器,使得成本昂贵,这种缺点大大抵消了其在多功能、速度以及灵活性等方面的优点。
2、锁相频率合成。锁相频率合成(PLL或者称之为间接频率合成(IS完成了频率合成技术的第一次飞跃。IS是建立在相位负反馈的理论基础之上,主要利用锁相环路的同步保持特性,近年来又引入变模分频(也称吞脉冲技术、小数分频以及多环锁相等新技术,性能已相当完善,是目前应用最广泛的一种频率合成技术。但其频率分辨率与频率转换时间二者之间相互矛盾,难以兼顾,虽然采用上述新技术,但并未从根本上解决这一问题,所以有些场合下必须辅以其它频率合成技术方能满足要求。
3、DDS技术。随着技术和器件水平的提高,使这种称之为直接数字频率合成的新的频率合成技术得到了飞速的发展,它在相对带宽、频率转换时间、相位连续性、正交输出、高分辨率以及集成化等一系列性能指标方面,已远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平,完成了频率合成技术的第二次飞跃。它具有许多传统频率合成方法所难以或根本无法获得的优点,但在DDS发展初期,由于受工作频率低和不可避免的量化噪声的影响,DDS技术未能受到重视。20世纪90年代至今,由于理论上的完善、工艺的提高、以及实现方式的简便化,促成了AD、Qualcomm和Stanford等公司一系列性能优良的DDS器件不断出现,一些芯片的工作频率可达1GHz,频率分辨率可达MHz,排除数字模拟转换器DAC限制,杂散指标可达-70db以下。利用这些专用芯片,惠普、泰克等公司开始研制基于DDS的各种信号源。同传统的频率合成技术相比,DDS技术具有频率切换时间短、频率分辨率高、相位变化连续、容易实现对输出信号的多种调制等诸多优点。正是由于DDS具有上述的诸多优点,受到人们广泛重视,成为频率合成技术的发展方向。
雷达中频信号模拟器是一套结合数字模拟技术和现代雷达技术的高性能雷达信号模拟***。该***可用来实现对雷达目标回波信号的模拟,可以模拟一个或多个静止或运动目标的回波,可以为雷达信号处理***提供一套强有力的测试、调试工具。由于该模拟器工作性能的灵活性和稳定性,其中心频率、带宽、时宽、时延、重频等均可调,因此可以全方位多指标地对雷达信号处理机进行测试和调整,成为检验雷达信号处理机稳定正常工作的基本工具。
各种体制的雷达信号,其调制方式和参数取值不同,产生的信号形式众多。实时雷达中频回波模拟器处理对象是通过阵列天线接收的信号。数字相控阵天线***按照信号流程,首先由阵列天线接收信号,通过阵列天线、经过射频信道一次变频,然后通过中频变频二次变频、最后通过基带处理生成的数字中频信号作正交上变频调制,输出单边带的调制信号,已调数字信号经高速D/A和模拟带通滤波器转换成高质量的中频模拟信号输出。在进行信号模拟时,中频变频和基带处理往往是在一起的,在开发和调试这个部分的时候,需要为数字相控阵天线***提供一个模拟源。所谓模拟源就是一个能够提供M路输出信号的装置,各路信号分别对应一个阵元接收的阵元信号,这M路信号即为输出阵元信号y0(t)、y1(t)、…、yM-1(t)。根据阵列信号处理理论,假设空间存在来自不同方向但调制方式相同的J个中频信号s0(t)、s1(t)、…、sJ-1(t),对于M个阵元的均匀线阵阵列天线,其每个阵元接收信号经过阵列天线和射频信道后,输出阵元信号可以表示为
其中,τ0、τ1、…、τJ-1分别是中频信号s0(t)、s1(t)、…、sJ-1(t)在相邻阵元间的相对延时,决定于阵列结构和信号波达方向DOA信源(波达方向。由于阵列结构是已知的,所以,延时τ和信号s(t)的波达方向DOA信源之间就具有一一对应关系。现有技术以往的方法是利用已有的阵列天线和射频信道设备,从无线信道中接收信标发射的信号,从而作为信号源传输给中频变频和基带处理***。这样的方法,一方面需要首先完成阵列天线和射频信道部分,无法同步进行***设计;另一方面,由于需要设计多个成本较高的信标机;此外,即使有了阵列天线、射频信道和信标机,调试也必须在室外或者微波暗室进行,很不方便。
发明内容
本发明目的是针对现有技术存在的不足之处,提供一种使用灵活简单的模拟源产生装置。该装置可以模拟数字相控阵天线前端经信道变频后输出的中频信号,使中频变频和基带处理***开发调试脱离天线阵列和信道,提高整个数字相控阵天线***开发效率。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到,一种数字相控阵天线中频信号模拟源产生装置,包括:以逻辑控制单元2为核心相连的数据表1、多路DAC输出单元3、参数显示单元4和参数设置单元5,其特征在于,逻辑控制单元2从数据表1中,读取M个可以同时被访问的同一个数据段的数据;参数设置单元5根据人工设置的参数和数字相控阵天线阵列接收的每个信号,根据信源的波达方向DOA,产生一个二进制编码,并以二进制编码方式传递给逻辑控制单元2,逻辑控制单元2根据包含信号参数的二进制编码,计算来自空间不同方向的模拟信号与相邻阵元的相对延时和起始地址差,根据相对延时计算的地址差从数据表中取数,再把从数据表1中不同存储单元取的数据相加,把数据表1相同行数据相加求和后数据和M路中频采样序列输出给多路DAC输出单元3,得到数字相控阵天线每个阵元的中频信号的离散采样值,这些离散采样值通过数字模拟转换器DAC得到连续的时域连续波形信号,并作为模拟源的最终输出,输出到中频变频和基带处理的阵列信号处理***。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果。
使用灵活简单。本发明以逻辑控制单元2为核心相连数据表1、多路DAC输出单元3、参数显示单元4和参数设置单元5组成数字相控阵天线中频信号模拟源产生装置,结构简单,使用灵活。克服了现有技术需要设计多个成本较高的信标机的缺陷。避免了阵列天线、射频信道和信标机,调试必须在室外或微波暗室进行不方便的问题。
可以模拟数字相控阵天线***接收中频信号和射频信道的输出中频信号。本发明逻辑控制单元根据参数设置,从数据表中读取数据,经过多路DAC输出单元,输出可以模拟具有设置参数特性的阵列接收中频信号,提供给数字相控阵天线***后端信号处理作为信号源。不需要利用已有的阵列天线和射频信道设备,从无线信道中接收信标发射的信号。解决了现有技术需要首先完成阵列天线和射频信道部分,无法同步进行***设计的问题。
能够使中频变频和基带处理***开发和调试脱离阵列天线和射频信道,提高整个数字相控阵天线信号处理开发效率。本发明逻辑控制单元2从数据表1中,读取存在M个可以同时被访问的同一个数据段的数据;参数设置单元5根据人工设置的参数和数字相控阵天线阵列接收的每个信号波达方向DOA信源波达方向,产生一个二进制编码,并以二进制编码方式传递给逻辑控制单元2,逻辑控制单元2软件根据该包含信号参数的二进制编码,计算需要模拟来自空间不同方向的信号在相邻阵元的相对延时和起始地址差,根据相对延时计算的地址差从数据表中取数,再把从数据表1中不同存储单元取的数据相加,把对数据表1相同行数据相加求和后数据和M路中频采样序列输出给多路DAC输出单元3,得到数字相控阵天线每个阵元的中频信号的离散采样值,把这些离散采样值通过数字模拟转换器DAC得到连续的时域连续波形信号,并作为模拟源的最终输出,同时这些参数在参数显示单元显示。能够使中频变频和基带处理***开发和调试脱离阵列天线和射频信道,提高数字相控阵天线***信号处理开发效率。
附图说明
图1是本发明数字相控阵天线中频信号模拟源产生装置电路原理框图。
图2是图1参数设置单元产生的二进制码结构图。
图3是图1数据表存储空间的存储格式图表示意图。
图4是图1逻辑控制单元与显示单元4的结构原理框图。
图5是图1多路DAC输出单元3结构原理框图。
图6是逻辑控制单元2参数设置工作流程图。
图7是逻辑控制单元2中模拟源信号输出工作流程图。
具体实施方式
参阅图1-图3。在以下描述的实施例中,一种数字相控阵天线中频信号模拟源产生装置,包括:以逻辑控制单元2为核心相连的数据表1、多路DAC输出单元3、参数显示单元4和参数设置单元5,其中,逻辑控制单元2传输控制数据表1、多路DAC输出单元3、参数显示单元4和参数设置单元5的各个部分信息。多路DAC输出单元3由多个独立数字模拟转换器DAC构成,每路输出信号模拟一个阵元接收中频信号;参数显示单元4由多个独立显示模块构成,每个显示模块显示一个信号的波达方向DOA信源值;数据表1由多个独立数据存储空间组成,每个存储空间的数据代表一个信号的一段中频信号采样。基带数据则为短周期伪随机码PN码,不同信号采用不同PN码,但这些PN码周期相同,这段中频信号数据长度等于基带PN码的一个周期,通过PN码的不相关特性可以模拟多个独立不相干信源。参数设置单元5通过人工参数设置,设置各个信号波达方向DOA信源参数,产生一个二进制编码;逻辑控制单元2从参数设置单元5获取包含信号参数的二进制编码;逻辑控制单元2从参数设置单元5获取的二进制编码信息,译码得到各个信号波达方向DOA信源的值,并输出给显示模块显示,显示模块显示信号波达方向DOA信源值。逻辑控制单元2从参数设置单元5获取的二进制编码信息,计算各个信号在相邻阵元的相对延时和起始地址差,并根据起始地址差从数据表中取数据,再把从数据表中不同存储单元取的数据相加;逻辑控制单元2把相加后的数据输出给数字模拟转换器DAC,数字模拟转换器DAC则输出时域连续信号。
逻辑控制单元2从数据表1中,读取存在M个可以同时被访问的同一个数据段的数据;参数设置单元5根据人工设置的参数和数字相控阵天线阵列接收的每个波达方向DOA(direction of arrival,DOA),产生一个二进制编码,并以二进制编码方式传递给逻辑控制单元2,逻辑控制单元2根据包含信号参数的二进制编码,计算需要模拟来自空间不同方向的信号在相邻阵元的相对延时和起始地址差,根据相对延时计算的地址差从数据表中取数,再把从数据表1中不同存储单元取的数据相加,把对数据表1相同行数据相加求和后数据和M路中频采样序列输出给多路DAC输出单元3,得到数字相控阵天线每个阵元的中频信号的离散采样值,把这些离散采样值通过数字模拟转换器DAC得到连续的时域连续波形信号,并作为模拟源的最终输出,输出到中频变频和基带处理的阵列信号处理***。
参阅图4。逻辑控制单元获取参数设置单元的二进制编码后,根据该二进制编码确定各个信号是否存,只有存在的信号,才进行波达方向DOA信源参数译码,并通过对应显示模块显示波达方向DOA信源参数,而不存在的信号,对应显示模块不显示任何信息。(a逻辑控制单元2从参数设置单元5获取二进制编码后,分析该二进制编码,判断是否信号存在,如果存在,计算其相邻阵元间的相对延时,不存在则不作处理;b逻辑控制单元2根据各个存在的信号相对延时,计算各个信号在存储空间相邻行取数的初始地址差;c逻辑控制单元2根据信号初始地址差,同时从存储空间每行取一个数,并把每个存储空间相同行所取的数相加。
具体实施时,考虑阵列***有M个阵元,是均匀线阵,由于是线阵,信号波达方向DOA信源只需要考虑0°~180°。阵元间距等于半个波长,同时,来自不同方向的信号个数为J,分别为中频信号s0(t),s1(t),…,sJ-1(t)。模拟源输出的阵元信号y0(t)、y1(t)、…、yM-1(t)是所有这J个信号的叠加。
对于如图2所示的参数设置单元5,它的功能是定义空间J个信号的波达方向DOA信源。信源相位参数可以通过一个长度为P×J的二进制码进行描述,该码包括J个部分,每个部分长度都是P,而且,每个部分就对应一个中频信号s(t)的参数。以第1段数据为例,比特代表了对中频信号s1(t)参数定义。比特为0,表明已调中频信号s1(t)不存在,其后的各个比特没有意义,比特为1,表明已调中频信号s1(t)存在,其后各个比特定义中频s1(t)的波达方向DOA信源值。比特共P-1个比特代表信号波达方向DOA信源值,一种简单的具体编码方式就是线性编码,即所有P-1个比特组成的二进制数大小与角度大小成正比,比如比特全为0对应信号波达方向DOA信源为0°,全为1对应180°。由此,参数设置单元5通过P×J个比特的编码完成J个信号的参数定义。从物理实现上,可以采样简单的拨键开关,或者键盘。工作时,由人工通过物理硬件输入产生这个编码。
如图3所示数据表1物理实现可以由只读存储器ROM构成。数据表1图中首行和首列为序号,其它是数据表1中的数据。数据表1是由J个存储空间构成的,每个存储空间由M行相同数据段构成,即存在M个可以同时被访问的相同数据段。每个存储空间里面存放着一个信号的一段数据,即第0个存储空间对应已调中频信号s0(t),第1个存储空间对应已调中频信号s1(t),…,。对于每个存储空间,又是由相同的M个数据段构成,每个数据段有N个数据。数据段的产生方法,以信号s1(t)对应数据为例进行说明,并假设已调中频信号s1(t)是二进制相移键控BPSK调制。
首先,以周期长度为T的PN码作为基带信号c1(t),并对这一长度为T的PN码进行二进制相移键控BPSK调制,得到长度为T的已调中频信号s1(t)=c1(t)cosωt,其中ω是载波角频率;接着,对已调中频信号s1(t)按照等间隔采样N个点,这些采样点的值就是 不同的已调中频信号信号,基带PN码周期相同但数据不同,从而可以保证中频信号s0(t),s1(t),…,sJ-1(t)间是不相干的。由于模拟源的输出是M路输出,而且每一路都包含相同的信号,只是信号间有延时,这就要求在逻辑控制单元2从数据表1中读数时,要同时读取M个同一个数据段的数据。
图4所示参数显示模块可以用数码管或者液晶实现。参数显示单元4可以由J个独立显示模块构成,每个显示模块显示一个信号的波达方向DOA信源值,果该信号不存在,则对应显示模块不显示任何信息。
如图5所示多路DAC输出单元3由M路独立的数字模拟转换器DAC组成。每路数字模拟转换器DAC的输入是一个阵元接收中频信号的采样,而输出则是该中频信号的时域连续信号。
参阅图6。模拟源的产生在上述模拟源产生装置这个平台上完成的。在所有步骤中,都是由逻辑控制单元2软件完成。逻辑控制单元2连接着其它各个单元,完成了这些单元间的数据传递。物理实现上,逻辑控制单元2可以采用现场可编程逻辑门阵列FPGA实现,也可以采用数字信号处理器DSP实现。
装置开始工作,由人工在参数设置单元5上设置信号存在状态,信号其波达方向DOA信源,而这些设置由参数设置单元5产生一个二进制编码实现。逻辑控制单元2从参数设置单元5读取二进制编码逻辑控制单元2根据所述的编码方式,由得到每个信号波达方向DOA信源参数并输出。
参阅图7。参阅图7。逻辑控制单元2需要产生M路数据,每路数据代表一个阵元接收的中频信号的采样数据,即阵元信号y0(t)、y1(t)、…、yM-1(t)的采样数据,采样周期Ts即为逻辑控制单元2从存储空间取一次数的时间,而每路信号又同时由J个中频信号s0(t)、s1(t)、…、sJ-1(t)相加而成,各路间只是信号具有相对延时。为了描述方便,假设参数设置时,空间只有一个已调中频信号s0(t)。逻辑控制单元2首先根据参数设置单元5的二进制码,确定仅s0(t)存在,并且由得到了波达方向DOA信源参数的二进制编码,从而确定了波达方向DOA信源的值。而波达方向DOA信源的值和阵元接收信号的相对延时τ0是一一对应的,从而逻辑控制单元2就可以得到参数τ0。
当图3数据表1,在只有一个中频信号s0(t)时,逻辑控制单元2只需要在第0个存储空间取数据,其中,第0个阵元信号y0(t)从第0行取,第1个阵元信号y1(t)从第1行取,依此类推,各行数据是同时取的,即t=Ts时刻,各行同时取第一个数据,作为对应阵元中频信号的第一个采样数据,t=2Ts时刻,各行又同时取第二个数,这个数是每行紧接在第一个被取数后的那个数据,作为对应阵元中频信号的第二个采样数据,由此一直进行下去。如果一行数据取完,则从该行首个数据重新开始。在对每行数据取数时,起始地址是不同的,正是起始地址的不同,对应了延时τ0。由于每次取数周期为Ts,这就意味着相邻两个行如果起始地址相差n,相对延时则为τ0=nTs。比如,如果第0行取数第1行取数第M-1行取数此时由于相邻两行取数起始地址相差2,则τ0=2Ts。由于Ts在***设计时是已知的,所以,只要逻辑控制单元2知道了τ0参数,就可以得到相邻两行读数的起始地址差。同样的原理,在存在多个信号时,对于每个已调中频信号s0(t)、s1(t)、…、sJ-1(t),分别在第0个到第J个存储空间取数据,并相加。逻辑控制单元2首先由参数设置单元5确定的二进制码得到各个信号的波达方向DOA信源,然后得到参数τ0、τ1、…、τJ-1,进而可以确定每个存储单元取数时,相邻行的起始地址差;最后把不同存储单元相同行取得的数据相加,作为该行对应阵元接收中频信号的采样值。比如,空间有两个已调中频信号s0(t)和s1(t),则分别在第0个存储空间和第1个存储空间取数据。假设第0个存储空间第0行取数第1行取数第M-1行取数而第1个存储空间第0行取数第1行取数第M-1行取数 则第0个阵元对应的中频信号y0(t)的采样序列为 第1个阵元对应的中频信号y1(t)的采样序列为 第M-1个阵元对应的中频信号yM-1(t)的采样序列为
逻辑控制单元2把M路中频采样序列输出给数字模拟转换器DAC。在逻辑控制单元2完成对数据表1读数和相加功能后,得到了每个阵元的中频信号的离散采样值,而只有把这些离散采样值通过数字模拟转换器DAC,才能得到连续的时域连续波形的阵元信号y0(t)、y1(t)、…、yM-1(t)。这M路时域波形阵元信号就是模拟源的最终输出信号,用于中频变频和基带处理的阵列信号处理***。
Claims (10)
1.一种数字相控阵天线中频信号模拟源产生装置,包括:以逻辑控制单元(2)为核心相连的数据表(1)、多路DAC输出单元(3)、参数显示单元(4)和参数设置单元(5),其特征在于,逻辑控制单元(2)从数据表(1)中,读取M个可以同时被访问的同一个数据段的数据;参数设置单元(5)根据人工设置的参数和数字相控阵天线阵列接收的每个信号,根据信源的波达方向DOA产生一个二进制编码,并以二进制编码方式传递给逻辑控制单元(2),逻辑控制单元(2)根据包含信号参数的二进制编码,计算来自空间不同方向的模拟信号与相邻阵元的相对延时和起始地址差,根据相对延时计算的地址差从数据表中取数,再把从数据表(1)中不同存储单元取的数据相加,把数据表(1)相同行数据相加求和后数据和M路中频采样序列输出给多路DAC输出单元(3),得到数字相控阵天线每个阵元的中频信号的离散采样值,这些离散采样值通过数字模拟转换器DAC得到连续的时域连续波形信号,并作为模拟源的最终输出,输出到中频变频和基带处理的阵列信号处理***。
2.如权利要求1所述的数字相控阵天线中频信号模拟源产生装置,其特征在于:逻辑控制单元(2)传输控制数据表(1)、多路DAC输出单元(3)、参数显示单元(4)和参数设置单元(5)的各个部分信息。
3.如权利要求1所述的数字相控阵天线中频信号模拟源产生装置,其特征在于:多路DAC输出单元(3)由多个独立数字模拟转换器DAC构成,每路输出信号模拟一个阵元接收中频信号。
4.如权利要求1所述的数字相控阵天线中频信号模拟源产生装置,其特征在于:参数显示单元(4)由多个独立显示模块构成,每个显示模块显示一个信号的波达方向DOA信源值。
5.如权利要求1所述的数字相控阵天线中频信号模拟源产生装置,其特征在于:数据表(1)由多个独立数据存储空间组成,每个存储空间的数据代表一个信号的一段中频信号采样。
6.如权利要求1所述的数字相控阵天线中频信号模拟源产生装置,其特征在于:逻辑控制单元(2)从参数设置单元(5)获取的二进制编码信息,译码得到各个信号波达方向DOA信源的值,并输出给显示模块显示,显示模块显示信号波达方向DOA信源值。
7.如权利要求1所述的数字相控阵天线中频信号模拟源产生装置,其特征在于:逻辑控制单元(2)获取参数设置单元的二进制编码后,根据该二进制编码确定各个信号是否存,存在,则进行波达方向DOA信源参数译码,并通过对应显示模块显示波达方向DOA信源参数,不存在,对应显示模块不显示任何信息。
8.如权利要求1所述的数字相控阵天线中频信号模拟源产生装置,其特征在于:逻辑控制单元(2)从参数设置单元(5)获取二进制编码后,分析该二进制编码,判断是否信号存在,存在,则计算其相邻阵元间的相对延时,不存在则不作处理。
9.如权利要求1所述的数字相控阵天线中频信号模拟源产生装置,其特征在于:数据表(1)是由J个存储空间构成的,每个存储空间由M行相同数据段构成,每个存储空间里面存放着一个信号的一段数据,每个数据段有N个数据。
10.如权利要求1所述的数字相控阵天线中频信号模拟源产生装置,其特征在于:数据表(1),在只有一个中频信号时,逻辑控制单元(2)只需在第0个存储空间取数据,其中,第0个阵元信号从第0行取,第1个阵元信号从第1行取,依此类推,各行数据是同时取的,各行同时取第一个数据,作为对应阵元中频信号的第一个采样数据,各行又同时取第二个数,这个数是每行紧接在第一个被取数后的那个数据,作为对应阵元中频信号的第二个采样数据,由此一直进行下去。
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