软件无线电在雷达接收系统中的应用研究

软件无线电[1-3]是近年来随着计算机及微电子技术高速发展而产生的一种全新的无线电技术，它的出现，是无线电通信从模拟到数字、从固定到移动后由硬件到软件的第3次变革，虽然其概念最早是基于通信需求提出来的，而且首先在通信领域得到实现，但近年来这种新的设计思想在其他领域如雷达、数字电视系统等业得到了广泛应用。

由于不同用途、不同功能的雷达对雷达信号参数（载频、脉宽、调制等）有不同的要求，所以目前设计研制的雷达往往功能单一、体制单一、无法适应在不同的环境下对不同数属性的目标进行智能化跟踪探测的需要，如果能把软件无线电的设计思想应用于雷达的设计研制，也就是实现软件化雷达[3、4]，那么就能比较圆满的解决目前雷达设计中所存在的问题。

20世纪80年代以来，电离层探测技术的发展主要表现在新型电子技术与数字技术的广泛应用，新电路的速度更快，效率更高，能实现大量数据的存储和处理，这使得电离层探测技术进入了新的发展阶段，我们根据电离层探测研究的需要，应用软件无线电技术和思想，结合微电子技术和计算机技术的高速发展，着手研制新一代电离层电波探测技设备，就是把广泛应用的电离层数字测高仪作为研究对象，将软件无线电技术与其结合，设计新一代软件化数字测高仪，也就是说，以标准化、模块化的硬件平台组成数字测高仪，通过软件来实现其各种电离层探测模式[5]。

数字测高仪系统是典型的现代数字式无线电雷达结构，因此，所需研制的软件化数字测高仪也就是一种软件化雷达，本文介绍了其软件数字接收处理部分的设计原理、具体实现以及实验结果。

1 设计原理

在雷达的接收部分，对于天线接收后的模拟信号通过采样，完成数字下变频、数字解调分析处理，是软件化雷达区别于现代数字雷达的重要特征，也是构成软件化雷达的关键部分之一，如图1所示。

这里的软件数字接收处理部分也就是常规软件数字接收机的一部分，如图1中虚线框所示，我们的设计就是建立软件数字接收机的基础上的[3]。典型的软件数字接收机的通用硬件通常包括：多频段rf转换器、带宽高速的a/d转换器和可编程处理模块（数字下变频、数字滤波、数字信号处理）。rf转换部分在接收方向将天线接收的信号放大，并将射频信号变换成适合a/d转换的if信号，a/d转换器的位置是一个非常重要的问题，理想的软件无线电是在射频进行a/d变换，目前，由于a/d转换器件性能的限制，在射频部分直接数字化输入信号的技术还不太成熟，而且dsp的处理速度和性能还不能完全达到要求，因此现在常规上还是只在中频处理信号的数字化，if信号经a/d转换器采样数字化后，送入可编程处理模块进行后续处理，由于这里还没有考虑射频前端的选择与使用，所以只是把设计的这种结构称为高速数据采集与预处理平台，但它不仅是构成软件数字接收机的关键部分，也是构成软件化数字雷达的核心部分。

2 具体实现

基于上述的设计原理，构建了软件数字接收处理部分的高速数据采集与预处理平台，如图2所示。

平台主要是由高速a/d转换器、数字下变频器、fifo、总线控制器和通用计算机构成，其核心是高速a/d转换，数字下变频和pci总线传输，对于这几个关键器件，通过多种比较，最终选择ad6644、gc4016、pci9080以及128kb的数据缓存。所用计算机是主频为833mhz、windows2000操作系统、32mhz的32位pci总线的通用计算机。及计算机除了要完成对gc4016的初始化任务，即中心频率的选取、采样率的设置、带宽控制等，还要完成数据处理，保存等功能。

该平台的主要特性是：操作环境支持windows nt 和linux；两个宽带的if输入通道，if输入信号的频率范围60khz-300mhz，14位a/d转换率最高可达70mhz；既可外部时钟输入，也可选用自带时钟；下变频后的4个通道有合成的功能，可4个通道单独使用，也可合并成2个或1个通道，每种方式对应的带宽各不相同，4个通道各带128k×32bits的fifo，采用dma方式和pci总线进行数据传输，输出的数据有16bits的实数、16bit的复数和20bit的复数3种模式，采样起始既可由软件触发，也可由外接门信号控制。

3 实验结果

为了很好地说明该平台的性能，这里给出了几组实验结果，图3是测试采样数据的连续性，输入信号以10mhz为中心频率，采样频率为65mhz，由于数据量非常大，为了表明结果的普遍性，这里任意截取了一段，即从第169000个数据点到第169200个数据点，可以看到图中数据的连续性非常好。

图4和图5是对调幅信号的采样以及对所得数据的解调,并验证系统对调制信号的采样和处理是否能够达到实时的程度,是否能够保证处理后所得数据的完整和正确，输入信号是在13.8163mhz上调制了一个深度为30%的1khz的调幅信号，采样频率为69.33mhz。

图5是在图4的基础上对采样程序进行改动后的采样，由于数据量很大，为了表明结果的普遍性，这里任意截取了一段数据，即从第9900个数据点到第10000个数据点，图5（a）是在采集到数据的同时就进行解调，同时对所得的解调的结果进行一次抽取后再记录保存（在采样程序中设定每隔5个数据记录1恩，这是由于数据量太大，进行抽取后，不仅数据无失真，而且大大减少了数据量）可见：在保证数据连续采集的前提下，系统对调制信号的采样和处理能够达到实时的程度，还能够通过抽取来减小数据量并保证处理后所得数据的完整和正确。

图6是检测了计数控制方式和门控连续采集方式两种模式时的采样结果，计数控制方式时的采样的工作原理是：在门控信号的正脉冲触发了采样后，系统开始工作，当采集完成所设的点数后，采样停止，直到门控信号的下一个正脉冲到来再次触发采样，如此继续，直到采样程序结束为止。此工作模式中每次采样的数据点数是完全按照事先设定的，但所设点数的采样时间不能超过门控信号的正脉冲的宽度，门控连续采集方式时的采样的工作原理是：在门控信号的正脉冲触发了采样后，系统开始工作，当脉冲跳变为负电平时，采样停止，直到门控信号的下一个正脉冲到来再次触发采样，如此继续，直到采样程序结束为止，此工作模式中每次采样的数据点数是由门控信号的正脉冲的宽度决定的，通过这两种工作方式的结果一起比较，可以得出系统的采样不仅能够由软件控制，还能由外接的门控信号来控制，两种控制方式所得到的采样结果同时准确可靠，并且在外接门控信号的控制方式中还能严格控制采样点数。

4 结束语

通过以上实验可以看出：该数据采集与预处理平台很好的实现了高速数据采样，即可保证在采样速率很高的情况下，通过选取合适的采样率，达到采样数据的连续。该平台在数据带宽的设置上直接、方便、因此实现了从窄带到宽带的多种带宽模式的采样，此外，该平台的工作模式灵活多样，不仅能够很好地对连续信号、脉冲信号进行采样，甚至对于调幅、调频等信号，采样结果也能很好的还原出原始信号，该平台也能很好地完成数据的实时处理，如对调制信号采样后的实时调节和保存等，此外，无论是通过软件触发还是外部脉冲触发，采样都能得到准确控制，该平台不仅为新型软件化电离层测高仪和软件化雷达的研制打下了坚实的基础，还为信号的采集与处理提供了通用平台，很容易应用到其他数字信号处理得场合。

由于受其他一些因素的影响，该平台也还存在几个问题：pci局部总线传输速率的理论峰值是33mhz（132mb/s），但实际上并不能达到此最大值。当采样速率非常高、而采样率又较小时，会出现采样速率大于pci总线的传输速率，最终导致采样的数据缓存全满溢出，造成数据的丢失，若增大采样率，则实际的采样速率也随之减小，会在一定程度上局限采样工作，另外，如此高的采样速率不可免会带来庞大的数据量，数据的存储、处理等也会出现一些问题，这些将是我们下步工作需要考虑和解决的。

虽然软件无线电在雷达上的应用即软件雷达在国际上刚刚起步，但它众多的优点必将推动它的应用，从而开发出新设备来促进电波探测科学的发展。