摘要 介紹了采用DDC和DUC技術(shù)實現(xiàn)的大帶寬DRFM及其基本原理，并在Matlab中進行了理論仿真，使用QuartusⅡ完成了對整個系統(tǒng)及內(nèi)部模塊的建模，最后在Modelsim中進行了整個系統(tǒng)的功能仿真，為今后DRFM技術(shù)的研究提供理論和技術(shù)支持。
關(guān)鍵詞 數(shù)字射頻存儲器；數(shù)字下變頻；數(shù)字上變頻
隨著超高速、超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，數(shù)字下變頻(Digial Down Converter，DDC)技術(shù)和數(shù)字上變頻(Digital Up Converter，DUC)技術(shù)得到快速發(fā)展，使得DRFM系統(tǒng)的瞬時帶寬得以提升，其中，采用正交調(diào)制解調(diào)技術(shù)的DRFM，瞬時的帶寬可達到600 MHs以上，基本可覆蓋一般雷達信號的帶寬，甚至覆蓋一般雷達信號的所有工作帶寬。由此，使得雷達對抗技術(shù)進入一個新的發(fā)展空間。
1 大帶寬DRFM基本原理
基于DDC和DUC技術(shù)的大帶寬，DRFM的基本原理是：由雷達天線接收戰(zhàn)場的雷達信號，將接收到的雷達信號，經(jīng)過高速的ADC變換器進行采樣量化，轉(zhuǎn)變?yōu)橹蓄l數(shù)字信號，然后經(jīng)過DDC把ADC變換器輸出的中頻數(shù)字信號變?yōu)榱阒蓄l信號，并將其進行快速存儲。再將高速ROM中的數(shù)據(jù)讀出，對其進行多普勒(Doppler)頻移變換，使得最后輸出信號比原信號多—個多普勒頻移量，從而使輸出信號可以模擬假目標信號的多普勒效應(yīng)。再將多普勒頻移后的信號經(jīng)過DUC做上變頻處理，將零中頻信號搬到中頻，其中DUC過程的各項參數(shù)設(shè)置與DDC中的各項參數(shù)完全一致，以保證能夠完全恢復(fù)出中頻信號的頻帶和相位信息，最后將輸出的數(shù)字中頻信號經(jīng)過DAC變換器恢復(fù)為射頻模擬信號，并送給發(fā)射天線進行發(fā)射。基于該原理的DBFM基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2 大帶寬DRFM信號仿真
系統(tǒng)將雷達接收到的射頻雷達信號，經(jīng)過高速A／D變換器采樣量化后得到中頻數(shù)字信號，送入基于多相濾波原理實現(xiàn)的DDC模塊，得到基帶I、Q兩路信號。然后與復(fù)信號進行復(fù)乘法運算，實現(xiàn)信號的多普勒頻移，將得到的信號經(jīng)過DUC模塊處理后上變頻為中頻信號，再經(jīng)過DAC輸出，從而實現(xiàn)整個DRFM系統(tǒng)的功能。
設(shè)輸入中頻信號fIE對應(yīng)的模擬信號x(t)=a(t)cos[2πfot+φ(t)]=a(t)cos[2π(f1+f2)t+φ(t)]，假設(shè)振幅a(t)=1，初相φ(t)=0，中頻信號的載波頻率f1=750 MHz，基帶信號頻率f2=50MHz。中頻模擬信號對應(yīng)的信號頻譜如圖2所示。
圖2顯示輸入信號頻率為800 MHz，前面200 MHz的頻譜是模擬信號對應(yīng)復(fù)頻率-800 MHz，經(jīng)過采樣率為fs=1 000 MHz的采樣，頻譜進行周期性搬移后，在正半軸產(chǎn)生的鏡像頻率。中頻信號經(jīng)過DDC模塊后的頻譜如圖3所示。
如圖3所示，將中頻信號經(jīng)過數(shù)字下變頻(DDC)模塊處理以后，得到的I、Q兩路的信號對應(yīng)的復(fù)信號的頻譜已經(jīng)為基帶信號50 MHz。
假設(shè)DDS模塊產(chǎn)生的正交信號頻率fd=62.5 MHz，DDC模塊輸出的基帶信號經(jīng)過多普勒頻移后，得到第一組I、Q兩路信號對應(yīng)復(fù)信號的頻譜如圖4所示。
圖4所示，頻率從基帶的50MHz搬移到了112 5 MHz，完成了預(yù)想的結(jié)果。
將得到的信號進行數(shù)字上變頻(DUC)處理，即經(jīng)過與DDC的相反過程后，得到輸出信號的頻譜如圖5所示。
圖5所示，信號頻率從112．5 MHz搬移到了862．5 MHz，而載波頻率為750 MHz，基本與理論一致。即輸入的800 MHz中頻信號經(jīng)過DRFM系統(tǒng)后轉(zhuǎn)變?yōu)?62．5 MHz，得到的結(jié)論與實際預(yù)想相同，完成了DRFM系統(tǒng)的功能。
3 大帶寬DRFM在FPGA中的設(shè)計與實現(xiàn)
根據(jù)上述DRFM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，在FPGA開發(fā)平臺QuartusⅡ中實現(xiàn)其功能，主要完成對系統(tǒng)及內(nèi)部模塊的建模，并在Modelsim中對整個系統(tǒng)進行了功能仿真，驗證了設(shè)計的正確性。在FPGA中實現(xiàn)的基于DDC和DUC大帶寬DRFM的整體模塊如圖6所示。
如圖6所示，在高性能FPGA中主要實現(xiàn)的是數(shù)字下變頻，多普勒調(diào)制和數(shù)字上變頻3部分。圖中的第一模塊實現(xiàn)數(shù)字下變頻和多普勒調(diào)制，第二模塊實現(xiàn)數(shù)字上變頻。以下分別介紹3個部分在FPGA中的具體實現(xiàn)。
3．1 FPGA中DDC模塊的實現(xiàn)
設(shè)計中采用了基于多相濾波結(jié)構(gòu)的數(shù)字正交下變頻(DDC)，首先介紹基于多相濾波結(jié)構(gòu)的DDC算法。
設(shè)輸入中頻信號為x(t)=a(t)cos[2πfot+φ(t)]，按以下采樣頻率fs對其進行采樣，由帶通采樣原理可知，m=0，1，2，…。其中m取值滿足fs≥2B的最大正整數(shù)。
得到的采樣序列為
即x(2n)(-1)n和x(2n+1)(-1)n兩個序列分別是同相分量xI(n)和正交分量xQ(n)的2倍抽取序列。根據(jù)抽取原理可知，如果xI(n)和xQ(n)的數(shù)字譜寬度<π／2，則其兩倍抽取序列xI(2n)和xQ(2n+1)可以無失真表示原序列。根據(jù)傅里葉變換性質(zhì)可以推出
可知兩者的數(shù)字譜恰好相差一個延遲因子*，在時域上即是相差0．5個采樣點。為彌補這種時域的非對齊，需要引入兩個時延濾波器加以校正。這兩個濾波器需滿足
基于多相濾波的數(shù)字正交下變頻實現(xiàn)過程如圖7所示。
由上述算法，可以推導(dǎo)出寬帶DDC的多相濾波高效結(jié)構(gòu)如圖8所示。
輸入中頻數(shù)字信號為x(n)，依次經(jīng)過一個采樣點的延遲后分別進行4倍抽取，得到4路并行信號，依次為a(n)、b(n)、c(n)、d(n)。將得到的4路并行信號，分別經(jīng)過一個采樣點的延遲后再分別進行2倍抽取，得到8路并行信號，依次為x0(n)、x1(n)、x2(n)、x3(n)、x4(n)、x5(n)、x6(n)、x7(n)。由式(3)可知，x(n)的偶數(shù)項對應(yīng)其同相分量I路信號，奇數(shù)項對應(yīng)其正交分量Q路信號。于是，對以上的8路信號進行處理，得到4路并行的I路信號xI0、xI1、xI2、xI3和4路并行的Q路信號xQ0、xQ1、xQ2、xQ3，其中xI0=x0(n)、xI1=x2(n)、xI2=x4(n)、xI3=x6(n)、xQ0=x1(n)、xQ1=x3(n)、xQ2=x5(n)、xQ3=x7(n)。將得到的4路并行的I路信號與4路并行的Q路信號分別通過滿足式(5)的時延濾波器，使得I路信號和Q路信號在時域上對齊。經(jīng)過時延濾波器后，得到I路4路并行信號xII0(n)、xII1(n)、xII2(n)、xII3(n)，和Q路4路并行信號xQQ0(n)、xQQ1(n)、xQQ2(n)、xQQ3(n)。
雖然信號x(n)經(jīng)過抽取后變成了8路信號，經(jīng)過DDC后變成了4路并行的I路和Q路信號，盡管每一路保存的I、Q兩路信號對應(yīng)的復(fù)信號與原信號相比，都有一定的頻譜損失，但這4路并行的信號總體卻完整保存了信號x(n)的頻譜和相位信息。若要恢復(fù)信號x(n)，只需經(jīng)過一個相反過程即可。該寬帶DDC的多相濾波結(jié)構(gòu)在FPGA中具體實現(xiàn)的模塊如圖9所示。
圖9中第1模塊實現(xiàn)將信號x(n)抽取變?yōu)?路信號，分離出I路和Q路數(shù)據(jù)。第2，3模塊實現(xiàn)的是將并行4路的I路和Q路數(shù)據(jù)經(jīng)過各自對應(yīng)的濾波器實現(xiàn)時域上的對齊，并最終將中頻數(shù)字信號變成基帶信號。
3．2 FPGA中Doppler模塊的實現(xiàn)
多普勒調(diào)制原理
根據(jù)多普勒調(diào)制的原理，對經(jīng)過DDC模塊后產(chǎn)生的基帶信號進行多普勒調(diào)制。文中采用直接數(shù)字頻率合成(DDS)產(chǎn)生正交本振信號cos(2πfdt)和sin(2πfdt)兩路信號，對其分別進行4倍抽取，得到xDI0、xDQ0，xDI1、xDQ1，xDI2、xDQ2，xDI3、xDQ3這4路信號。
將得到的x(n)4路同相分量xI(n)和正交分量xQ(n)分別與DDS產(chǎn)生的4路并行的I、Q兩路正交本振信號做復(fù)乘法運算，即xOI0=xII0×xDI0-xQQ0×xDQ0，xOQ0=xQQ0×xDI0+xII0×xDQ0，下面做相同變換，得到對應(yīng)的xOI和xOQ的4路信號，從而實現(xiàn)4路信號的多普勒頻移。
用于產(chǎn)生4路并行的I、Q兩路正交本振信號的DDS模塊如圖10所示。
圖10中輸出的分別為4路并行的I路數(shù)據(jù)和4路并行的Q路數(shù)據(jù)。將其與DDC輸出的4路同相分量xI(n)和正交分量xQ(n)做復(fù)乘法運算。后續(xù)實現(xiàn)多普勒頻移的復(fù)乘法模塊如圖11所示。
圖11中的第1部分實現(xiàn)xOI0=xII0×xDI0-xQQ0×xDQ0，產(chǎn)生I路的第1路數(shù)據(jù)，第2部分實現(xiàn)xOQ0=xQQ0×xDI0+xII0×xDQ0，產(chǎn)生Q路的第1路數(shù)據(jù)，做相同的處理，可以實現(xiàn)xOI和xOQ的4路信號，完成多普勒調(diào)制。
3．3 FPGA中DUG模塊的實現(xiàn)
DUC模塊的工作過程與DDC模塊相反，是DDC的一個逆過程。即為多普勒調(diào)制輸出的4路并行的I路和Q路數(shù)據(jù)，分別經(jīng)過濾波器，還原I、Q兩路在時域上的非對齊性，然后各自完成4倍的內(nèi)插，實現(xiàn)數(shù)字上變頻，其結(jié)構(gòu)如圖12所示。
該數(shù)字上變頻在FPGA中的具體實現(xiàn)模塊如圖13所示。
3．4 系統(tǒng)在Modelsim中的仿真
將FPGA中的整個系統(tǒng)在Modelsim中進行仿真，結(jié)果如圖14所示。
將圖14得到的輸出信號的離散的值導(dǎo)入到Matlab中，查看其頻譜圖，如圖15所示。
如圖15所示，輸出信號頻率為862．5 MHz，與圖5仿真結(jié)果相同，由此得出，在FPGA中的整個DRFM系統(tǒng)實現(xiàn)的功能與理論上得到的結(jié)果一致，從而完成了DRFM系統(tǒng)的功能，達到了預(yù)期的效果。
4 結(jié)束語
隨著超寬帶高分辨率雷達在未來戰(zhàn)場發(fā)揮的作用越來越大，對于超帶寬雷達的干擾技術(shù)研究，將成為雷達對抗領(lǐng)域的重要研究方向。文中針對基于現(xiàn)代化軟件無線電原理的數(shù)字下變頻(DDC)和數(shù)字上變頻(DUC)技術(shù)，對實現(xiàn)的DRFM系統(tǒng)進行了分析及系統(tǒng)仿真，得出的結(jié)論與預(yù)想結(jié)果吻合良好，證明了系統(tǒng)的可行性。
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