超高速雷達(dá)數(shù)字信號處理技術(shù)簡介

綜述了超高速雷達(dá)數(shù)字信號處理技術(shù)的應(yīng)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(dá)回波模擬等系統(tǒng).

關(guān)鍵詞:雷達(dá);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(jìn)行仔細(xì)的分析和研究.

本文的目的，就是綜述超高速雷達(dá)數(shù)字信號處理技術(shù)的應(yīng)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(dá)數(shù)字信號處理系統(tǒng).

二、超高速數(shù)字信號處理在雷達(dá)中的應(yīng)用

1.距離高分辨率雷達(dá)數(shù)字信號處理

距離高分辨率雷達(dá)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(dá)到150～1500MHz[2]，因此是超高速數(shù)字信號處理技術(shù)的主要應(yīng)用之一.

2.合成孔徑雷達(dá)數(shù)字信號處理

合成孔徑雷達(dá)是當(dāng)前雷達(dá)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(jìn)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(biāo)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(dá)到17GHz，8-bit量化的數(shù)字射頻存儲器帶寬也可以達(dá)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(dá)數(shù)字接收機(jī)

當(dāng)前雷達(dá)系統(tǒng)研究中已經(jīng)提出了雷達(dá)數(shù)字接收機(jī)的概念，并在頻率較低的米波雷達(dá)中首先獲得了應(yīng)用[7].雷達(dá)數(shù)字接收機(jī)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(dá)信號產(chǎn)生與處理

雷達(dá)系統(tǒng)具有多種發(fā)射波形可以匹配不同的應(yīng)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(dāng)前DDS器件的水平已經(jīng)可以達(dá)到400MHz[9]，因此也是超高速數(shù)字信號處理技術(shù)的應(yīng)用背景.

6.雷達(dá)信號/干擾模擬器

在雷達(dá)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(dá)數(shù)字信號處理機(jī)進(jìn)行調(diào)試，需要雷達(dá)視頻信號/干擾模擬器[10].對于距離高分辨率雷達(dá)、合成孔徑雷達(dá)，雷達(dá)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(yīng)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(jìn)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(dāng)前先進(jìn)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(dá)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(dá)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(yīng)與系統(tǒng)的要求進(jìn)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(jìn)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?dāng)_和噪聲.這些現(xiàn)象在中低速系統(tǒng)中通?？梢院雎裕窃诔咚傧到y(tǒng)中則會變得非常嚴(yán)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(jìn)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(yīng)用場合，除了數(shù)字電路之外，還有運(yùn)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(yuǎn)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(yán)重時甚至?xí)斐尚酒膿p壞.因此必須在系統(tǒng)設(shè)計時進(jìn)行熱性能分析，并仔細(xì)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(dá)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(dá)成像、目標(biāo)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(jī)結(jié)構(gòu)和與之相應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)芯片系列是ECL芯片;其不同系列的最高工作頻率可以達(dá)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?dāng)_、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?dāng)_、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(jìn)一步細(xì)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(yīng)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(xì)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(jìn)行強(qiáng)制制冷的系統(tǒng)，可以在風(fēng)冷、液冷等方案之間進(jìn)行選擇;一般來說，只要選擇合適的風(fēng)冷方法就可以使系統(tǒng)正常工作.

6.采用先進(jìn)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(jìn)的EDA工具可以分析PCB上傳輸線的延遲、反射和串?dāng)_，并對系統(tǒng)功耗和溫度進(jìn)行分析;采用先進(jìn)的EDA工具還可以在嚴(yán)格定義的布線條件下完成系統(tǒng)的自動布線，因此可