軟件無線電技術(shù)雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用論文
摘要:隨著計算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的快速發(fā)展,軟件無線電技術(shù)逐漸走進(jìn)人們的視野。軟件無線電技術(shù)是無線電通信體系的一次變革,對無線電通信的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。軟件無線電技術(shù)作為一個通信概念最早應(yīng)用于通信領(lǐng)域,但本質(zhì)特征決定了它在雷達(dá)、數(shù)字電視等領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景;诖,深入探討了軟件無線電技術(shù)在雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用,以期對相關(guān)研究提供有價值的參考。
關(guān)鍵詞:軟件無線電;雷達(dá);數(shù)字信號處理
1引言
軟件無線電(SoftwareRadio)的概念最早由20世紀(jì)90年代初的美國學(xué)者Jeo和Mitola等人提出[1]。它的核心思想是進(jìn)一步縮小寬帶A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊與天線模塊之間的距離,同時通過軟件設(shè)計實(shí)現(xiàn)電臺功能[2]。軟件無線電思想顛覆了傳統(tǒng)方法,即通過硬件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能,它將目光轉(zhuǎn)向了軟件技術(shù)。對雷達(dá)系統(tǒng)而言,通信功能和信號處理功能是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵,是軟件無線電發(fā)揮作用的最佳舞臺。
2雷達(dá)系統(tǒng)分析
2.1雷達(dá)的結(jié)構(gòu)及原理
雷達(dá)一詞來源于英文的Radar,其中文意思為“無線電探測和測距”,顧名思義,就是通過無線電波的形式探測周圍目標(biāo),測出空間位置和距離。這里所講的無線電波實(shí)際是一種電磁波的特殊頻段,雷達(dá)充分利用了電磁波的反射原理完成目標(biāo)的探測和定位。為了說明雷達(dá)系統(tǒng)的基本原理,本文以最具有代表性的單基地脈沖雷達(dá)為例,分析說明雷達(dá)系統(tǒng)的基本組成和原理。雷達(dá)系統(tǒng)包括天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和終端設(shè)備等,并通過這些設(shè)備分別完成不同的功能。雷達(dá)的正常工作必須建立在高穩(wěn)定度頻率源的基礎(chǔ)上,以建立系統(tǒng)的工作頻率為參考值,其激勵信號是在低功率電平條件下,由特定的高頻脈沖波形形成。激勵信號首先由發(fā)射機(jī)的功率放大,其次通過末級功放模塊進(jìn)一步放大,得到足夠強(qiáng)的脈沖信號,最后由天線向自由空間發(fā)射。雷達(dá)系統(tǒng)中,接收模塊和發(fā)射模塊通常共用一個天線,通過高速開關(guān)實(shí)現(xiàn)發(fā)射與接收信號的時分利用。
2.2雷達(dá)與軟件無線電
信號處理是雷達(dá)技術(shù)的核心,直接決定了雷達(dá)系統(tǒng)的性能。目前,雷達(dá)系統(tǒng)廣泛采用AID、DSP和計算機(jī)技術(shù)提高信號處理能力,但由于硬件成本與性能的限制,其性能提高十分有限。軟件無線電技術(shù)的提出,進(jìn)一步降低了雷達(dá)信號處理對硬件性能的依賴程度。通過軟件手段提升信號處理效率和精度成為雷達(dá)技術(shù)的重要發(fā)展趨勢。一般來說,不同用途和功能的雷達(dá)系統(tǒng)在性能指標(biāo)方面有明顯區(qū)別,例如載頻、脈寬、調(diào)制等均需要特殊設(shè)計,且這些參數(shù)都是由硬件參數(shù)決定,調(diào)節(jié)范圍有限。這種以硬件為核心的雷達(dá)設(shè)計思想不僅造成了雷達(dá)功能的單一,而且嚴(yán)重限制了適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的能力。
3軟件無線電技術(shù)
3.1軟件無線電基本思想
軟件無線電技術(shù)是無線電通信體系的一次變革,它完全改變了傳統(tǒng)無線電通信的基本思想,成為繼模擬系統(tǒng)到數(shù)字系統(tǒng)、固定設(shè)備到移動終端之后的一次歷史性突破,對無線電通信的發(fā)展具有深遠(yuǎn)影響。該技術(shù)通過進(jìn)一步縮小寬帶A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊與天線模塊之間的距離,通過軟件設(shè)計實(shí)現(xiàn)電臺的主要功能,大大簡化了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),使系統(tǒng)功能變得更加靈活。軟件無線電系統(tǒng)接收到模擬信號后,第一時間將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,然后采用相應(yīng)的軟件算法完成信號波型的配置,以滿足雷達(dá)對各種信號的需求。一般情況下,軟件無線電系統(tǒng)由天線、射頻變換器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、DSP以及實(shí)時軟件等構(gòu)成。它的技術(shù)特點(diǎn)主要有兩個關(guān)鍵之處:一是A/D和D/A端與RF端非常接近,主要在中頻段完成信號采集;二是通過高速DSP和CPU代替?zhèn)鹘y(tǒng)電路單元,通過A/D轉(zhuǎn)換支持后續(xù)復(fù)雜信號的處理過程。A/D、D/A端與RF端的空間設(shè)計只是軟件無線電的基本條件之一,關(guān)鍵技術(shù)在于高性能DSP和CPU的數(shù)字處理能力,由其實(shí)現(xiàn)軟件無線電的根本目的。
3.2軟件無線電的優(yōu)點(diǎn)
因?yàn)槌浞职l(fā)揮了軟件技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),所以軟件無線電技術(shù)在功能實(shí)現(xiàn)上更加具有靈活性。以模塊化軟件開發(fā)技術(shù)的支持為基礎(chǔ),當(dāng)開發(fā)者增加某項(xiàng)系統(tǒng)功能時,只需單獨(dú)編寫相應(yīng)的功能模塊,并通過主程序進(jìn)行調(diào)用,無需修改硬件結(jié)構(gòu)。軟件無線電適用于所有類型的信號處理場合,并且便于升級軟件模塊,大大提高了開發(fā)效率,降低了系統(tǒng)成本,進(jìn)一步提高了系統(tǒng)性能。此外,軟件無線電技術(shù)對標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化設(shè)計的支持程度較高,對硬件具有良好的兼容性。雷達(dá)系統(tǒng)中采用軟件無線電技術(shù)可以進(jìn)一步提高其適應(yīng)復(fù)雜戰(zhàn)場能力,成為未來電子戰(zhàn)的重要技術(shù)支撐,且充分利用了當(dāng)前日益成熟的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、進(jìn)化算法等信號處理技術(shù),提升軟件無線電雷達(dá)系統(tǒng)的整體性能。
4軟件無線電雷達(dá)系統(tǒng)
軟件無線電技術(shù)作為一種探索中的應(yīng)用技術(shù),基本結(jié)構(gòu)尚未形成相對穩(wěn)定的形式。不同的設(shè)計者和不同的應(yīng)用需求都會造成其結(jié)構(gòu)的較大差異,尤其會受到DSP和A/D轉(zhuǎn)換等器件的制約,因此實(shí)用性還有待提升。為了闡明軟件無線電技術(shù)在雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用,本文以雷達(dá)系統(tǒng)的射頻部分設(shè)計為例,參考了幾種標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu),將軟件無線電技術(shù)應(yīng)用于中頻和基帶處理;谲浖䶮o線電的雷達(dá)射頻系統(tǒng)充分借鑒了軟件工程的編程設(shè)計思想,采用了開放式的平臺設(shè)計,將系統(tǒng)功能劃分為不同的模塊結(jié)構(gòu),易于修改和升級系統(tǒng)功能,節(jié)約了雷達(dá)系統(tǒng)的制作成本,提升了雷達(dá)系統(tǒng)的性能。射頻前端采用了通用化設(shè)計,頻率范圍較寬,可以實(shí)現(xiàn)低噪聲放大和混頻。寬帶A/D變換模塊的設(shè)計提高了采樣速度和位數(shù),通過并聯(lián)多個高速低分辯率的ADC,形成一個性能更加優(yōu)異的復(fù)合器件。為了實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)功能最大程度的軟件化控制,本文將中頻和基帶信號處理統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號進(jìn)行處理,盡管這對DSP的性能提出了一定要求,但當(dāng)前的DSP技術(shù)已基本能夠滿足要求,可較好地完成變頻、濾波和二次采樣等工作,進(jìn)一步改善了雷達(dá)系統(tǒng)的探測靈敏度。考慮到近年來FGPA技術(shù)的發(fā)展,尤其并行運(yùn)算能力的提高,本文結(jié)合了FPGA技術(shù)處理雷達(dá)信號,進(jìn)一步提升數(shù)字信號處理的實(shí)時性。另外,發(fā)射系統(tǒng)的信號調(diào)制全部通過軟件控制的方式實(shí)現(xiàn),并通過編程生成各種形式的波形。
5結(jié)語
軟件無線電技術(shù)的提出與應(yīng)用,改變了傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)功能單一、兼容性差等問題,解放了以硬件為核心的設(shè)計思想,是雷達(dá)系統(tǒng)提高設(shè)計靈活性和開放性的重要技術(shù)支撐。此外,這種基于軟件無線電技術(shù)的雷達(dá)系統(tǒng)更加適應(yīng)未來復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境,將帶領(lǐng)軍隊(duì)在戰(zhàn)場中占據(jù)明顯優(yōu)勢,在未來的軍事領(lǐng)域?qū)⒂袕V闊的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
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