VHF频段射频数字化接收系统滤波器设计

郑世连 王冰

中国电子科技集团公司第38研究所，安徽合肥 230088

VHF频段射频数字化接收系统滤波器设计

郑世连 王冰

中国电子科技集团公司第38研究所，安徽合肥 230088

本文介绍了工作在VHF频段的雷达射频数字化接收系统滤波器的设计方法和理论根据，该型雷达中根据其体制选择和体积要求共设计了预选滤波器、开关滤波器和数字滤波器等三种滤波器，有效地提高雷达在复杂电磁环境下的抗干扰能力，通过实际应用验证了滤波器的有效性。

VHF； SAW滤波器；CIC滤波器；HB滤波器；FIR滤波器

引言

VHF频段雷达工作的电磁环境复杂，雷达工作频段电磁频谱分布密集，雷达接收机在接收有用回波的同时，不可避免地会遇到干扰。为了选择有用回波，同时抑制各种干扰和噪声，就需要通过滤波器来进行频率选择，滤波器频带宽度和频率特性直接关系着雷达接收机的灵敏度，波形失真等重要指标。对应于不同的输入信号和噪声干扰，为使输出端的信噪比最大或波形失真最小，滤波器有一个最佳的频带宽度和频率特性形状，以实现最佳滤波。

1 VHF频段无线电视信号分布

在设计接收系统滤波器时，首先要了解VHF频段的无线电信号分布情况，中国电视是PAL D/K制式，伴音载频频率比图像载频频率高6.5MHz，每个频道带宽为8MHz，从图像载频频率-1.25MHz至图像载频频率+6.5MHz。中国电视频道频率划分如表1所示。各个频道内的图像载频与伴音载频之间的关系如图1所示。

表1 VHF频段无线电视信号分布

根据雷达工作频带附近频谱分布情况，在设计时选取了不同类型的滤波器用于接收通道，共设计了3大类滤波器：预选滤波器、开关滤波器和数字滤波器。

2 预选滤波器

预选滤波器有时也叫做预选器，它放置在接收机的输入端，主要是为了抑制外部干扰和噪声、滤波器的带宽一般与接收机的射频工作带宽相一致，预选滤波器还特别要求其带外抑制特性要对镜像具有良好的抑制作用。预选滤波器的工作频率为接收机的射频工作频率，它采用的滤波器大都属于微波滤波器。

本系统预选滤波器中信号经过滤波器输入匹配网络输入，通过内部谐振器及级间耦合，经输出匹配网络输出至负载。由于滤波器近端抑制高，通过在谐振器间添加并联回路实现高低端各两个有线传输零点，以达到滤波器电路最小体积化，满足滤波器技术要求。该电路的电原理框图如图2所示。

3 开关滤波器

开关滤波模块是模拟收发前端的重要组成部分，主要实现工作频道选择，收/发射频信号滤波、放大等功能，具有体积小、幅相一致性好的特点。

该模块设计时采用了信道滤波器收发共用的方案，同时增加补偿放大器对收发信号进行补偿放大，其工作原理框图见图3。

在发射状态下，DDS根据雷达的工作模式产生不同波形的发射信号（该信号通常含有幅度较大的谐波、杂波），开关滤波模块的收发开关选择发射通道，信道选择开关根据外部控制信号切换到与工作频率对应的滤波器通道，信号经放大、滤波后送出到PA端；在接收状态下，收发开关选择接收通道，模块放大频带内有用信号，抑制带外干扰信号。声表面波滤波器SAWF是该模块核心，其内部芯片结构如图4所示。

图3 开关滤波器原理框图

图4 声表滤波器结构图

图5 开关滤波器频响曲线

SAWF的工作原理是在压电基片上制作两个叉指换能器(IDT1、IDT2)，当IDT1上加一交变信号时，由于逆压电效应，压电基片表面上激励出电信号周期相等的声表面波（SAW），并向两边传播，其中一边传播经过IDT2时，由正压电效应，IDT2将声信号转换成电信号，并从负载上取出。叉指换能器的声电、电声转换效率与压电基片的材料、切型，叉指换能器的电极宽度、长度、数量有关，只要通过选择合适的基片材料，并对换能器进行适当加权，便能非常灵活地实现滤波等多种信号处理功能。该开关滤波模块的频响曲线见图5。

4 数字滤波器设计

该系统采用的是射频采样方案，在开关滤波器后是射频采样模块，经射频采样后的信号送入FPGA中，在FPGA内完成信号的正交解调、抽取和滤波，在射频采样模块中共设计了3级数字滤波器，分别是CIC滤波器、HB滤波器和FIR滤波器。

积分梳状（Cascade Integrator Comb,CIC）滤波器是在高速抽取或插值系统中非常有效的单元，其结构简单，处理速度高，最大的优点是不需要进行乘法运算，可以对高速数据流进行低通滤波和因子不是2的幂次方的抽取处理，它常用在多级抽取的第一级。设抽取因子为D，则CIC滤波器的冲激响应具有如下形式：

式中，D是CIC滤波器的阶数（即抽取因子），本系统中CIC滤波器的频率特性见图6。

半带（HB）滤波器在多速率信号处理中非常适合2倍抽取或内插，计算效率高，实时性强。它可使2倍抽取的每秒次数比一般的线性相位FIR滤波器较少近一倍，半带滤波器的冲激响应具有如下形式：

即，半带滤波器的冲激响应h(n)除零点外，其余偶数点均为零。本系统中其频响曲线见图7。

图6 CIC滤波器频响曲线

图7 HB滤波器频响曲线

本系统中的FIR滤波器的频响曲线见图8。

图8 FIR滤波器频响曲线

数字滤波器（CIC、HB、FIR）位于处理流程后端，并在FPGA内实现，并不占用额外的硬件资源，同时具有抽取比大，滤波矩形系数好，实时性强，实现方式灵活等特点，是射频采样系统滤波器设计的关键，并被广泛使用。

5 结语

滤波器设计是雷达接收系统的重要设计内容，尤其是在VHF频段，电磁环境复杂、干扰强度较大，必须对滤波器设计进行系统的论证。本文在该雷达接收系统中共设计了多级滤波器，不同特性的滤波器在不同的信号环节使用，最大限度地发挥了每种滤波器的优势。通过雷达整机在各种环境下的实际使用，充分证实了该设计方案的有效性。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2012.10.093

郑世连,男，1979年出生，中国电子科技集团公司第38研究所工程师，主要研究方向为雷达系统数字收发技术。