机场天气雷达双通道数字中频处理系统的实现

马　勇

(民航西南空管局 气象部,　成都 610225)



机场天气雷达双通道数字中频处理系统的实现

马勇

(民航西南空管局 气象部,成都 610225)

机场天气雷达要求能够从复杂的天气环境中识别不同的天气状况以保障航空飞行安全，其接收机大动态以及抗噪性能设计对雷达至关重要。在分析模数转换器(ADC)对雷达中频接收机动态范围制约的基础上，根据中频带通采样和数字下变频的原理，实现了基于现场可编程门阵列的双通道ADC采样数字中频处理系统，并给出了系统的设计原理、方法以及测试结果。通过对双通道ADC采样的数字中频处理系统的实现，能够很好地提高天气雷达接收机的动态范围，并应用于机场多普勒天气雷达数字中频接收机。

机场天气雷达；数字中频；数字下变频；数字滤波;动态范围

0　引　言

数字中频接收技术是近年来迅速发展的数字技术之一，具有瞬时动态大、失真小、幅相一致性和I/Q正交性高等特点[1-3]，该技术已经广泛应用到机场天气雷达系统之中。机场天气雷达的目的是保障终端区航空飞行气象安全，因此其监测的气象目标较为广泛，从晴空风切变到强降水、雷暴均需要准确探测，而且监测距离范围达到200 km以上。这些气象目标具有反射能力差别悬殊、变化迅速的特点，其回波幅度变化范围较大。一般来说，各类气象目标的变化范围超过100 dB，所以大动态范围成为机场天气雷达设计追求的目标。由于机场天气雷达需要准确测量以利于反演降水量及判断危及航空安全的天气现象。因此，要求在大动态范围中保持较高的线性度。过去雷达采用模拟接收机，中频则采用自动增益控制技术来满足大动态范围的要求。近年来，数字中频接收机的应用提高了雷达性能，简化了雷达结构，同时，为实现高线性度大动态范围提供了更多的方法。

当前国内机场多普勒天气雷达普遍采用单通道模数转换器(ADC)采样进行数字化处理，这种方式容易导致系统动态范围受限于ADC动态[4]。本文采用双通道数字中频处理技术，可将动态范围扩展超过100 dB，满足机场天气雷达的使用要求。

1　模数转换器及动态范围

采用数字化中频接收技术首先要进行模数(AD)采样，雷达的动态范围往往受限于ADC的动态[4]。动态范围为最强信号与最弱可检测信号的功率之比，最强信号功率往往采用ADC输入的饱和值，最弱信号一般采用灵敏度的功率值。可见，对于ADC动态(最大信噪比)而言，影响其大小的因素主要有两个：一是ADC的饱和功率大小，二是ADC的量化噪声功率大小。这就意味着如果回波功率超过ADC的饱和功率，雷达系统就会发生过载现象，造成目标失真；而如果回波功率低于ADC的量化噪声功率，信号则会淹没在噪声当中，必须通过数字信号处理才能把信号从噪声中提取出来。

ADC的最大输入范围通常定义为振幅与ADC的最高电平相匹配的正弦波。如果信号比这个最大电平还大，则输出波形将被限幅。如果一个输入信号比该信号小，则不是所有的比特位都能被置位。最大电平通常决定动态范围的上限。如果没有噪声且输入电压与ADC的最大范围匹配，则最大电压Vmax为

Vmax=2b-1×q

(1)

式中：b为AD位数；q为每一量化电平的电压。式(1)表明正弦波可以达到最大量化电平的顶部和最小量化电平的底部。

幅度与最大电压相匹配的正弦波的功率为

(2)

式(2)中，输入阻抗假设为单位阻抗，在实际计算中需要包含实际阻抗以获取实际的功率，但不影响我们的分析。

ADC将模拟信号转化成数字信号的过程是一个非线性过程，在正弦波的真实值和量化值之间存在一个差值，这个差值随着ADC分辨率(位数)的提高而不断减小，但一直存在，这就是量化噪声。研究表明量化噪声在量化电平q上是均匀分布的，概率密度为1/q，这样就可以求得量化噪声功率

(3)

这就是理想ADC的灵敏度电平，将之代入动态范围的公式

10lg1.5+20blg2=1.76+6.02b

(4)

采样后进行信号抽取，则数字信号处理得益为

D=10lg(fs/2B)

(5)

式中：fs为ADC的采样时钟；B为信号带宽。

由式(5)可见，b和fs两个指标都会对接收机动态D产生影响。ADC芯片的采样频率fs每增加1倍，接收机瞬时动态D改善3 dB，分辨位数每增加1位，接收机瞬时动态增加6 dB。14 bit的ADC动态范围理想情况下也仅有84 dB左右。实际上，AD的信噪比还受到其他因素的影响，提高采样率则时钟抖动对AD的影响变大，当AD位数提高，导致最小量化电平降低对参考电源要求更高。当工艺水平达不到相当水平非线性失真和线性失真将大大限制AD的有效信噪比。14 bit的AD变换器目前达到的有效信噪比在76 dB左右，远低于84 dB的理想水平，这对于100 dB的天气变化范围要求，很难完全满足需求。

2　系统原理和设计构架

本设计中系统动态范围扩展的核心是模拟中频信号经过功分器后变成两路中频模拟信号，它们分别进行功率放大和功率衰减后送入ADC中进行数字化处理，之后对下变频输出的从属于每一路的I/Q信号通过算法进行选择链接，输出一路I/Q信号。下面结合天气雷达接收机对系统原理进行分析。

天气雷达接收机系统原理图如图1所示[5]。雷达接收机的动态范围一般是由图1中的低噪放大器(LNA)限定的(一般大于100 dB)，现有工艺技术下模拟器件对系统动态影响很小，可以忽略不计。对于单路中频采样的动态，如果采用14 bit量化的ADC，动态范围大约可以达到82dB(1MHz带宽)，则灵敏度为+6 dBm(最大输入信号)-82 dBm = -76 dBm。

图1　雷达接收机框图

本文设计方案原理是采用两个ADC进行采样，其中，一个ADC处理高端信号，另一个ADC处理低端信号。14 bit的ADC动态为82 dB，那么两个ADC协作的动态理论上就可以达到2 dB×82 dB=164 dB。因此，充分利用这两个ADC，使得所需要的动态范围通过放大和衰减都能在其中某一个ADC中非饱和情况下得到检测。

假设接收系统输入端等效噪声就是热噪声，模拟前端的噪声系数是1 dB，这样模拟前端的噪声基底就是

Nn=kTNA=-114dBm/MHz+1dB=

-113dBm/MHz

(6)

式中：k为玻尔茨曼常数，k=1.38×10-23J/K；T为290 K；NA为模拟前端噪声系数。

再假设模拟前端的增益为G，这样我们就可以计算出数字中频输入端的噪声为-113 dBm/MHz+G。为了获得最佳的动态范围和灵敏度需要折中考虑，也就是确定前端增益G。我们用Ni和Nd分别表示输入到数字中频的噪声功率和数字中频自身的噪声功率。需要说明的是为了使前后的带宽一样我们这里讨论的均以1 MHz带宽为基准，所以这里所说的噪声功率可以理解为噪声密度，实际使用中以系统的最终带宽为准。这样就可以计算灵敏度损失和动态范围损失，分别记为ΔS和ΔD

(7)

这两个特性都取决于输入到数字中频的噪声功率和数字中频自身的噪声功率的比值，即

(8)

从式(7)可以看出接收系统的动态范围极限值就是数字中频的动态范围，同时，灵敏度也将损失殆尽。当比值R=1时(输入噪声和自身噪声相同时)，灵敏度和动态范围同时损失3 dB，这与传统计算一致。在灵敏度与动态范围的取舍中建议在保证灵敏度的情况下尽量减少动态范围的损失。在这里取1 dB的灵敏度损失，动态范围将损失6.9 dB，R=5.9 dB，系统的增益G的取值如下(Nd=-76 dBm/MHz)

G=-76dBm/MHz-(-113dBm/MHz)+R=

42.9dB

(9)

假设LNA的噪声系数为1 dB、动态范围为105 dB(-113 dB～-8 dB)，这样输入到AD端口的信号将达到-70 dBm～+35 dBm，这在小功率放大器中是不可能的，也是不现实的。在实际电路中可以使用不同的增益配置分成两段：一段采用43 dB的增益，保证小信号能在-70 dBm～+10 dBm(10 dBm为放大器的饱和电平)；一段采用14 dBm的增益，保证大信号不饱和，输入信号为-94 dBm～+6 dBm。这样就能保证104 dB动态范围。

为验证系统作如下假设：

(1)模拟中频信号经过功率分配器产生两路模拟中频信号，则每一路中频信号功率为原来的1/2，两路模拟中频信号动态范围均为76 dB(-70 dBm～+10 dBm)。

(2)第1路信号加入衰减器，衰减大小4 dB，则第1路模拟中频信号输出S1动态范围为76 dB(-80 dBm～+6 dBm)，模拟大信号；第2路不处理，模拟信号限幅至10 dBm，第2个通道信号功率为-70 dBm～+10 dBm，模拟小信号。

通过以上分析可见，105 dB 动态范围的中频信号经过数字化处理后都会不失真地存在于第1路或第2路信号中(并有交叠)，我们所需要做的工作就是把这两个通道中的信号通过数字信号处理的方式分离并组合出不失真的I/Q信号，进而求出回波信号的幅度和相位信息。

系统设计构架如图2所示。

图2　系统设计框图

3　雷达中频处理系统实现

本系统的中频硬件板设计构成，如图3所示。图中，系统的硬件组成主要包括Altera StratixII EP2S30F484C5现场可编程门阵列(FPGA)、AD采样芯片AD6645、时钟转换芯片AD9510以及电源管理模块。同时，为了满足FPGA硬件配置以及信号差分传输的需要，系统中还包括EPCS16配置芯片和AM26LS31差分传输芯片。

图3　雷达中频处理硬件结构

由于硬件板内部芯片对电源要求各不相同，如：FPGA内部共需要有1.2 V、3.3 V数字电压和1.2 V模拟电压，AD6645需要5 V模拟电压和3.3 V数字电压，并且其他芯片也需要相应指标电源供电，所以电源管理模块需要为硬件系统产生各种所需要的电源。为了减少噪声，硬件中采用了模拟电和数字电独立供电的方式，其中，输入模拟电压和数字电压均为6 V，其他各种所需要电源电压分别通过LT1765、LT1763、LT196333等电压转换芯片完成。在硬件设计中，由于系统既存在模拟电路也存在数字电路，并且信号数据速率很高，为了减少数字电路对模拟电路的干扰(主要是数字电路对AD6645的串扰)，影响模拟电路的性能，这里对模拟电路和数字电路采用IT715芯片进行了磁隔离。硬件中经过FPGA处理的数据(如：定时时钟、I/Q数据)对外走线均采用差分走线方式，通过差分转换芯片AM26LS31完成信号的差分数据转换，差分转换后的I/Q信号以及相应时钟通过PCI总线送数据处理板。

由于 FPGA是使用静态存储器单元存储配置数据的，每次掉电后，配置数据必须重新下载到FPGA中。设计中采用串行配置芯片EPCS16SI16N对FPGA进行配置，设计中预留了JTAG接口和主动配置接口，以便于硬件调试和配置。

系统设计指标如下：

输入模拟中频信号：60 MHz

信号模拟中频带宽：1 MHz

输出数据率： 1 MHz

采样频率：48 MHz

动态范围：≥100 dB

I/Q正交一致性： ≤0.2°

I/Q幅度一致性： ≤0.1 dB

4　数据验证与测试

本系统测试平台如图4所示，ADC采集的数据送入数字中频处理系统当中，当系统工作的时候通过QuartusII 内嵌的逻辑分析仪SignalTap功能将处理后的I/Q数据导入计算机当中，在Matlab中进行时域和频域分析。在采集数据过程中SignalTap数据长度设置为256，即每组数据采集256个点。

图4　测试平台

当输入信号A(59.9 MHz,-40 dBm)时，输出I/Q信号时域和频域变换，如图5所示。

图5　测试数据图

由图5可以看出，系统产生大约0.1 MHz的频偏。为了测试系统动态范围，输入中频60 MHz的单频正弦信号，测出了随着输入信号功率变化，输出信号强度变化的趋势，测试结果如表1所示。

表1动态测试结果

按照表1中数据做出系统动态范围曲线，如图6所示。

图6　动态测试曲线

可以看出，在输入动态范围-96 dB～16 dB内，输出都能保持很好的线性，即系统动态达到112 dB。

5　结束语

本系统采用双通道ADC采样方式解决了天气雷达数字中频接收机动态范围受限的重要问题，并且这种解决方式是在不破坏原始信号相位信息的基础上，适合应用于多普勒天气雷达当中。

本文采用的系统硬件主要包括 Altera Striax II FPGA开发平台、功分器、衰减器。硬件代码采用QuartusII6.0集成开发环境进行仿真综合。经过综合后，FPGA程序占用资源为：LC寄存器10 519个、RAM745 688位、锁相环1个、DSP单元280个。在雷达中频60 MHz，采样频率48 MHz，带宽1.2 MHz的工作条件下，该硬件系统完成了对双通道雷达I/Q信号的解调，并且工作正常。实验表明：该设计方案是可行的，能够很好地提高雷达接收机的动态范围，并应用于多普勒天气雷达数字中频接收机当中。

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马勇男，1983年生，工程师。研究方向为航空气象装备管理。

Implementation of Dual-channel Digital IF Processing System for Terminal Weather Radar

MA Yong

(Meteorology Division of South West Air Traffic Management Bureau,Chengdu 610225, China)

Terminal weather radar requires the ability to identify different weather conditions from complex weather conditions for safety of aviation, so the design of large dynamic receiver and noise performance is critical. Based on the constraint analysis of analog digital converter (ADC) to the dynamic range of radar IF receiver, according to band-pass sampling and digital down conversion principle, a digital IF processing system based on field programmable gate array with dual-channel ADC sampling is achieved, and system design principles, methods and test results are given. Through the realization of digital IF processing system with dual-channel ADC sampling, the dynamic range of weather radar receiver is well improved, and this system can be applied to the digital IF receiver of terminal Doppler weather radar.

terminal weather radar; digital IF; digital down conversion; digital filter; dynamic range

马勇Email：mayong_2002@qq.com

2016-03-18

2016-05-20

TN959.4

A

1004-7859(2016)07-0067-05

·收/发技术·

DOI：10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.07.017