搜索接收机多通道信号处理组合的国产化研究

2017-07-02姜广顺赵丰王韦军蓝科技集团总公司

航空维修与工程 2017年10期

■ 姜广顺赵丰王韦 / 军蓝科技集团总公司

0 引言

多通道信号处理组合作为某引进武器装备搜索接收机的目标信号通道,装机数量多,故障率高,备件消耗量大。外方的售后服务保障期为交装后的1.5年,保障期后我方主要采取对外采购备件的供应保障模式。外方对我备件采购价格抱较高期望,加之其武器出口公司的垄断性质,不仅谈判越来越困难,而且价格逐年上涨。对外备件采购从谈判到收货的周期一般在1年以上,订货周期长；随着装备的更新换代,备件供应没有可靠保证,且部分备件已经停产。为保证引进装备的正常使用要求,充分发挥其作战效能,必须开展备件的国产化研究[1]。因此,在剖析多通道信号处理组合的组成和工作原理的基础上,实现其国产化。

图1 原多通道信号处理组合结构框图

1 原多通道信号处理组合的组成及工作原理

多通道信号处理组合用于对目标反射信号进行相关滤波处理和相参积累,并对其进行时间和频率选择,从接收的信号中分离出由动目标反射的信号,抑制地物和云雨反射回来的无源干扰信号[2]。该组合由3个距离通道、带阻滤波器、速度选择/滤波/中频积分器、同步控制、集中选择滤波及输出级、电子开关模块等组成,结构框图见图1。

第一中频f1中频的目标反射信号送到距离选择通道,与被距离选择脉冲调制的第二本振信号f2本振进行混频,降低目标反射信号频率,输出第二中频f2中频,同时实施距离选择。只有当目标反射信号脉冲与第二本振信号f2本振重合时,才有信号输出。输出信号进入带阻滤波器,滤除地物和无源干扰产生的多普勒频移。带阻滤波器的输出信号进入速度选择电路,与第三本振信号f3本振混频,进一步降低目标反射信号频率。同时还进行目标反射信号的多普勒频率补偿,使目标信号通过额定频率的速度中心通道。输出信号进入集中选择滤波器滤波；当允许积分脉冲加到积分器时,进行信号的相参积累。中频积分器的输出端与一级询问电子开关相连接,当允许积分脉冲结束时,距离通道的所有中频积分器在1μs时间内放电,为下次探测做准备。经过二级询问电子开关后,3个距离通道第六中频的目标积累信号在相加器内相加,形成压缩的目标信号,输出至下一级设备。

图2 国产化多通道信号处理组合的组成结构框图

图3 带阻滤波器单元原理框图

2 国产化多通道信号处理组合的硬件设计

引进装备为20世纪八九十年代的产品,独特的设计思想使其在性能指标和作战效能等方面处于世界领先水平。但由于装备生产国微电子技术水平较低,因此该产品的数字电路和计算机技术水平不高。武器装备中很多中低频电路不得不仍采用模拟电路甚至分立元件电路,同时配合小规模数字集成电路和微处理器,才能完成很多复杂的控制任务。例如,接收机中采用的中频相参积累,没有用数字技术,而是用较简单的模拟电路—中频积分器来完成,系统集成度低,故障率高。显然,在现有技术条件下,该产品的国产化不可能走器件级代换的技术路线,必须基于逆向工程方法,对原多通道信号处理组合进行全面、系统的测试、测绘和反设计,利用国内先进技术和工艺进行功能替代,以提升国产化产品的可靠性和维修性水平。

2.1 国产化多通道信号处理组合的硬件组成

国产化多通道信号处理组合由功能模块、总线背板、供电电源模块和组合框架等组成,其中,功能模块包括带阻滤波器模块、信号调理模块、信号处理模块,其结构框图如图2所示。

1）带阻滤波器模块

为保证国产化组合的整体性能及功能与原组合相同,混频器单元内部模块与原组合内部构造基本保持一致,采用集成宽带隔离放大器作为输入信号和本振信号的缓冲器,使输入信号和第二本振信号在混频器中混频、滤波,通过可调增益放大器对滤波后信号进行增益调整。带阻滤波器滤去多普勒频率范围在-2kHz～+2kHz之间的目标反射信号,消除地物干扰和无源干扰等。带阻滤波器单元原理框图如图3所示。

2）信号调理模块

信号调理模块用于解析控制信号,产生时序信号,倍频基准频率。

基准频率倍频功能能够对输入的基准频率信号进行倍频,实现基准频率信号的4倍频,可对输出信号进行幅值调整,将信号输出到带阻滤波器,满足与第一中频进行混频的要求。解析控制信号与产生时序信号功能,对控制信号进行译码解析,形成新的控制信号,并判断工作模式。信号调理模块接收前一级设备的控制信号,通过译码电路形成组合工作的控制及同步信号。组合输入的信号有信息脉冲1和信息脉冲2,距离选择脉冲1、2、3,以及置零脉冲。

信息脉冲1由2个脉冲组成：脉冲串包络脉冲和滤波器询问起始脉冲。信息脉冲1通过脉冲分配器将2路脉冲信号分离出来。信息脉冲2包括19串脉冲,该脉冲串输入到5个串联分配器中,用于形成3串移位脉冲,通过滤波询问开始工作脉冲与信息2信号形成一级询问脉冲。信息1和询问脉冲形成允许积分脉冲,控制中频积分器的工作。

3）信号处理模块

信号处理模块完成数模变换和数字信号处理。

数模变换功能：对输入的f2中频信号采样,使中频信号数字化,对数字中频信号进行下变频处理和数字滤波处理,使其满足FFT变换要求；将经过数字信号处理和中频处理后的信号进行D/A变换,通过DAC解码器播放DDS频率合成器输出的数据,形成模拟信号。模拟信号经过可调放大器,形成f6中频。

数字信号处理功能：对数字下变频后的中频信号进行距离选通,实现3个通道中的信号选择。在每个距离通道上对中频信号进行FFT运算,得到N/2个频谱,送往数字滤波器进行卷积运算,压低频谱旁瓣成分。经过上述变换后,频谱数据为复数形式,由于信号中频处理过程仅对频谱中的幅度参量感兴趣,因此数字滤波器输出的频谱数据要进行求模运算,得出的复数谱的模为信号的幅度频谱。通过滤波器组选取,选出18个幅度频谱,进行速度通道的滤波；将选出的数据通过一级询问脉冲对18路信号进行合并叠加,形成一个距离通道的中频积累数据,将3个距离通道的f6中频目标积累信号通过二级询问脉冲叠加,形成压缩的目标信号,发送给下一级设备。

2.2 国产化组合设计中需解决的主要问题

多通道信号处理组合在高重复频率脉冲串状态下工作,分10kHz、100kHz两种状态。中频积分模块和混频器模块进行10kHz和100kHz两种工作状态下的中频信号处理,完成3D（D距离通道）×18V（V速度通道）搜索通道矩阵处理。信号处理过程包括数据采集和相参积累。

1）数据采集

由FMC采集子卡上的ADC16DV160芯片完成对中频输入信号f2中频的采样,AD采样时钟由输入基准频率信号f0经4倍频产生。采样范围由信号调理子卡输入控制信号中的距离选择脉冲1、2、3逻辑运算产生。采样数据通过FMC总线传给信号处理载板上的FPGA。采样数据由信号处理载板上的GC5016芯片完成数字下变频,下变频模式通过距离选择脉冲1和探测起始脉冲确定。同时,探测起始脉冲作为GC5016的系统复位信号,使GC5016输出信号同步到系统发射基准上。信号处理DSP芯片采用中断方式接收数字下变频后的数据,并完成相参积累。

2）中频信号积累的实现

中频信号积累是组合信号处理过程中的关键技术。在原组合中,采用中频积分模块对混频以后的信号进行积分运算,它实际上是一个高Q值的石英晶体振荡器,调谐在某一固定的频率如f10上,振荡器在输入中频信号的激励下工作。当输入信号频率与振荡器本身的调谐频率相同或相近时,振荡器工作,输出频率为f10的中频振荡信号。当有输入信号时,振荡器进行增幅振荡,增幅的快慢与输入信号的频率有关,频率差越小,增幅越快。因此,在脉冲持续期间振荡器输出信号的幅度以类似积分的形式增大,增幅振荡的持续时间等于输入信号的脉宽,脉冲宽度越大,信号幅度也就越大。当没有信号时,也就是在脉冲间歇期,振荡器做减幅振荡,由于阻尼系数很小,响应时间很长,约为3ms,远远大于脉冲周期,故此时可以看作是等幅振荡。下一个脉冲到来时,其输出振荡幅度进一步增大,这样中频积分器依次对各输入中频脉冲进行积累,输出一个与输入信号幅度、频率及脉冲宽度有关的中频振荡信号。

原组合中的中频积分模块采用中频积分放大器和晶体组合进行信号积累。经调研,国内专业厂家的晶体滤波器信号积累性能指标难以达到使用要求。因此,国产化组合采用数字接收机中FFT技术实现信号的相参积累。采用数字FFT进行信号积累对提高信号信噪比的效果是相同的,两者对N个信号脉冲进行信号积累,对信号的信噪比均提高了NdB。