基于多波束网络的宽带阵列接收系统
2018-11-06，，，，，，
， ， ， ， ， ，
( 1.中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088； 2.孔径阵列与空间探测安徽省重点实验室， 安徽合肥 230088； 3.安徽省天线与微波工程实验室， 安徽合肥 230088)
0 引言
现代电子战环境日益复杂，具有辐射源数量多、工作频带宽、信号参数多变等特点，要求接收机不仅要具有大带宽、高动态、高灵敏度，而且要对同时到达的多个信号具有高截获概率[1]。传统接收机如晶体视频接收机、瞬时测频接收机、压缩接收机和布拉格盒式接收机等已经不能满足上述需求。
宽带阵列接收系统辅以多波束形成技术，具有如下特点：1)接收同时多波束处理，减少系统对多个方向到达信号的截获时间；2)多通道阵列化接收信号，提高系统的灵敏度；3)采用宽带数字化接收并进行窄带数字处理，进一步改善接收系统的灵敏度；4)相比单通道接收机，对单元故障的容忍度提高。因此，该类系统能够在很宽的频带范围内对电磁环境进行监测，对多个信号进行快速、高效的测量和分析，可以满足上述需求。
本文提出的基于多波束网络实现宽带阵列信号接收的解决方案采用宽带模拟多波束接收、高速数字化及信道化处理等技术，相比数字阵列多波束接收的方案，可显著减少设备量，降低研发成本，在低成本宽带信号侦察系统的应用中更具优势。本文论述了系统的架构设计及信号处理基本流程，对包含多波束网络的接收链路噪声系数及系统级灵敏度指标进行重点分析，并通过实测数据进行验证。
图1 宽带阵列接收系统框图
1 系统设计
1.1 架构设计
宽带阵列接收系统的原理框图如图1所示。主要包括16个射频前端、1个多波束网络、16个宽带变频和16个宽带数字接收机。各单元接收通道的射频前端完成宽带射频信号的放大、滤波、延时；多波束网络完成各单元通道输出宽带信号的相干合成，同时输出16个接收波束信号；宽带变频将合成后的波束信号搬移到合适的中频信号；宽带数字接收机采用模数转化器(Analog to Digital Converter, ADC)对中频信号进行数字化，并使用现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)实现宽带信号的预处理，输出脉冲描述字。
1.2 信号处理基本流程
该系统中，宽带数字接收机实现的数字信号预处理基本流程如图2所示，包括数字下变频、信道化、门限检测和参数测量[2]。
图2 信号处理流程图
2 噪声系数分析
根据接收链路增益分配设计，阵列接收系统的噪声系数取决于宽带变频之前的部分，其与单通道接收的主要区别在于多波束网络的影响。以下展开分析射频前端与多波束网络的级联噪声系数。
文献[3-4]给出了有源电路与合成器级联的噪声系数分析结论以及测试方法。若所有的有源电路增益相同、噪声系数也相同，式(1)用于计算有源电路与合成器级联的噪声系数：
NF=NFea+(L-1)/G
(1)
式中，NF为级联噪声系数，L为合成器的有功损耗，NFea为有源电路的噪声系数，G为有源电路的增益。
该系统使用的多波束网络损耗模型如图3所示。N为单元输入个数，M为波束输出个数，Sij为第i(i=1,2,…，N)个单元输入到第j(j=1,2,…，M)个波束输出的传输系数，Ckj为第k(k=1,2,…，M)个波束输出与第j个波束输出之间的耦合系数。
图3 多波束网络损耗模型
(2)
将等效后的多波束网络(第j个波束输出)与射频前端级联，其噪声系数分析模型如图4所示。仍假定射频前端输入端的噪声温度为T0，各个射频前端增益G相同、噪声系数NF也相同。根据噪声系数定义[5]，式(3)给出级联噪声系数，nT，Ge分别为噪声输出总功率和级联等效增益[6]：
NF=nT/n0·Ge=
(3)
式中，k为玻耳兹曼常数，T0为标准温度290 K，B为等效噪声带宽。
图4 级联噪声系数模型
3 灵敏度分析3.1 模拟接收的灵敏度
灵敏度是接收机接收微弱信号能力的度量。当接收机输出端达到预定的最小可检测信噪比时，接收机输入端注入的信号功率称为接收机灵敏度[5]。通常，最小可检测信噪比设置为0 dB，单通道模拟接收机的灵敏度Smin由式(4)给出：
Smin=kT0NFB=-114+NF+10lgB
(4)
式中，k为玻耳兹曼常数，T0为标准温度290 K，NF为单通道接收机噪声系数，B为接收机等效噪声带宽(MHz)。
理想情况下，相比单通道模拟接收机，模拟阵列接收机的灵敏度可以改善10lgN(dB)，N为单元通道数。这一结论可以从模拟阵列接收的噪声特性和信噪比的角度进行理解。相比单通道模拟接收机，模拟阵列接收机输出的噪声系数(NF)array基本不变，而输入和输出信噪比都改善N倍[6]。因此，若可检测信噪比设置仍为0 dB，则模拟阵列接收的灵敏度信号(Smin)array可由式(5)给出:
(Smin)array=-114+(NF)array+
10lgB-10lgN
(5)
3.2 ADC的影响
ADC的噪声功率对整个接收链路的噪声系数有贡献，引入ADC后，整个接收链路的噪声系数由式(6)给出，其中(NF)array为模拟接收阵列的噪声系数，M为模拟阵列接收机输出的噪声功率与ADC的噪声功率之比[7]：
(NF)total=(NF)array+10lg(M+1)-10lgM
(6)
因此，整个接收链路的灵敏度可以结合式(5)和式(6)计算，结果如式(7)所示：
(Smin)total=-114+(NF)total+10lgB-10lgN
(7)
3.3 信道化处理得益
ADC输出信号在FPGA中进行数字信道化处理，信道带宽越窄，信道内噪声能量越低，输出信噪比越高[8]。式(8)表示信道化处理得益，也即宽带数字信号经过信道化后，输出信噪比进一步改善。因此，系统的灵敏度得到进一步提升。
G=10lg(Bi/Bw)
(8)
式中，Bi为输入带宽，也即前述的接收机等效噪声带宽，Bw为信道带宽(MHz)。
在宽带侦察系统应用中，信道化输出进行门限检测及参数测量，为了提高参数测量的精度，要求被检测信号的信噪比达到14 dB[9]。综上所述，宽带阵列接收机的系统灵敏度(Smin)system可以根据式(7)、式(8)和检测信噪比要求计算得到，如式(9)所示。主要与噪声系数、信道带宽以及系统的单元数有关。
(Smin)system=-100+(NF)total+
10lgBw-10lgN
(9)
4 系统实现及测试4.1 模块实物
系统中的多波束网络为16个单元输入、16个波束输出的无源网络；宽带变频和宽带数字接收机均采用联合标准化航空电子架构协会(Allied Standard Avionics Architecture Council, ASAAC) 标准设计，模块的供电和控制通过背板实现，各个模块依次装配到液冷机箱中，图5为多波束网络和宽带变频模块的实物。
(a) 多波束网络
(b) 宽带变频模块图5 模块实物
4.2 噪声系数测试
分别测试了单通道等效链路和阵列接收链路的噪声系数，其中，单通道等效链路包括1个射频前端、1个固定衰减器(衰减值与多波束网络的损耗相当)和1个宽带变频。阵列接收链路的噪声系数测试使用1个噪声源进行1∶16功分，所有射频前端都加电工作，在宽带变频输出测试波束9的噪声系数，再扣除功分器的损耗。测试结果如表1所示。
阵列接收链路波束9的指向为3°，其在0°方向的合成损失理论值为1.5 dB，而阵列接收链路噪声系数相对单通道等效链路噪声系数恶化也在1.5 dB左右，与前述噪声系数分析结论吻合。
4.3 灵敏度测试
使用1∶16功分器从射频前端注入射频信号，在FPGA中采集波束9对应的信道化输出数据，并使用Matlab软件计算系统的灵敏度。根据接收链路设计，模拟接收机输出的噪声功率比ADC输出噪声功率大13 dB，参照式(6)，ADC引起的噪声系数恶化约为0.2 dB。修正后的总噪声系数、使用式(9)计算得到的计算灵敏度以及实测灵敏度结果如表2所示。
从测试结果看，实测灵敏度与计算灵敏度基本吻合，误差在±0.3 dB以内。
4.4 瞬时动态范围测试
测试时，从射频前端注入射频信号，在FPGA中采集波束9对应的信道化输出数据，并使用Matlab软件计算系统输出信号功率。瞬时动态范围测试结果如表3所示，在同一接收增益条件下，最小信号功率为灵敏度，最大信号功率为系统输出压缩1 dB时的输入信号功率。
表3 瞬时动态范围测试结果
5 结束语
本文提出了一种基于多波束网络的宽带阵列信号接收方案及系统设计实现，给出了多波束网络损耗模型及级联噪声系数模型，并从系统的角度分析了灵敏度指标，结合系统的指标测试结果，验证了噪声系数与灵敏度分析结论。噪声系数分析结果扩展了包含合成器的阵列接收系统噪声系数结论，可直接应用于包含多波束网络的阵列接收系统设计；系统级灵敏度指标的分析也对同类工程系统的设计具有参考意义。而且该系统具有很高的灵敏度和较大的瞬时动态范围，设备量适中，具有很好的应用前景。
