多通道电离层斜向探测系统的接收通道设计与实现

周超 张援农 杨国斌

摘  要： 为了拓展传统单通道电离层斜向探测系统的功能，依据数字化短波接收机理论构架了一种多通道（五通道）电离层斜向探测系统的接收通道。文中着重介绍了接收通道的设计与实现。相对于传统的电离层探测系统，该系统在实现对电离层的常规探测时，可以通过阵列天线获取来波信号的波达角信息。实验结果证明了该系统接收通道设计的可靠性与实用性。

关键词： 多通道; 电离层斜向探测系统; 短波通信; 短波数字化接收机; 调理电路; 通道校准; 波达角测量

中图分类号： TN929.2?34                        文献标识码： A                         文章编号： 1004?373X（2019）09?0145?04

Design and implementation of receiving channel of multi?channel ionospheric

oblique detection system

ZHOU Chao， ZHANG Yuannong， YANG Guobin

（School of Electronic Information， Wuhan University， Wuhan 430079， China）

Abstract： In order to expand the function of the traditional single?channel ionospheric oblique detection system， a receiver channel of a multi?channel ionospheric oblique detection system is constructed on the basis of theory of digital shortwave receiver. The design and implementation of the receiving channel are introduced emphatically. In comparison with the traditional ionospheric detection system， the proposed system can obtain the direction of arrival information of the receiving signal through the array antenna while performing the normal detection for the ionosphere. The experimental results prove the reliability and practicability of the designed receiver channel of the system.

Keywords： multi?channel; ionospheric oblique detection system; short?wave communication; short?wave digital receiver; conditioning circuit; channel calibration; direction of arrival detection

0  引  言

电离层斜向探测系统（以下简称斜测系统）是一种工作在短波频段（2～30 MHz）的无线电探测系统。由于电离层能够对高频无线电信号进行反射传播，因此，借助电离层斜测系统可对电离层进行实时监控[1]。

常规电离层斜向探测主要通过扫频探测方式获得各个探测频率下回波对应的群时延及多普勒频移特征参数，进而得到常规探测的电离层斜测图，同时依据电离层斜测图可以反演得到斜测链路中间点的电离层状态参数信息（临界频率及电子密度剖面等信息[2?3]）。但传统电离层探测系统仅采用一副天线进行接收，无法得到来波的波达角信息，对于电离层倾斜或者扰动情况下的电离层特征信息提取具有局限性。

鉴于此，本文提出一种多通道电离层斜测系统，该系统具备单通道斜测系统的功能，而且拓展了通过天线阵列进行波达角估计的功能，以此弥补传统电离层探测系统功能上的局限性，对于电离层探测的工程应用研究具有重要意义。本文从分析多通道（五通道）电离层斜向探测系统的功能需求出发，给出了整机系统的设计方案，并且重点介绍了接收通道的设计。实验结果表明，该系统功能正确，性能优良。实际探测中，该系统可达到探测功率小，测量波达角准确等效果。

1  接收通道设计

由短波通信的特性与雷达接收机设计理论可知，多通道电离层斜测系统工作在干扰严重的短波频段内，系统往往采用超外差结构。同时，为保证较好的系统动态范围，系统灵敏度与系统噪声系数的设置需要进行权衡[4?5]。

为了简化系统的设计复杂度，本系统仅采用一中频超外差结构，混频后的信号经过多级的窄带滤波及放大，使系统抗干扰能力得到提高。经过调理后的中频信号依托高性能的A/D转换器进行采集，并在FPGA模块内部实现高速数字信号的解调，得到基带数字IQ信号。如图1所示为多通道电离层斜向探测系统框图。

在图1中，正常探测时，天线接收的信号首先进入预选滤波器滤波，滤波后的信号输入低噪放大器，经过初步放大后与本振信号一起进入混频器进行混频处理。混频后的中频信号经过窄带滤波与放大，最后经调理的信号馈入A/D转换器进行采集，得到的高速数字信号交由FPGA进行信号处理，再依托便携式的USB 3.0总线传输至上位机进行存储和处理[6]。系统技术指标参数如表1所示。

表1  系统总体设计指标

由表1可知，系统工作在2～30 MHz频段内，为了避开此频段的干扰，同时由于有源晶振在高频段时容易实现较宽的带宽，故将中频设置的较高，为71.4 MHz。

式中：[B]为带宽;[τ]为脉冲宽度，脉冲宽度决定了中频带宽大小。斜测系统的协作站约定发射脉宽时间为12.8 μs的脉冲信号，根据光速可计算出距离分辨率为1.98 km。計算带宽时考虑系统余量，故将1.37设置为1.5。计算得到中频带宽[B=117.187 5 kHz]，近似为120 kHz。

1.1  噪声系数设置

整个接收前端的设计需要考虑接收机的噪声系数、灵敏度、动态范围、增益，以及适当的A/D转换器，最终确定系统的增益。

对于级联的网络而言，噪声系数为：

式中：[Fi]，[Gi]分别为第[i]级网络的噪声系数和增益，[i=1，2，…，n]。由式（2）可知，对系统噪声影响最大的是第一级网络，因此第一级网络需要更大的信噪比，使信噪比得以显著改善。

系统的噪声系数越低，则灵敏度越高，对微弱信号的检测也就越强。但噪声系数过低则使得灵敏度过高，带内强干扰与弱信号同时被系统采集，往往使得目标信号被干扰信号的杂散或交调产物所淹没[7]。由短波设计理论，本系统噪声系数定为10 dB。

为了提高灵敏度，可以提高系统增益，但是系统增益提高会相应减小系统动态范围。这将严重影响系统工作。灵敏度的表达式如下：

由式（3）可知，系统灵敏度与噪声系数、中频带宽有关，其中中频带宽是灵敏度的主要决定因素。由前文已知噪声系数与中频带宽，由式（3）得灵敏度[S=-110]  dBm。

1.2  射频信号调理电路

信号调理电路包括混频电路与放大电路。

由于系统工作在2～30 MHz干扰严重的短波段中，因此系统采用超外差结构用于躲避干扰及提高镜频抑制比。混频电路将天线接收到的信号与本振信号相差拍，把信号搬移到中频带宽范围内。本系统设置中频为71.4 MHz，中频带宽为120 kHz。混频器使用Mini公司的LAVI?2VH+[8]，本振信号功率可达25 dBm，射频信号功率最大为24 dBm，1 dB压缩点功率为23 dBm。该芯片的大输入动态范围使得系统抗干扰能力增强。

A/D转换器是决定系统增益大小的因素之一，A/D转换器选择AD9257[9]。该芯片是一个8通道（利于以后升级系统）、14位、40 MS/s模数转换器。芯片的输入输出均采用差分信号，有利于信号抗干扰能力的提高。本接收机采用20 MHz采样。按12位有效位计算可知A/D灵敏度为-56.25 dBm，系统灵敏度设为-110 dBm，可得出系统增益[G=]110-56.25=53.75 dB。

由于系统增益需求较大，因此设计使用级联放大结构。由式（2）得知级联放大电路的系统噪声受第一级网络影响最大，因此第一级放大器应该适当选择增益更高的放大器来获得更好的信噪比。在预选滤波器后级接入第一级放大器，放大器选择Gali?74+[10]，此低噪放大器在接收机工作频段内增益达25.1 dB，噪声系数仅2.7 dB，可以很好地满足第一级放大的要求。在混频后还需较大的增益，为了便于增益控制，通道设计三级放大器级联，因此混频后另加两级放大。最终，调理完成的信号交给A/D进行采集。

1.3  FPGA+USB模块

FPGA功能包括整机时序控制和信号处理两个组成部分。系统通过USB 3.0从主机接收用户设定的各种参数[11]，然后传输到FPGA进行相应的工作设定。FPGA的信号处理可以分为数字下变频模块以及数据传输模块。当系统工作后，FPGA准确按照时序接收A/D的数据，接收的数据首先进入数字下变频模块将数据转换成基带数据IQ信号送至数据传输模块，最后数据通过USB 3.0回传给主机并进行相应的处理与存储。

1.4  通道校准

通道一致是保证多通道系统正常工作的必要条件，通道一致性分为幅度一致性与相位一致性。幅度一致性在增益设计环节通过放大器与衰减网络进行初步调整，使得幅度基本一致。相位由于各器件不一致性，物理调节效果不佳，校准工作利用A/D采集到的数据进行数字校准。

通道校准模块采用AD9958芯片输出校准信号。信号通过一分五功分器分别馈入到接收通道，经过接收通道处理后，将数据上传到PC机进行幅度差与相位差的计算，计算结果作为多通道数字校准的校准系数，从而保证系统各个通道间幅相的一致性。

2  实验分析

为了验证多通道电离层斜向探测系统的性能，分别设计了斜向探测实验与有源测向实验进行验证。实验在武汉（30.54°N，114.37°E）与昆山（31.50°N，120.95°E）之间的链路进行。实验系统采用伪随机脉冲编码体制的16位二进制互补码调制信号进行发射。平均发射功率为70 W。以武汉作为发射站，昆山作为接收站进行实验。

图2为2018年1月31日14：40斜向探测实验进行的一次扫频探测得到的双时响应图。

图2  扫频探测的双时响应图

系统探测频率为2～30 MHz，扫频步进为50 kHz。图2为斜测图的双时响应图部分截图。结果表明，系统可接收到武汉站发的斜测信号，并观察到十分强烈的回波。

有源测向实验频率选定7.17 MHz。天线布阵如图3所示，考虑到均匀圆阵可以抵消天线间的互偶影响，接收阵型用5根6 m鞭天线构成半径15 m的均匀圆阵。

图3  天线布阵图

图4为各个通道获取的散射函数图。其中，图4a）～图4e）依次为五个通道显示的对应群距离为576～768 km的回波谱图，横坐标为多普勒频移，纵坐标为群距离。色度条代表信噪比强度。从散射函数图可知，在群距离为714.24 km处各通道均接收到能量较强的回波信号。

图4  各通道接收数据散射函数图

针对获取的回波数据采用MUSIC算法进行波达角（DOA）估计[12?14]。MUSIC算法基于矩阵特征空间分解将观测空间分解为信号子空间与噪声子空间，并依据信号子空间与噪声子空间的正交关系来估计信号的方位。如图5所示为MUSIC算法得到的信号空间谱图。图中水平面坐标[θ]（[0≤θ<360°]），[α]（[0≤α<90°]）分别为方位角与仰角，纵坐标表示的是空间谱信号归一化功率。由于实验环境是武汉单站发射信号，算法搜索得到的最高峰值便是测向得到的目标信号，通过经纬度与群距离理论计算，方位角为162°，仰角为23°。图中可见最高峰显示方位角为161°，仰角为24°，系统DOA测量功能达到预期效果。

图5  MUSIC算法得到的信号空间谱图

3  結  语

本文系统采用二进制互补码调制信号进行发射，使得接收端得到高信噪比信号，信号处理过程更加简单，便于得到更好的工作效果。实验结果图表明本系统的设计实现了电离层斜测仪功能的拓展。该系统改以往传统的单通道斜测系统为多通道斜测系统，具备常规电离层探测能力（最高可用频率、虚高等传统测量参数）。同时具备信号来波到达角测量功能可用于分析电离层倾斜或者扰动情况下的电离层特征信息，以及实现对发射站与接收站的测向工作。

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