一种单比特测频接收机的设计与仿真

杨一鸣，向海生

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引 言

随着现代战争的发展，战场上各种先进体制、多平台雷达并存，电子战接收机面临重大挑战，需要具有大瞬时带宽、快速测频、同时到达多信号测量等能力，并趋于小型化、高集成、低功耗、易维护等方向。在这一背景下，单比特接收机走入了电子战领域。单比特接收机极大地降低了数据率，易于实现超高速采样和实时信号处理。与瞬时测频(IFM)接收机相比，单比特接收机除了具备同样的处理带宽和灵敏度外，还具有同时到达多信号测量能力。

本文介绍了一款20 Gsps采样率的单比特高效测频接收机的原理样机，有效解决了信号处理带宽、处理速度与测频精度的矛盾。实测表明，能够实现10 GHz带宽内信号的瞬时测频。

1 单比特接收机的原理和应用

1.1 单比特接收机的基本原理

最早提出单比特接收机的目的是消除快速傅里叶变换(FFT)的乘法运算，降低FFT运算的复杂性[1]，最终减少信号处理的硬件资源。信号的离散傅里叶变换表达式如下：

(1)

1.2 单比特接收机测频技术国外研究现状

国外取得最大成果的是美国空军实验室(AFRL)。AFRL 已经在该领域的研究上发表了大约10篇文献,有3项专利授权,成功设计并生产出2种型号的产品，分别是 MONOBITⅠ和 MONOBITⅡ[7]。其中，MONOBITⅠ把3个同样具有2.5 Gsps采样速率的模数转换(ADC)芯片连接到一起进行工作，具有 8 bit 的有效采样位数，通过软件将有效采样位数降低到2 bit，ASIC电路实现核函数的运算。MONOBITⅡ作为升级版，现场可编程门陈列(FPGA)代替MONOBITI中的ASIC电路，完成了高度的数字化结构，提高了算法的复用性和可维护性；在有效采样位数方面，将原来的2 bit位数提高到4 bit，运用12点的近似核运算提高实时处理速度，进一步加强了接收机的数字化；在测频方法方面，应用了补偿矩阵等新技术对原有的单比特FFT算法进行修改，减小了单比特傅里叶变换后频谱上无用谐波分量的数值，显著增大了系统的动态范围。

表1 AFRL的2型单比特接收机性能对比

2 单比特高效测频接收机的技术实现

2.1 单比特接收机的组成

单比特数字接收机的基本组成见图1，包括单比特ADC、多路选择器、FFT和频率编码等4 个部分。由单比特ADC 完成射频信号的采样及量化，多路选择器实现高速数据流的串并转换，在FPGA 中进行快速并行的FFT 运算，并给出频率编码信息。

图1 单比特数字接收机的组成

之前我们设计了一款4 GHz瞬时带宽、最大采样率为12 Gsps的超宽带单比特数字接收机,如图2所示[8]。

图2 最大采样率为12 Gsps的单比特采集板

在原有成果的基础上，进行了进一步的优化设计和升级，实现了20 Gsps采样的单比特接收机。硬件如图3所示。

图3 20 Gsps单比特数字接收机的硬件

2.2 高效测频算法

FFT 运算是单比特接收机的核心部分，设计中要兼顾处理时间、测频精度和接收机灵敏度3项指标,选择合理的参数。

对于一个单音信号而言，其测频精度的克拉美罗下限与σSNR、FFT点数N满足如下关系:

(2)

式中：fs为采样率;σSNR为射频信号FFT之前的信噪比;N为FFT点数。

如式(2)所示，当射频信噪比为0 dB、FFT点数为512、采样率为20 Gsps时，单音信号的测频精度蒙特卡洛下限为0.952 MHz。

对于单比特接收机而言，由于量化位数为1位，在进行FFT测频运算时，即使选取的核函数为16位浮点数，仍会因为数据的有效位数过少而造成测频精度的下降。

先后通过3种不同的测频算法进行了512点单比特FFT、1 000次蒙特卡洛仿真。为了反映测频算法对不同载频结果的适应性，我们对0 dB信噪比下不同载频进行了仿真分析，下面列举了部分频点的仿真结果，如图4～图6所示。由仿真结果可见，算法3的测频适应性最佳，测频精度为3 MHz(均方根误差)。

图4 载频5.85 GHz信号测频仿真(左：整体显示；右：局部放大)

图5 载频8.3 GHz信号测频仿真(左：整体显示；右：局部放大)

图6 载频9.95 GHz信号测频仿真(左：整体显示；右：局部放大)

3 测试结果

本接收机的测试主要包括接收机硬件信号波形测试以及输入信号频谱测试。主要测试仪表是安捷伦DSA-X 93 204 A数字信号分析仪。图7显示的是20 Gsps单比特采集板对10 GHz输入信号量化后的波形和频谱。其中，峰值信号在10 GHz，幅度比20 GHz谐波高7.5 dB。

试验中，还将接收机量化后的数据导出到Matlab进行分析,分析结果如图8所示。

4 结束语

本文介绍了单比特接收机的原理和应用，着重介绍了一款20 Gsps采样率的单比特高效测频接收机原理样机。该接收机有效解决了信号处理带宽、处理速度与测频精度的矛盾，分别通过仿真分析和功能实测，验证了该款原理样机的主要功能和测频能力。

图7 20 Gsps单比特采集板对10 GHz输入信号量化后的波形和频谱

图8 输入信号6.8 GHz、9.9 GHz采样后的数据频谱