軟件無(wú)線電技術(shù)雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用論文
摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的快速發(fā)展，軟件無(wú)線電技術(shù)逐漸走進(jìn)人們的視野。軟件無(wú)線電技術(shù)是無(wú)線電通信體系的一次變革，對(duì)無(wú)線電通信的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。軟件無(wú)線電技術(shù)作為一個(gè)通信概念最早應(yīng)用于通信領(lǐng)域，但本質(zhì)特征決定了它在雷達(dá)、數(shù)字電視等領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景�；诖�，深入探討了軟件無(wú)線電技術(shù)在雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用，以期對(duì)相關(guān)研究提供有價(jià)值的參考。
關(guān)鍵詞：軟件無(wú)線電；雷達(dá)；數(shù)字信號(hào)處理
1引言
軟件無(wú)線電（SoftwareRadio）的概念最早由20世紀(jì)90年代初的美國(guó)學(xué)者Jeo和Mitola等人提出[1]。它的核心思想是進(jìn)一步縮小寬帶A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊與天線模塊之間的距離，同時(shí)通過軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)電臺(tái)功能[2]。軟件無(wú)線電思想顛覆了傳統(tǒng)方法，即通過硬件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，它將目光轉(zhuǎn)向了軟件技術(shù)。對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)而言，通信功能和信號(hào)處理功能是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，是軟件無(wú)線電發(fā)揮作用的最佳舞臺(tái)。
2雷達(dá)系統(tǒng)分析
2.1雷達(dá)的結(jié)構(gòu)及原理
雷達(dá)一詞來(lái)源于英文的Radar，其中文意思為“無(wú)線電探測(cè)和測(cè)距”，顧名思義，就是通過無(wú)線電波的形式探測(cè)周圍目標(biāo)，測(cè)出空間位置和距離。這里所講的無(wú)線電波實(shí)際是一種電磁波的特殊頻段，雷達(dá)充分利用了電磁波的反射原理完成目標(biāo)的探測(cè)和定位。為了說明雷達(dá)系統(tǒng)的基本原理，本文以最具有代表性的單基地脈沖雷達(dá)為例，分析說明雷達(dá)系統(tǒng)的基本組成和原理。雷達(dá)系統(tǒng)包括天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和終端設(shè)備等，并通過這些設(shè)備分別完成不同的功能。雷達(dá)的正常工作必須建立在高穩(wěn)定度頻率源的基礎(chǔ)上，以建立系統(tǒng)的工作頻率為參考值，其激勵(lì)信號(hào)是在低功率電平條件下，由特定的高頻脈沖波形形成。激勵(lì)信號(hào)首先由發(fā)射機(jī)的功率放大，其次通過末級(jí)功放模塊進(jìn)一步放大，得到足夠強(qiáng)的脈沖信號(hào)，最后由天線向自由空間發(fā)射。雷達(dá)系統(tǒng)中，接收模塊和發(fā)射模塊通常共用一個(gè)天線，通過高速開關(guān)實(shí)現(xiàn)發(fā)射與接收信號(hào)的時(shí)分利用。
2.2雷達(dá)與軟件無(wú)線電
信號(hào)處理是雷達(dá)技術(shù)的核心，直接決定了雷達(dá)系統(tǒng)的性能。目前，雷達(dá)系統(tǒng)廣泛采用AID、DSP和計(jì)算機(jī)技術(shù)提高信號(hào)處理能力，但由于硬件成本與性能的限制，其性能提高十分有限。軟件無(wú)線電技術(shù)的提出，進(jìn)一步降低了雷達(dá)信號(hào)處理對(duì)硬件性能的依賴程度。通過軟件手段提升信號(hào)處理效率和精度成為雷達(dá)技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì)。一般來(lái)說，不同用途和功能的雷達(dá)系統(tǒng)在性能指標(biāo)方面有明顯區(qū)別，例如載頻、脈寬、調(diào)制等均需要特殊設(shè)計(jì)，且這些參數(shù)都是由硬件參數(shù)決定，調(diào)節(jié)范圍有限。這種以硬件為核心的雷達(dá)設(shè)計(jì)思想不僅造成了雷達(dá)功能的單一，而且嚴(yán)重限制了適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的能力。
3軟件無(wú)線電技術(shù)
3.1軟件無(wú)線電基本思想
軟件無(wú)線電技術(shù)是無(wú)線電通信體系的一次變革，它完全改變了傳統(tǒng)無(wú)線電通信的基本思想，成為繼模擬系統(tǒng)到數(shù)字系統(tǒng)、固定設(shè)備到移動(dòng)終端之后的一次歷史性突破，對(duì)無(wú)線電通信的發(fā)展具有深遠(yuǎn)影響。該技術(shù)通過進(jìn)一步縮小寬帶A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊與天線模塊之間的距離，通過軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)電臺(tái)的主要功能，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)功能變得更加靈活。軟件無(wú)線電系統(tǒng)接收到模擬信號(hào)后，第一時(shí)間將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，然后采用相應(yīng)的軟件算法完成信號(hào)波型的配置，以滿足雷達(dá)對(duì)各種信號(hào)的需求。一般情況下，軟件無(wú)線電系統(tǒng)由天線、射頻變換器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、DSP以及實(shí)時(shí)軟件等構(gòu)成。它的技術(shù)特點(diǎn)主要有兩個(gè)關(guān)鍵之處：一是A/D和D/A端與RF端非常接近，主要在中頻段完成信號(hào)采集；二是通過高速DSP和CPU代替?zhèn)鹘y(tǒng)電路單元，通過A/D轉(zhuǎn)換支持后續(xù)復(fù)雜信號(hào)的處理過程。A/D、D/A端與RF端的空間設(shè)計(jì)只是軟件無(wú)線電的基本條件之一，關(guān)鍵技術(shù)在于高性能DSP和CPU的數(shù)字處理能力，由其實(shí)現(xiàn)軟件無(wú)線電的根本目的。
3.2軟件無(wú)線電的優(yōu)點(diǎn)
因?yàn)槌浞职l(fā)揮了軟件技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，所以軟件無(wú)線電技術(shù)在功能實(shí)現(xiàn)上更加具有靈活性。以模塊化軟件開發(fā)技術(shù)的支持為基礎(chǔ)，當(dāng)開發(fā)者增加某項(xiàng)系統(tǒng)功能時(shí)，只需單獨(dú)編寫相應(yīng)的功能模塊，并通過主程序進(jìn)行調(diào)用，無(wú)需修改硬件結(jié)構(gòu)。軟件無(wú)線電適用于所有類型的信號(hào)處理場(chǎng)合，并且便于升級(jí)軟件模塊，大大提高了開發(fā)效率，降低了系統(tǒng)成本，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)性能。此外，軟件無(wú)線電技術(shù)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化設(shè)計(jì)的支持程度較高，對(duì)硬件具有良好的兼容性。雷達(dá)系統(tǒng)中采用軟件無(wú)線電技術(shù)可以進(jìn)一步提高其適應(yīng)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)能力，成為未來(lái)電子戰(zhàn)的重要技術(shù)支撐，且充分利用了當(dāng)前日益成熟的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、進(jìn)化算法等信號(hào)處理技術(shù)，提升軟件無(wú)線電雷達(dá)系統(tǒng)的整體性能。
4軟件無(wú)線電雷達(dá)系統(tǒng)
軟件無(wú)線電技術(shù)作為一種探索中的應(yīng)用技術(shù)，基本結(jié)構(gòu)尚未形成相對(duì)穩(wěn)定的形式。不同的設(shè)計(jì)者和不同的應(yīng)用需求都會(huì)造成其結(jié)構(gòu)的較大差異，尤其會(huì)受到DSP和A/D轉(zhuǎn)換等器件的制約，因此實(shí)用性還有待提升。為了闡明軟件無(wú)線電技術(shù)在雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用，本文以雷達(dá)系統(tǒng)的射頻部分設(shè)計(jì)為例，參考了幾種標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，將軟件無(wú)線電技術(shù)應(yīng)用于中頻和基帶處理�；谲浖䶮o(wú)線電的雷達(dá)射頻系統(tǒng)充分借鑒了軟件工程的編程設(shè)計(jì)思想，采用了開放式的平臺(tái)設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)功能劃分為不同的模塊結(jié)構(gòu)，易于修改和升級(jí)系統(tǒng)功能，節(jié)約了雷達(dá)系統(tǒng)的制作成本，提升了雷達(dá)系統(tǒng)的性能。射頻前端采用了通用化設(shè)計(jì)，頻率范圍較寬，可以實(shí)現(xiàn)低噪聲放大和混頻。寬帶A/D變換模塊的設(shè)計(jì)提高了采樣速度和位數(shù)，通過并聯(lián)多個(gè)高速低分辯率的ADC，形成一個(gè)性能更加優(yōu)異的復(fù)合器件。為了實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)功能最大程度的軟件化控制，本文將中頻和基帶信號(hào)處理統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，盡管這對(duì)DSP的性能提出了一定要求，但當(dāng)前的DSP技術(shù)已基本能夠滿足要求，可較好地完成變頻、濾波和二次采樣等工作，進(jìn)一步改善了雷達(dá)系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度。考慮到近年來(lái)FGPA技術(shù)的發(fā)展，尤其并行運(yùn)算能力的提高，本文結(jié)合了FPGA技術(shù)處理雷達(dá)信號(hào)，進(jìn)一步提升數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性。另外，發(fā)射系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)制全部通過軟件控制的方式實(shí)現(xiàn)，并通過編程生成各種形式的波形。
5結(jié)語(yǔ)
軟件無(wú)線電技術(shù)的提出與應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)功能單一、兼容性差等問題，解放了以硬件為核心的設(shè)計(jì)思想，是雷達(dá)系統(tǒng)提高設(shè)計(jì)靈活性和開放性的重要技術(shù)支撐。此外，這種基于軟件無(wú)線電技術(shù)的雷達(dá)系統(tǒng)更加適應(yīng)未來(lái)復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，將帶領(lǐng)軍隊(duì)在戰(zhàn)場(chǎng)中占據(jù)明顯優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)的軍事領(lǐng)域?qū)⒂袕V闊的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
[1]李世界,陳章友,張?zhí)m,等.多通道雙頻高頻雷達(dá)接收機(jī)模擬前端的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2018,44(3):31-35.
[2]鄧倩嵐,陸忠杰,辛康.脈沖多普勒雷達(dá)導(dǎo)引頭目標(biāo)回波模擬器校準(zhǔn)技術(shù)研究[J].宇航計(jì)測(cè)技術(shù),2018,38(1):27-31.
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