運(yùn)用RF采樣的ADC來破解電子戰(zhàn)上的難題

現(xiàn)代電子戰(zhàn)(EW)系統(tǒng)開發(fā)人員面臨著眾多挑戰(zhàn)，其中包括日益增加的頻譜擁堵以及以更高的探測(cè)靈敏度對(duì)更寬的帶寬進(jìn)行監(jiān)視等難題。此外，系統(tǒng)開發(fā)人員還面臨巨大壓力，要縮短開發(fā)時(shí)間，眾多現(xiàn)有開發(fā)模型難以應(yīng)對(duì)，因而需要各類定制型硬件和固件設(shè)計(jì)，以便在尺寸、重量和功率三重限制下提升性能水平。

新型每秒千兆采樣(GSPS)高速轉(zhuǎn)換器、高性能FPGA和FPGAIP內(nèi)核已經(jīng)開始改變現(xiàn)狀，為設(shè)計(jì)師帶來了現(xiàn)成的解決方案和可配置的構(gòu)建模塊，助其從容面對(duì)新一代挑戰(zhàn)。一種采用ADI GSPS ADC并且搭載Altera? FPGA和通道化IP的參考設(shè)計(jì)將向我們展示，設(shè)計(jì)師如何在縮短上市時(shí)間的條件下，打造出最先進(jìn)的電子情報(bào)和數(shù)字RF存儲(chǔ)器系統(tǒng)解決方案。

電子戰(zhàn)概述

電子戰(zhàn)系統(tǒng)可以識(shí)別和反擊監(jiān)視與跟蹤雷達(dá)等電子威脅。電子戰(zhàn)系統(tǒng)通常分為電子支援(ES)、電子攻擊(EA)和電子保護(hù)(EP)三類。

電子支援系統(tǒng)用于攔截和測(cè)量信號(hào)參數(shù)，以識(shí)別信號(hào)源并進(jìn)行威脅分析。電子攻擊系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生干擾信號(hào)，以壓制真實(shí)脈沖。數(shù)字射頻存儲(chǔ)器(DRFM)是一種用于欺騙雷達(dá)的欺騙技術(shù)。電子保護(hù)系統(tǒng)主要用于處理和存儲(chǔ)輸入信號(hào)以構(gòu)建信號(hào)數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫是一個(gè)持續(xù)更新的查詢表，用于識(shí)別未來雷達(dá)系統(tǒng)。傳統(tǒng)上，這些系統(tǒng)是在模擬平臺(tái)上開發(fā)的。現(xiàn)代系統(tǒng)的數(shù)字化水平更高，可以利用可編程邏輯器件強(qiáng)大的信號(hào)處理能力。

在這些系統(tǒng)中，不明目標(biāo)威脅的探測(cè)需要一個(gè)可以工作于較寬頻段的接收器，以識(shí)別威脅并發(fā)動(dòng)對(duì)抗措施。典型的電子戰(zhàn)系統(tǒng)的工作頻率范圍是直流至20 GHz。在寬帶寬要求以外，實(shí)戰(zhàn)電子戰(zhàn)系統(tǒng)還要求高動(dòng)態(tài)范圍、高靈敏度和精確的脈沖特性描述性能，新系統(tǒng)也要以更快的速度、更高的靈敏度監(jiān)視目標(biāo)帶寬。電子戰(zhàn)系統(tǒng)接收到的輸入信號(hào)可能來自眾多不同來源，并且需要識(shí)別和區(qū)分每一個(gè)來源，此時(shí)，情況變得更加復(fù)雜。在敵方有意為之的干擾以外，不斷增加的頻譜擁堵，特別是通信基礎(chǔ)設(shè)施的快速擴(kuò)張導(dǎo)致的頻譜擁堵問題進(jìn)一步增加了有效探測(cè)的難度。

尺寸更小、重量更輕、功率更低的復(fù)雜系統(tǒng)使開發(fā)周期變得越來越長(zhǎng)。然而，新一代現(xiàn)成解決方案和可編程構(gòu)建模塊可為這些挑戰(zhàn)提供解決方案。對(duì)任何電子戰(zhàn)系統(tǒng)來說，兩個(gè)關(guān)鍵構(gòu)建模塊是模數(shù)轉(zhuǎn)換器和實(shí)時(shí)通道化IP，我們將進(jìn)一步考察這兩個(gè)關(guān)鍵構(gòu)建模塊，展示如何應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

電子戰(zhàn)系統(tǒng)的ADC瓶頸問題

在許多情況下，高速ADC從模擬域向數(shù)字域的過渡是電子支援系統(tǒng)、電子攻擊系統(tǒng)和電子保護(hù)系統(tǒng)的限制因素，在此，系統(tǒng)架構(gòu)師往往面臨一個(gè)難題。成本和系統(tǒng)尺寸最小化通常是重中之重，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)師還必須在提高瞬時(shí)監(jiān)視帶寬以最大程度地增加攔截概率的需求，與如何將帶內(nèi)高功率信號(hào)降低系統(tǒng)靈敏度的影響最小化之間找到最佳平衡。這些要求在轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)和將信號(hào)內(nèi)容耦合到轉(zhuǎn)換器的前端設(shè)計(jì)方面帶來了挑戰(zhàn)。即使轉(zhuǎn)換器本身擁有出色的性能，前端也必須能維持信號(hào)質(zhì)量，結(jié)果促使設(shè)計(jì)師不斷超越高速ADC的極限，以提高 性能、降低成本。

圖1所示為一個(gè)簡(jiǎn)單的電子戰(zhàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要特性為一個(gè)射頻接收器(用于下變頻和選擇要監(jiān)視的目標(biāo)頻帶)、用于轉(zhuǎn)換模數(shù)域數(shù)據(jù)的ADC以及數(shù)字信號(hào)處理引擎，該引擎通常是一個(gè)FPGA，配置為探測(cè)、確定、分析和管理目標(biāo)信號(hào)的存儲(chǔ)。DRFM和電子攻擊系統(tǒng)也包括一個(gè)采用高速DAC的相應(yīng)發(fā)射鏈。

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從歷史上來看，在增加瞬時(shí)帶寬的同時(shí)維持需要的線性度需要使用多個(gè)重疊接收器或一種交錯(cuò)式架構(gòu)。重疊的接收器各自數(shù)字化所需帶寬的一部分，并用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)把來自各個(gè)通道的數(shù)據(jù)和可觀測(cè)頻譜重新組合起來。對(duì)于交錯(cuò)式架構(gòu)，一般要搭配校準(zhǔn)使用，以便最大限度地減小轉(zhuǎn)換器之間的相差、失調(diào)差和增益差。兩種方案的實(shí)現(xiàn)成本都比較高，但數(shù)字信號(hào)處理往往會(huì)根據(jù)實(shí)現(xiàn)需求進(jìn)行定制。

ADI的新型RF采樣ADC (如AD9625)為新一代系統(tǒng)提供了解決方案，不但可以提供更大的瞬時(shí)帶寬，同時(shí)還具有更高的線性度，能夠維持所需要的靈敏度水平。AD9625是一款2.5 GSPS、12位ADC，可增進(jìn)高帶寬交流性能，在1 GHz輸入下，其典型寬帶SNR/SFDR分別達(dá)到前所未有的57 dB/80 dB。另外，這款A(yù)DC還支持確定到達(dá)角往往需要的多轉(zhuǎn)換器同步，集成了數(shù)字下變頻器(DDC)以便抽取和觀測(cè)輸出頻譜的較小部分。

AD9625能支持超過3 GHz的小信號(hào)模擬帶寬，可為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提供很大的IF定位靈活性。憑借第一和第二奈奎斯特采樣選項(xiàng)和超過1 GHz的可用帶寬，設(shè)計(jì)師可以最大化前端接收器架構(gòu)的性能，實(shí)現(xiàn)濾波和系統(tǒng)復(fù)雜性的最佳平衡。

ADI推出了支持并行接口和串行接口(包括JESD204B標(biāo)準(zhǔn))的器件。這對(duì)于眾多電子戰(zhàn)系統(tǒng)的高數(shù)據(jù)速率和低延遲要求是極其重要的。

為了便于快速制作原型和系統(tǒng)開發(fā)，AD9625以VITA 42/FPGA夾層卡(FMC)平臺(tái)的形式提供(見圖2)。該平臺(tái)提供了一些參考設(shè)計(jì)，可借以了解如何優(yōu)化ADC前方的信號(hào)調(diào)理以實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化；同時(shí)，平臺(tái)還可確保ADC與處理單元之間的數(shù)據(jù)處理接口擁有充足的帶寬，以便在仍然使用CoT架構(gòu)的條件下，支持來自轉(zhuǎn)換器的實(shí)時(shí)全速率數(shù)據(jù)傳輸需求。結(jié)果打造出一款高效的架構(gòu)，集成2.5 GSPS ADC COTS解決方案，以最小尺寸提供高速導(dǎo)管。

通道選擇器概述

盡管電子攻擊系統(tǒng)、電子支援系統(tǒng)和電子保護(hù)系統(tǒng)中的信號(hào)都各有特點(diǎn)，但它們都有一個(gè)共同的組件，即數(shù)字通道化接收器，也稱通道選擇器。通道選擇器把一個(gè)寬帶寬拆分成小帶寬，以便把目標(biāo)信號(hào)與噪聲和干擾信號(hào)分開，從而在單個(gè)子通道中可靠地檢測(cè)到低SNR和時(shí)間敏感信號(hào)。多數(shù)數(shù)字通道化接收器都由一個(gè)濾波器組和快速傅里葉變換(FFT)組成。

作為設(shè)計(jì)工程師，這里面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是，每次設(shè)計(jì)或升級(jí)新的電子戰(zhàn)系統(tǒng)時(shí)，通常都要求開發(fā)更加復(fù)雜的通道選擇器。這是因?yàn)樾略O(shè)計(jì)通常會(huì)導(dǎo)致必要的硬件升級(jí)，以支持速率更高的轉(zhuǎn)換器和更高的處理性能，以應(yīng)對(duì)不斷變化的全球威脅。為了加快通道選擇器的開發(fā)步伐，降低內(nèi)部研發(fā)(IRAD)成本，Altera開發(fā)了一款超高采樣速率的FFT IP和FIR濾波器IP內(nèi)核，能夠處理多-GSPS轉(zhuǎn)換器輸入。這些IP內(nèi)核可根據(jù)多種輸入?yún)?shù)，優(yōu)化您的解決方案，如圖3所示。

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圖4通過一般電子戰(zhàn)系統(tǒng)框圖描述了通道選擇器的作用，在該圖中，先對(duì)數(shù)字化輸入射頻(RF)寬帶信號(hào)進(jìn)行下變頻和數(shù)字化處理，然后饋入通道化接收器之中。對(duì)各通道的輸出進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)和估算，以便把威脅信號(hào)與中立方和友方信號(hào)分辨開來。一旦發(fā)現(xiàn)威脅且有數(shù)據(jù)作為支撐，某些電子戰(zhàn)系統(tǒng)就會(huì)通過干擾對(duì)抗威脅。在此過程中，接收器可能會(huì)產(chǎn)生各種干擾信號(hào)。在敵方發(fā)射機(jī)中，這些干擾信號(hào)可能表現(xiàn)為陷波白噪聲或再生虛假反射信號(hào)(即DRFM)。干擾信號(hào)通過反相通道選擇器，后者的作用是重構(gòu)寬帶反射信號(hào)。反射信號(hào)在上變頻回?cái)撤桨l(fā)射機(jī)之后再發(fā)射。

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硬件演示

項(xiàng)目展示的是ADC接口和通道選擇器功能。一個(gè)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)正弦信號(hào)音，作為AD9625的輸入。AD9625 ADC輸出端通過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)FMC接口連接至Arria-V SoC開發(fā)套件。JESD204B標(biāo)準(zhǔn)定義了各種通道配置條件下邏輯器件的數(shù)據(jù)速率。在本演示中，JESD204B接口配置為使用8通道收發(fā)器模式，如圖5A和圖5B所示。

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通過JESD204B接口接收的樣本饋入通道選擇器IP中，后者配置為用16條輸入線并行接收16個(gè)樣本(圖4中的參數(shù)M)。根據(jù)FFT點(diǎn)的數(shù)量，把一個(gè)全FFT幀分為多個(gè)時(shí)隙。例如，一個(gè)1024點(diǎn)FFT需要1024/16 = 64個(gè)時(shí)隙。濾波器組系數(shù)和FFT處理級(jí)會(huì)根據(jù)時(shí)隙自動(dòng)切換。

通道選擇器IP是用DSP高級(jí)版生成器(DSPBA)開發(fā)的，這是來自Altera的一款基于模型的設(shè)計(jì)流工具。借助該工具，信號(hào)處理工程師可以在MATLAB/Simulink環(huán)境中設(shè)計(jì)、評(píng)估和驗(yàn)證其算法。當(dāng)算法為最優(yōu)時(shí)，DSPBA會(huì)生成可以部署在Altera FPGA上的代碼。

通道選擇器輸出存儲(chǔ)在片內(nèi)存儲(chǔ)器中，并通過Altera系統(tǒng)在環(huán)(SIL)工具進(jìn)行驗(yàn)證。SIL用一個(gè)MATLAB API來觸發(fā)片內(nèi)寄存器，開始記錄，以用于數(shù)據(jù)可視化。一旦觸發(fā)，則會(huì)對(duì)FFT處理執(zhí)行一次迭代，并把產(chǎn)生的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到片內(nèi)SRAM中。MATLAB API通過Altera Avalon存儲(chǔ)器圖把數(shù)據(jù)從SRAM提取到MATLAB主機(jī)中。上傳到MATLAB之后，則會(huì)在屏幕上繪制樣本圖。

IP的集成是在Qsys中完成的。Qsys是Altera推出的一款集成工具，通過提供集成框架，可以大幅縮短開發(fā)流程。運(yùn)用圖形用戶界面即可實(shí)現(xiàn)層級(jí)式IP重用和互聯(lián)基礎(chǔ)設(shè)施。

創(chuàng)建一個(gè)Qsys項(xiàng)目，以集成通道選擇器IP和JESD204B IP。除了通道選擇器IP集成以外，項(xiàng)目還集成了控制功能，以支持連接ADC的SPI配置接口。

通道選擇器可以通過MATLAB設(shè)置腳本輕松切換為不同的FFT大小。這種靈活性為將來的升級(jí)路徑提供了保障，同時(shí)還有可能在不同系統(tǒng)配置之間實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的重復(fù)利用。例如，圖6展示了來自SIL的4096點(diǎn)FFT輸出。

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結(jié)論

通過新一代高速轉(zhuǎn)換器打造的解決方案可以提供更高的瞬時(shí)帶寬而不犧牲系統(tǒng)靈敏度，同時(shí)還能在頻率規(guī)劃方面提供更大的靈活性，或者消除前端RF帶上的下混頻級(jí)的必要性。然而，在1 GHz范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)帶寬數(shù)據(jù)分析可能對(duì)高性能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)造成挑戰(zhàn)。

為了解決這個(gè)問題，可以利用通道選擇器來分析這些寬帶寬同時(shí)維持高性能。這些新型GSPS RF ADC加上新型可配置通道選擇器IP內(nèi)核為新一代系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提供了一種更快的解決方案，可以很好地適應(yīng)不斷變化的電子戰(zhàn)環(huán)境。