將SDR集成到雷達系統(tǒng)中的應用好處

作者：Brendon McHugh和Simon Ndiritu

1、SDR系統(tǒng)簡介

SDR系統(tǒng)由處理模擬信號的無線電前端和處理數(shù)字信號的數(shù)字后端組成。無線電前端執(zhí)行信號發(fā)送（Tx）和接收（Rx）功能，設計用于在寬調(diào)諧范圍內(nèi)工作，高性能SDR工作在0-18 GHz（也可升級到更高頻率范圍）。

SDR系統(tǒng)的數(shù)字后端具有現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA），能夠執(zhí)行各種數(shù)字信號處理（DSP）操作。該設備利用可重構組件進行各種DSP操作，如上變頻、下變頻、調(diào)制和解調(diào)。數(shù)字后端的可重構性使SDR系統(tǒng)高度靈活，易于升級。這種靈活性還允許通過使用軟件工具執(zhí)行各種處理和/或將新的IP核加載到FPGA上，以低成本輕松實現(xiàn)新的DSP算法和無線電協(xié)議。

SDR平臺提供多個獨立的發(fā)射和接收信道，是實現(xiàn)多功能系統(tǒng)的理想選擇。每個通道都具有專用的數(shù)模轉換器（DAC）或模數(shù)轉換器（ADC），用于從一個域到另一個域的信號轉換。典型SDR系統(tǒng)的架構由各種模塊板組成，如圖1所示。

圖1：SDR系統(tǒng)的簡化架構

2、雷達及其在當今工業(yè)中的應用

雷達（Radio Detection And Ranging）是一種利用無線電波來測量信號所針對物體的角度、距離或速度的技術。該技術在第二次世界大戰(zhàn)期間被首次使用，如今被廣泛應用于包括飛機監(jiān)測系統(tǒng)和天氣監(jiān)測系統(tǒng)在內(nèi)的一系列關鍵任務應用中。

典型的雷達系統(tǒng)由一個發(fā)射器組成，該發(fā)射器產(chǎn)生并向目標方向發(fā)射電磁信號。當發(fā)射的信號擊中目標時，信號的一部分被反射回與接收信道相連的雷達天線或天線。來自接收器的反射信號由主機處理。主機計算所需的測量值并將其顯示在屏幕上；例如，它可以計算目標的角度、距離、速度或大小的近似值。

雷達系統(tǒng)使用能夠執(zhí)行發(fā)射和接收功能的多功能天線。雙工器開關通過將發(fā)射器和接收器連接到共享碟形天線或天線，來實現(xiàn)在接收或發(fā)送模式之間的切換。雷達收發(fā)器有不同的形式，并根據(jù)應用安裝在不同的位置。這些發(fā)射器/接收器通常位于飛機機頭、船舶甲板、軍用車輛、空中交通控制塔和許多其他地方。在飛機和船舶中，多個設備用于支持不同的服務和應用。

雷達系統(tǒng)有不同的形式和配置，以滿足當今應用的不同需求。一些最常見的雷達類型包括合成孔徑雷達（SAR）、多普勒雷達和相控陣雷達。

合成孔徑雷達（SAR）是一種專門的雷達系統(tǒng)，通常安裝在飛機/航天器上，用于創(chuàng)建三維目標的高分辨率二維圖像。利用該雷達創(chuàng)建圖像需要向目標場景發(fā)射多個連續(xù)的電磁信號脈沖，并記錄反射信號。記錄的回波被處理成圖像，以重建場景。重建圖像的分辨率主要由孔徑大小決定：孔徑越大，分辨率越高。SAR通常用于測繪和遙感。

多普勒雷達系統(tǒng)利用多普勒效應來計算目標速度的近似值。該雷達測量發(fā)射信號和反射信號之間的頻率差，并使用該變化來計算目標速度的準確估計。多普勒雷達通常較輕，常用于探測衛(wèi)星、航空、雷達炮、氣象和放射學。

相控陣雷達利用干擾原理來組合各個天線元件的輻射方向圖，從而獲得期望的有效輻射方向圖。該雷達具有快速響應時間，可用于不同功能。這種雷達令人印象深刻的性能使其成為一種適合于單一雷達系統(tǒng)用于多種功能的國防應用的選擇。

圖2：SDR，如Per Vices Cyan，允許各種雷達通信能力

雷達是許多關鍵任務系統(tǒng)的核心部件，如軍事和國防、航空、海上導航和氣象系統(tǒng)。如圖2所示，當與軟件定義無線電（SDR）相結合時，雷達系統(tǒng)具有廣泛的功能，并在各種行業(yè)中得到應用。

今天的海上導航和防撞系統(tǒng)嚴重依賴雷達技術。海洋雷達系統(tǒng)利用C波段、S波段和X波段，使船只能夠探測其他船只和陸地障礙物。這些雷達系統(tǒng)還為船舶提供方位和準確距離。

在現(xiàn)代飛機中，雷達被廣泛用于各種關鍵系統(tǒng)，包括導航和著陸系統(tǒng)。很大一部分航空波段專用于雷達系統(tǒng)，包括非定向信標（NDB）、測距設備、機載防撞、監(jiān)視雷達、無線電高度計、機載天氣雷達和機載多普勒雷達系統(tǒng)。

氣象雷達系統(tǒng)具有S、C和X波段的專用頻帶。S波段（2700–2900 MHz）主要用于熱帶和溫帶氣候地區(qū)的颶風、龍卷風和暴雨監(jiān)測系統(tǒng)。C波段（5600-5650 MHz）專用于大冰雹或大雨造成的信號衰減不嚴重的地區(qū)。最后，X波段（9300-9500 MHz）主要用于短程水文和氣象應用。該氣象波段的一個常見應用是在城市水文中。

3、將SDR集成到雷達系統(tǒng)中

SDR系統(tǒng)的硬件架構允許它們輕松集成到各種復雜的現(xiàn)代雷達系統(tǒng)中。首先，SDR架構允許雷達工程師使用50ΩSMA連接器連接雙工器和功率放大器?；赟DR系統(tǒng)的雷達系統(tǒng)的簡化框圖如圖3所示。

圖3：基于SDR的雷達系統(tǒng)

SDR平臺提供多輸入多輸出（MIMO）信道，是當今復雜雷達系統(tǒng)的理想選擇。高性能SDR平臺提供多達16個信道，從而允許通過單個設備實現(xiàn)利用多信道相控陣系統(tǒng)的雷達。MIMO SDR也是實現(xiàn)由具有不同距離能力的多個雷達天線組成的復雜雷達系統(tǒng)的理想選擇。

高性能SDR系統(tǒng)提供的寬頻率范圍使其適用于最苛刻的雷達應用。除了允許足夠的信道間隔外，該特性還使得單個SDR能夠覆蓋雷達應用中使用的所有頻帶。此外，這些平臺提供了令人印象深刻的頻率和相位穩(wěn)定性，使其適用于當今的雷達系統(tǒng)。

高性能SDR平臺旨在提供令人印象深刻的噪聲、動態(tài)范圍和無雜散動態(tài)范圍（SFDR）特性。SFDR定義了基本載波信號的幅度和最強雜散信號之間的范圍。該量通常以dBc表示。SDR平臺提供高SFDR，使其成為復雜雷達系統(tǒng)的理想選擇。此外，SDR系統(tǒng)設計用于提供高靈敏度和低噪聲系數(shù)。這與高動態(tài)范圍特性一起，意味著單個設備能夠捕獲雷達系統(tǒng)中非常微弱和強烈的反射。

除了無線電前端硬件之外，SDR的數(shù)字后端需要高數(shù)據(jù)回程，以滿足當今苛刻的雷達應用。復雜的雷達系統(tǒng)，如現(xiàn)代空中交通控制系統(tǒng)中使用的雷達系統(tǒng)處理需要傳遞到主機系統(tǒng)的大量數(shù)據(jù)。高性能SDR系統(tǒng)具有高數(shù)據(jù)吞吐量40Gbps qSFP+收發(fā)器端口，可升級至最高100Gbps。

4、相控陣雷達的波束成形/波束轉向

相控陣波束成形是用于提高高要求應用中天線性能的技術之一。在相控陣系統(tǒng)中，天線元件組件的各個輻射方向圖被構造性地組合以產(chǎn)生期望的有效輻射方向圖（主瓣）。在非期望方向的情況下，相消干涉用于產(chǎn)生旁瓣和零點。

波束成形使主瓣中輻射的能量最大化，并使副瓣中輻射能量最小化。調(diào)整饋送到天線元件的信號的相位允許操縱輻射的方向。執(zhí)行相位調(diào)整的算法在FPGA中實現(xiàn)。通過簡單地重新配置FPGA，可以修改該算法以包括更多的元件和功能。

圖4：線性陣列波束成形和轉向中使用的相移計算

讓我們考慮一個由8個天線單元組成的線性陣列，如圖4所示。為了簡單起見，我們假設饋線中的延遲可以忽略不計。如圖4所示，我們可以畫一個直角三角形，使我們能夠將相移和偏轉角與所施加的相移相關聯(lián)。虛線垂直于每個相移波束和相應的天線元件繪制。直角的短邊（即從虛線到線性天線陣列的表面）表示為x。天線元件陣列之間的距離表示為d。假設期望的波束轉向角為q，我們可以使用基本三角法確定所需的相移y，如下所示：就波長（l）而言，x與相移有關，如方程2所示：結合等式1和2，我們獲得如等式3所示的相移表達式：

相控陣波束成形減少了重新定位天線陣列所需的時間，并允許傳輸多個數(shù)據(jù)流。此外，與機械轉向相比，陣列的電動轉向更高效，需要更少的維護。另一方面，相控陣的波束控制會導致更多的功耗。

5、在雷達系統(tǒng)中使用SDR的好處

將高性能SDR平臺集成到雷達系統(tǒng)中有很多好處。首先，單個SDR設備處理多種功能的能力降低了雷達系統(tǒng)的總體復雜性。并且SDR平臺具有高度靈活性和通用性，因為它們利用了可重構組件。而且這些設備具有高度的互操作性，可以集成到傳統(tǒng)和更新的雷達系統(tǒng)中。此外，這些平臺的靈活性使其適用于新部署以及服務壽命延長計劃（SLEP）。

SDR系統(tǒng)的數(shù)字后端采用可重構的基于軟件的組件進行各種信號處理操作。由于不需要硬件修改，這種可重構性允許以低成本輕松測試和實現(xiàn)高級算法。此外，由于SDR平臺使用基于軟件的組件而不是硬件組件，因此它們通常更便宜、更輕。與雷達中使用的傳統(tǒng)無線電系統(tǒng)相比，這些平臺的功耗也更低。

SDR平臺的可重編程性意味著單個設備可以重新配置以執(zhí)行不同的功能。由于不需要購買多個組件，與傳統(tǒng)無線電系統(tǒng)相比，SDR平臺更具成本效益。除了商用現(xiàn)貨（COTS）平臺，SDR平臺的領先制造商還可以提供定制解決方案，以滿足您的應用程序的特定性能需求。

審核編輯：郭婷