雷達(dá)模擬波束成形和數(shù)字波束成形的區(qū)別

使用相控陣進(jìn)行數(shù)字和模擬波束成形的基礎(chǔ)知識

AuthorCadence System Analysis

第一臺相控陣?yán)走_(dá)是由德國物理學(xué)家卡爾·布勞恩于1905年發(fā)明的，帶有三個發(fā)射器。從那時起，雷達(dá)在各個層面都變得更加先進(jìn)。在系統(tǒng)尺寸、發(fā)射器數(shù)量、信號處理、線性調(diào)頻應(yīng)用和可用組件方面，相控陣設(shè)計(jì)人員比以往任何時候都更容易設(shè)計(jì)先進(jìn)的波束成形系統(tǒng)。執(zhí)行波束成形的兩種主要方式是數(shù)字和模擬，對于需要波束成形的系統(tǒng)，每種方法都有其優(yōu)勢。

當(dāng)今在毫米波頻段和更高頻段運(yùn)行的先進(jìn)無線和傳感器系統(tǒng)使用波束成形。這適用于較新的WiFi標(biāo)準(zhǔn)，LTE和較新的無線迭代，當(dāng)然還有雷達(dá)。在本文中，我們將了解模擬波束成形如何主導(dǎo)RF通信，以及設(shè)計(jì)如何轉(zhuǎn)向數(shù)字波束成形模型以支持實(shí)現(xiàn)MIMO的系統(tǒng)。

相控陣波束成形的概念

波束成形遵循一個簡單的概念：塑造從天線發(fā)射的電磁能量的空間分布，使其沿特定方向定向到目標(biāo)。相控陣是用于實(shí)現(xiàn)模擬波束成形的標(biāo)準(zhǔn)天線結(jié)構(gòu)，這是迄今為止占主導(dǎo)地位的波束成形方法。通過協(xié)調(diào)陣列的發(fā)射，發(fā)射電磁輻射的疊加從天線陣列獲得的增益比從單個天線獲得的增益更大。

引導(dǎo)來自相控陣的廣播信號有兩種主要方法：模擬波束成形和數(shù)字波束成形。前者是眾所周知的，早在無線通信開始采用波束成形之前，它就已經(jīng)用于最好的雷達(dá)系統(tǒng)。

模擬波束成形

在模擬波束成形中，單個輸入數(shù)據(jù)流（由調(diào)制RF信號表示）被提供給一組通向相控陣的饋線。在此過程中，有意對通向每個天線的輸入信號施加相移。發(fā)送到每個天線的廣播信號之間的相移將決定發(fā)射波束的方向。

具有 4 個 Tx 天線的模擬波束成形架構(gòu)示例。

當(dāng)封裝在PCB上時，這些天線通常間隔為廣播波長（空氣中的值）的幾倍。像雷達(dá)這樣的系統(tǒng)將共同定位Tx和Rx元素，Rx元素將以互惠的方式作為Tx元素運(yùn)行。為了確保最小的串?dāng)_和噪聲抑制，通常使用共面波導(dǎo)路由將信號路由到天線元件中。

模擬波束成形通常非常適合波束數(shù)低的低成本系統(tǒng)。隨著系統(tǒng)物理大小的增長，這帶來了可擴(kuò)展性挑戰(zhàn)，這是可取的，原因如下：

更多天線元件提供更高的增益

更多的天線元件可以提供更窄的波束寬度，在成像等應(yīng)用中提供更高的分辨率

更多的antenne元件允許實(shí)現(xiàn)更多的無線信道（例如，MIMO）

在具有高天線數(shù)量的RF系統(tǒng)（例如，雷達(dá)和5G產(chǎn)品）中，需要以更高的頻率工作，因?yàn)樗试S使用物理上更小的天線。模擬波束成形的可擴(kuò)展性挑戰(zhàn)來自于所有收發(fā)器和所有輻射元件的相位同步需求。隨著系統(tǒng)尺寸的增長，使用低頻振蕩器控制相位差和直接光束變得更加困難。這是模擬波束成形中使用的級聯(lián)收發(fā)器面臨的一個已知挑戰(zhàn)。

數(shù)字波束成形

數(shù)字波束成形是一個較新的概念，可以克服模擬波束成形系統(tǒng)在高級應(yīng)用中的可擴(kuò)展性限制。特別是，具有多用戶MIMO（MU-MIMO）的數(shù)字波束成形用于LTE傳輸模式7-9和5G NR。成像雷達(dá)是模擬波束成形的另一個領(lǐng)域，由于形成高分辨率圖像需要大量發(fā)射器，因此模擬波束成形開始變得不可擴(kuò)展。

在數(shù)字波束成形中，每個天線元件都有一個專用的ADC。結(jié)果是可以同時采集和傳輸多個波束，而無需精確的相位控制來實(shí)現(xiàn)波束成形和轉(zhuǎn)向。而不是取決于數(shù)據(jù)流之間的相位差的光束轉(zhuǎn)向角，使用一種稱為預(yù)編碼的技術(shù)來組合光束，以便它們從所有元素疊加發(fā)射同時沿多個所需路徑產(chǎn)生光束。

具有 4 個 Tx 天線的數(shù)字波束成形架構(gòu)示例。

這需要根據(jù)通道狀態(tài)信息 （CSI） 計(jì)算預(yù)編碼矩陣 [W]。這還必須在非常短的時間間隔內(nèi)重復(fù)完成，以便能夠使用定向波束進(jìn)行重復(fù)無線傳輸，以提供高吞吐量的數(shù)據(jù)傳輸。該矩陣將輸入信號與廣播信號相關(guān)聯(lián)，如下所示：

如果所需的輸出波束模式已知，則可以反轉(zhuǎn)以確定廣播信號，然后反轉(zhuǎn)以確定所需的輸入信號。

此選項(xiàng)使用更多的功率，成本更高，并且完成PCB布局可能更加困難。有一種折衷方案可以提供兩全其美的方法：混合波束成形。

混合波束成形：更先進(jìn)的系統(tǒng)

一種涉及模擬和數(shù)字波束成形的更高級技術(shù)是混合波束成形。在這種方法中，子陣列由非常大的陣列形成，子陣列中形成的波束使用模擬波束形成進(jìn)行控制。

每個子陣列可以共享一個ADC，即系統(tǒng)在此概念中使用模擬波束成形陣列的數(shù)字陣列。混合波束成形在需要數(shù)字波束成形的應(yīng)用中很受歡迎，但由于尺寸限制和功率限制，全數(shù)字波束成形可能不可行。示例體系結(jié)構(gòu)如下所示。

混合波束成形中使用的 4x 子陣列的系統(tǒng)架構(gòu)示例。

這種架構(gòu)需要在多個層面進(jìn)行仔細(xì)設(shè)計(jì)：信號處理、PCB布局、元件選擇和數(shù)字子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。上面顯示的示例只是將系統(tǒng)劃分為子陣列的一個例子，但這并不是對數(shù)字波束成形有用的唯一方法。其他架構(gòu)可用于混合波束成形系統(tǒng)。

PCB布局部分可能特別具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗匀恍枰M波束成形中使用的相位同步，但這與將數(shù)據(jù)流發(fā)送到子陣列所需的多個高速通道一起工作。其他混合波束成形表現(xiàn)形式也有可能幫助克服模擬和數(shù)字波束成形中的可擴(kuò)展性挑戰(zhàn)。

波束成形用于定向信號發(fā)送和接收。它具有改變幅度和相位的規(guī)定，這有助于 功率變化以及分別在所需方向上的波束轉(zhuǎn)向。單獨(dú)提供幅度/相位變化的天線陣列是 用于發(fā)射和接收的波束成形。

在模擬波束成形中，幅度/相位變化應(yīng)用于發(fā)射端的模擬信號。在ADC轉(zhuǎn)換之前對來自不同天線的信號進(jìn)行匯總 在接收端的模擬波束成形中。

在數(shù)字波束成形中，在發(fā)射端進(jìn)行DAC轉(zhuǎn)換之前，對數(shù)字信號施加幅度/相位變化（Wk）。反向過程是在執(zhí)行ADC和DDC操作后完成的。如圖所示，來自天線的接收信號首先從ADC轉(zhuǎn)換器傳遞，然后 求和操作前的數(shù)字下變頻器（即DDC）。

模擬波束成形

圖1描繪了模擬波束成形發(fā)射器。如圖所示，要傳輸?shù)幕鶐盘枮?先調(diào)制。該無線電信號使用功率分配器進(jìn)行分離，并通過波束成形器，波束成形器具有 規(guī)定改變振幅（ak） 和相位 （θk） 的信號 在通往天線堆棧的每條路徑中。功率分配器取決于使用的天線數(shù)量 例如，在天線陣列中，需要4路功率分配器來滿足4天線陣列的需求。

圖2描繪了模擬波束成形接收器。如接收器框圖所示，復(fù)數(shù)權(quán)重應(yīng)用于 來自陣列中每個天線的信號。復(fù)權(quán)重由振幅和相位組成。完成這些操作后，信號將組合成一個輸出。這提供了天線陣列所需的方向圖。

Wk= ak*ejsin（θk）
Wk= ak*cos（θk） + j* aksin（θk）
其中，
Wk表示陣列中第 k 個天線的復(fù)數(shù)權(quán)重。
一個k是重量的相對振幅。
θk是重量的相移。

數(shù)字波束成形

圖3描繪了數(shù)字波束成形接收器。如圖所示，每個天線元件的幅度縮放、相移及其總和 已以數(shù)字方式進(jìn)行。

? 數(shù)字波束成形由射頻轉(zhuǎn)換器、A/D 轉(zhuǎn)換器、DDC、復(fù)權(quán)倍增組成 和求和操作。
? 射頻轉(zhuǎn)換器將較高的射頻信號頻率轉(zhuǎn)換為較低的中頻 信號頻率。這是使用RF混頻器完成的。LO信號被饋送到RF混頻器 為了執(zhí)行射頻到中頻轉(zhuǎn)換。適當(dāng)?shù)?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/濾波器/" target="_blank">濾波器（帶通和低通）是 用于RF混頻器的輸入和輸出。
? 此IF信號使用A / D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字等效值 適當(dāng)?shù)牟蓸?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/時鐘/" target="_blank">時鐘。
? 數(shù)字化的IF信號被傳遞到DDC（數(shù)字下變頻器）。
? 這些天線元件的結(jié)果總結(jié)為 產(chǎn)生具有所需方向模式的基帶信號。
? 求和后的信號被交給解調(diào)器 從無線電信號中檢索信息。

下表提到了模擬波束成形和數(shù)字波束成形之間的區(qū)別。

模擬波束成形

模擬波束成形（ABF）是指從相控陣天線的每個元件接收到的回波信號， 在射頻載波頻率級別進(jìn)行組合。這款模擬波束成形器最多可饋電四個 集中式接收通道，將信號下變頻至基本頻段 （或中頻，如果）。以下模數(shù)轉(zhuǎn)換器?（ADC） 數(shù)字化IF或視頻信號。

數(shù)字波束成形

數(shù)字波束成形（DBF）可以在天線元件級別或子陣列級別實(shí)現(xiàn)。在DBF架構(gòu)中，有許多數(shù)字接收器， 天線的每個輻射元件上都有一個自己的接收器。下變頻至中頻并將信號數(shù)字化 在每個單獨(dú)的天線元件（或其中的一小群）上實(shí)現(xiàn)。每個接收器中的噪聲和信號失真在所有接收器之間是去相關(guān)的。

數(shù)字波束成形處理器中可以形成多個向各個方向控制的獨(dú)立波束。數(shù)字波束成形的優(yōu)勢包括：

改進(jìn)的動態(tài)范圍;

控制多個光束;

更好、更快地控制幅度和相位。

標(biāo)準(zhǔn)化模塊化發(fā)送/接收模塊 （SMTR）

發(fā)送/接收模塊是基于AESA技術(shù)數(shù)字波束成形的關(guān)鍵組件。這些模塊包含發(fā)射器功率放大器的一部分和接收器的一部分 并且可以批量生產(chǎn)，以實(shí)現(xiàn)更好的性價比。這些模塊可用于各種程序，只需稍作個別調(diào)整。通過緊湊的設(shè)計(jì)，信號處理過程中的線路損耗很低。例如，標(biāo)準(zhǔn)化的模塊化發(fā)射/接收模塊用于中型擴(kuò)展防空系統(tǒng)的X波段多功能火控雷達(dá) （米茲）， 在德國武裝部隊(duì)地面監(jiān)視雷達(dá)BüR，TerraSAR-X太空雷達(dá)以及歐洲戰(zhàn)斗機(jī)的E-Captor雷達(dá)中。

SMTRM是一種密封覆蓋的電路板，尺寸 長度為64,5毫米，寬度為13,5毫米，高度為4,5毫米。該板包含一個功率放大器，其形狀為兩個單片集成電路，饋送不同的相移，一個鐵氧體環(huán)行器，用于將發(fā)射器/接收器連接到發(fā)射/接收路徑， 單片集成限幅器和低噪聲前置放大器。接收到的信號將被下變頻為中頻。所有電路均采用砷化鎵（GaAs）半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)行。

波束成形處理器

這種同時組織各種天線模式的能力只有成為可能 采用數(shù)字接收器技術(shù) 因?yàn)橹挥袛?shù)字信號可以復(fù)制任意次數(shù)而不會丟失。實(shí)際上，接收到的信號被轉(zhuǎn)換為中頻，然后立即數(shù)字化。當(dāng)IF為75 MHz時，模數(shù)轉(zhuǎn)換器需要100 MHz的采樣頻率。

圖4顯示了典型波束成形處理器的框圖。相控陣天線的每個天線都有自己的接收通道 其次是自己的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字下變頻器（DDC）。為了正確求和，有一個特殊的橫向?yàn)V波器 這均衡了頻率響應(yīng)并校正了該接收通道中的單個傳播延遲。這種橫向?yàn)V波器也稱為有限脈沖響應(yīng)濾波器（FIR）。它被調(diào)諧到一個特殊的自動校準(zhǔn)程序。對于此校準(zhǔn)，已知的RF測試信號將被饋入接收器通道， 它要么是在整個帶寬上調(diào)制的線性頻率），要么是具有已知幅度的白噪聲。該濾波器中還制作了抑制旁瓣所需的權(quán)重。接收通道的所有模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)都以復(fù)數(shù)形式饋送 （I&Q）信號通過任何求和級的移相器級。求和級數(shù)決定了可能同時接收的天線波束的數(shù)量。在圖中，假定求和級數(shù)為 100。

提高靈敏度

每個單獨(dú)的接收通道都有一個可比的信噪比（SNR） 使用模擬波束成形到雷達(dá)接收器中的接收路徑。然而，噪聲是一個混沌的過程，必須在兩個接收通道中有所不同。因此，兩個不同接收器中的單個噪聲峰值不太可能相同， 雖然這不能完全排除。

因此，如果兩個接收通道在相位上相加，則回波信號總和為更大的脈沖， 但是噪聲是去相關(guān)的，相位和幅度不匹配。因此，噪聲的總和不能與回波信號相同。即使有兩個接收通道的總和，這也將信噪比提高了約2 dB， 導(dǎo)致使用數(shù)字波束成形的雷達(dá)靈敏度更高。在 37 個接收模塊的配置中（如雷神公司的可擴(kuò)展防空和導(dǎo)彈防御雷達(dá) AMDR）， 這導(dǎo)致在實(shí)踐中靈敏度提高約15 dB。

現(xiàn)代雷達(dá)以數(shù)字方式執(zhí)行幾乎所有所需的信號處理。最常用的數(shù)字信號處理技術(shù)是快速傅里葉變換（FFT）。在雷達(dá)數(shù)據(jù)路徑中，該算法用于波束成形、脈沖壓縮和多普勒處理等領(lǐng)域。首先，下面簡要介紹FFT。

快速傅里葉變換

FFT技術(shù)只是離散傅里葉變換（DFT）的高度優(yōu)化實(shí)現(xiàn)。FFT和DFT產(chǎn)生相同的結(jié)果，但與DFT相比，F(xiàn)FT需要的計(jì)算工作量很小。

離散傅里葉變換

DFT是對采樣數(shù)據(jù)（信號）的輸入序列的轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生該采樣數(shù)據(jù)序列的頻率內(nèi)容或頻譜表示。這將給出信號在頻域中的表示。

逆離散傅里葉變換

還有一個逆離散傅里葉變換（IDFT）和一個逆快速傅里葉變換（IFFT）。同樣，IFFT只是IDFT的優(yōu)化形式。它們都根據(jù)頻域信息計(jì)算信號的時域表示。使用這些變換，可以在時域信號和頻域頻譜表示之間來回切換。

DFT在長度為N的復(fù)輸入數(shù)據(jù)序列“xi”上執(zhí)行。要使用計(jì)算效率更高的FFT，N的長度必須為2 n，其中n是任何正整數(shù)。小于此長度的長度可以零擴(kuò)展到下一個 2n 長度。復(fù)數(shù)輸出序列 “Xk” 的長度也是 2n。DFT將采樣時域信號（xi）轉(zhuǎn)換為采樣頻域（Xk）頻譜表示。因此，它不是從 –π 到 π 連續(xù)計(jì)算采樣頻率 ω，而是在 2π 的間隔內(nèi)在 N 個等距點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。索引 i 和 k 都將從 0 運(yùn)行到 N -1。

DFT 和 IDFT 變換方程

DFT 和 IDFT 方程都是 N 個復(fù)指數(shù)的總和。如下所示，這些等式似乎非常相似：

直觀地說，DFT的作用是將輸入數(shù)據(jù)樣本與N個等間距的頻率信號相關(guān)聯(lián)。頻域表示 Xk 只是這些相關(guān)性中每個在幅度和相位上的權(quán)重。如果輸入信號不存在任何特定頻率，則生成的相關(guān)性將為零，并且該頻率的Xk值為零。因此，Xk的值給出了信號中每個頻率分量的幅度和相位。

DFT vs. IDFT

DFT 和 IDFT 方程中的唯一區(qū)別是 DFT 方程指數(shù)上的負(fù)號和 IDFT 方程的因子 1/N。請注意，DFT方程使用每個時域樣本來計(jì)算每個頻域樣本。IDFT方程要求使用每個頻域樣本來計(jì)算每個時域樣本。

因此，要計(jì)算任一變換的單個樣本，需要 N 個復(fù)數(shù)乘法和加法。要計(jì)算整個轉(zhuǎn)換，需要計(jì)算 N 個樣本，總共 N 個 2 次乘法和加法。FFT的計(jì)算效率要高得多，如表1所示。例如，使用 1024 點(diǎn)序列，只需 DFT 所需工作量的 1% 即可計(jì)算 FFT。

表 1.FFT 和 DFT 計(jì)算工作

同樣，Xk 的值表示每個頻率點(diǎn)的信號能量量，在采樣頻譜上相等間隔。由于是一個復(fù)數(shù)，它提供了每個頻率分量的幅度和相位。頻譜中的這些點(diǎn)通常稱為頻箱。隨著N變大，頻譜被分成更多的箱，頻率間隔更近，提供更精細(xì)的頻率區(qū)分。

什么是波束成形？波束成形是一種數(shù)字技術(shù)，可將雷達(dá)發(fā)射器和接收器聚焦在特定方向上。側(cè)向方向通常稱為方位角，上下方向稱為仰角。波束成形可用于將雷達(dá)聚焦在方位角和高程上。早期的機(jī)載雷達(dá)以及許多地面和海軍雷達(dá)使用圖1所示的更熟悉的拋物面型天線。拋物線形狀將接收和發(fā)射能量集中在天線方向上。天線可以旋轉(zhuǎn)以向所有方向搜索或瞄準(zhǔn)感興趣的方位角和仰角。

有源電子掃描陣列 （AESA）

為了搜索感興趣的區(qū)域，天線必須機(jī)械地瞄準(zhǔn)或旋轉(zhuǎn)，以將其波束引導(dǎo)到所需的方向。在許多軍事應(yīng)用中，此功能通常使用有源電子掃描陣列（AESA）以電子方式執(zhí)行，AESA是一種電子可控天線。這允許非?？焖俚剞D(zhuǎn)向雷達(dá)波束，這對于軍用機(jī)載雷達(dá)特別有用。這種技術(shù)被稱為“波束成形”，它參考了主天線瓣或波束的電子轉(zhuǎn)向。

AESA 由許多小天線或單個元件構(gòu)建而成。每個天線元件都有一個發(fā)射模塊和一個接收模塊。因此，每個元件可以單獨(dú)改變接收和發(fā)送信號的相位和幅度。這些變化，特別是在相位上，提供了天線波束在方位角和仰角上的可控方向性。只有當(dāng)接收信號同相到達(dá)所有天線元件時，才會接收到最大信號。這提供了將天線的主瓣“瞄準(zhǔn)”到所需方向的能力。該過程是相互的，這意味著接收和發(fā)射上將存在相同的天線瓣模式（假設(shè)接收和發(fā)送的頻率相同）。

每個天線元件必須具有延遲或相位調(diào)整，以便在此調(diào)整之后，所有元件都將具有共同的信號相位。如果角度θ = 0，則所有元件將同時接收信號，無需相位調(diào)整。在非零角度下，每個元件都有一個延遲，以提供跨天線陣列的波前對齊，如圖2所示。一旦每個天線元件輸入通過公共時鐘和本振器下變頻為基帶，每個天線輸入都會延遲正確的量，以便從給定方向到達(dá)的波前對齊。這種延遲可以通過相位旋轉(zhuǎn)或乘以 W i =e jθ i 以數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)。為了更好地控制旁瓣，還可以通過使用 W i = ai ·ejθ i.通過自適應(yīng)地改變每個天線輸入的Wi，可以實(shí)現(xiàn)波束成形。

傳輸方向以相同的方式工作。優(yōu)點(diǎn)是非常快速的轉(zhuǎn)向，可以快速搜索和跟蹤物體?？梢韵龣C(jī)械運(yùn)動和電機(jī)。使用一種稱為“l(fā)obing”的技術(shù);雷達(dá)波束可以在目標(biāo)的兩側(cè)快速轉(zhuǎn)向。通過注意更強(qiáng)的回報在哪里，可以更準(zhǔn)確地跟蹤目標(biāo)運(yùn)動。

FFT 波束成形

數(shù)字波束成形也可用于其他用途。在某些系統(tǒng)中，需要同時在不同方向上接收和傳輸單獨(dú)的信號。這可以通過使用FFT算法來實(shí)現(xiàn)。通常，F(xiàn)FT用于獲取時域信號并將其分離成不同的頻率分量。在這種情況下，F(xiàn)FT會將輸入信號分成不同的空間分量或到達(dá)角分量。輸入信號由FFT分類到對應(yīng)于不同到達(dá)角的箱中，如圖3所示。類似地，在發(fā)射方向上，饋入每個FFT bin輸入的信號將沿特定方向傳輸，對應(yīng)于特定的天線瓣。如果FFT箱的輸入為零，則不會在該方向上傳輸能量;發(fā)射瓣將“丟失”。

波束成形的FFT方法在計(jì)算上非常有效，允許同時接收和發(fā)送多個方向信號。這在必須同時跟蹤多個目標(biāo)的多模雷達(dá)中可能是一項(xiàng)非常有用的功能。然而，N天線波束的間距和方向是固定的，并且在方向上相等，距離天線陣列超過180度。為了與FFT的特性保持一致，任何給定天線波束的峰值正好位于所有相鄰天線波束的旁瓣的零點(diǎn)上。這種特征被稱為正交性。

脈沖壓縮

接收處理的后續(xù)步驟通常是脈沖壓縮和多普勒處理。脈沖壓縮只是將接收信號與發(fā)射的脈沖形狀進(jìn)行匹配的濾波或?yàn)V波。當(dāng)接收信號與發(fā)射信號完全匹配時，這種類型的濾波給出最大的響應(yīng)，表明它確實(shí)是發(fā)射脈沖的反射和延遲版本（也稱為自相關(guān)）。脈沖壓縮和多普勒處理的順序可以互換，但這里假設(shè)脈沖壓縮首先發(fā)生，多普勒處理后發(fā)生。

在圖4中，脈沖壓縮被描述為在每個PRF間隔的接收樣本上執(zhí)行的FIR濾波器。例如，假設(shè)雷達(dá)以 100 MHz 的頻率采樣，PRF 為 10 kHz。對于每個PRF，每個垂直箱中接收10,000個復(fù)雜樣品。然后，每個樣品箱通過匹配的過濾器。當(dāng)接收到發(fā)射脈沖的反射時，這些反射將在匹配濾波器的輸出中引起響應(yīng)。

發(fā)射脈沖通常采用偽隨機(jī)序列，可能使用相位或頻率變化進(jìn)行調(diào)制。偽隨機(jī)或 PN 序列被設(shè)計(jì)為具有很強(qiáng)的自相關(guān)特性。這意味著匹配濾波器只有在接收脈沖精確匹配時才會產(chǎn)生輸出，從而可以以同樣精確的方式確定接收脈沖的到達(dá)時間。與PN序列相關(guān)或匹配也傾向于為發(fā)射脈沖以外的任何其他信號或噪聲產(chǎn)生非常低的輸出。不同的雷達(dá)應(yīng)用和模式需要不同的發(fā)射波形，這本身就是一個相當(dāng)大的主題。

匹配濾波器FIR功能可以在頻域中實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，通過FFT處理接收數(shù)據(jù)獲得接收信號頻譜。然后將發(fā)射脈沖的頻譜屏蔽到接收信號的頻率響應(yīng)上。當(dāng)兩者匹配時，最大的反應(yīng)會發(fā)生。然后使用IFFT將結(jié)果轉(zhuǎn)換回時域，然后進(jìn)行多普勒處理。這似乎是一個復(fù)雜的替代方案，但FFT算法非常高效，因此該方法的計(jì)算量可能低于FIR濾波。

多普勒處理

在本系列雷達(dá)基礎(chǔ)知識的第 2 部分中，討論了多普勒處理。在圖5中，多普勒處理描繪了整個雷達(dá)數(shù)據(jù)陣列。數(shù)據(jù)列對應(yīng)于每個PRF接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的脈沖壓縮濾波。

相干處理間隔 （CPI）

N 列數(shù)是相干處理間隔 （CPI） 中的傳輸脈沖數(shù)?；叵胍幌?，所有雷達(dá)數(shù)據(jù)都很復(fù)雜，具有幅度和相位。CPI 與整個陣列中數(shù)據(jù)之間的相位關(guān)系有關(guān)。隨著時間的推移，RF和數(shù)字電路中使用的時鐘電路、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和鎖相環(huán)中的輕微時鐘漂移和抖動會導(dǎo)致樣本之間的相對相移。對于機(jī)載或車載雷達(dá)，雷達(dá)的移動也會干擾相位關(guān)系。接收數(shù)據(jù)樣本經(jīng)過的時間越長，相對相位退化的可能性就越大。此外，任何雷達(dá)頻率模式變化或PRF變化都可能導(dǎo)致相位不連續(xù)。CPI是這些相位差攜帶有用信息或相干的時間間隔的度量，因此可用于頻域處理，例如多普勒處理。它通常延伸到多個PRF時間段。

請注意，從脈沖壓縮處理接收到的樣本輸出將加載到每個 PRF 的列中。多普勒處理跨行或跨 N 個 PRF 進(jìn)行。必須在一段時間內(nèi)收集數(shù)據(jù)，在該時間間隔內(nèi)，數(shù)據(jù)可以被視為連貫的或在 CPI 范圍內(nèi)。

圖5.多普勒處理“轉(zhuǎn)角”

這種數(shù)據(jù)流在雷達(dá)方言中被稱為“轉(zhuǎn)彎”，因?yàn)閿?shù)據(jù)垂直進(jìn)入，水平出來或轉(zhuǎn)彎。此處理要求在執(zhí)行任何多普勒處理之前，陣列中存在所有數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)量可能非常大，對于高性能雷達(dá)處理，需要以非常低的延遲進(jìn)行訪問。這要么需要非常高的片上存儲器資源，要么需要非常低的延遲、快速隨機(jī)存取外部存儲器陣列以及高性能存儲器訪問控制器。由于數(shù)據(jù)以列為單位，分行讀取，讀取和寫入訪問不能都是順序的，因此很難滿足傳統(tǒng)緩存和DDR內(nèi)存芯片的低延遲要求。

雷達(dá)處理要求可能相當(dāng)高。接收器需要連續(xù)、實(shí)時地處理輸入數(shù)據(jù)。幸運(yùn)的是，其中大部分都可以使用并行處理結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。波束成形就是一個例子。AESA天線中可能有數(shù)百甚至數(shù)千個單獨(dú)的接收/發(fā)送單元。天線可以在多個方向上跟蹤目標(biāo)，需要對每個方向進(jìn)行單獨(dú)處理。處理必須在兩個維度上執(zhí)行，包括時間（脈沖壓縮）和頻率（多普勒）。此外，在本雷達(dá)基礎(chǔ)系列的第#4部分中，如何在空時自適應(yīng)處理（STAP）中添加額外的處理維度，即空間，這將導(dǎo)致數(shù)字信號處理要求的進(jìn)一步急劇增加。

數(shù)值精度問題

雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常具有挑戰(zhàn)性，部分原因是所涉及的信號的動態(tài)范圍?；氐嚼走_(dá)距離方程，接收器處的信號電平與到目標(biāo)距離的四次方成正比。雷達(dá)接收器所需的靈敏度水平遠(yuǎn)比任何無線通信系統(tǒng)都苛刻。同時，雷達(dá)接收機(jī)必須應(yīng)對由于雜波、干擾、干擾、近距離目標(biāo)甚至發(fā)射器本身而可能非常高的接收信號電平。

這需要高數(shù)值保真度的數(shù)字信號處理技術(shù)。為了在潛在的極低信號電平和高干擾水平下實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)性能，數(shù)字處理期間引入的量化噪聲電平必須遠(yuǎn)低于接收器本底噪聲。并且，大的不需要的信號必須與非常小的期望接收信號同時表示。這意味著必須保持?jǐn)?shù)據(jù)路徑的高精度和高動態(tài)范圍。

定點(diǎn)精度和動態(tài)范圍由位寬定義。動態(tài)范圍是位數(shù)的 6 倍。例如，16 位寬度提供 96 dB 的動態(tài)范圍。這聽起來可能很多，但信號必須具有保護(hù)位以確保沒有溢出，并且小信號可能比干擾信號低 100 dB 或更高。為了進(jìn)行合理的檢測，所需信號在到達(dá)檢測處理時需要高于干擾和噪聲30 dB或更高。保持足夠的信噪比可能很困難。在處理的每個階段之后，都需要調(diào)整信號電平以保持在定點(diǎn)位寬內(nèi)。此外，考慮FFT算法。在時域和頻域之間轉(zhuǎn)換的過程中，所需的位寬會增加，對于2 n大小的數(shù)據(jù)長度，通常為n位。

大多數(shù)以16位字長工作的處理器和數(shù)字信號處理器（DSP）不足以滿足雷達(dá)處理的許多方面。另一種選擇是使用浮點(diǎn)處理器。對于單精度浮點(diǎn)數(shù)，24位尾數(shù)（包括符號位）可提供144 dB。浮點(diǎn)指數(shù)（8 位）允許這個 144 dB 范圍在每次操作時自動調(diào)整或“浮動”到信號電平，從而提供巨大的動態(tài)范圍。然而，雷達(dá)系統(tǒng)中常見的浮點(diǎn)處理器，如ADI公司的Tigersharc或飛思卡爾的PowerPC，處理能力有限。較新的處理器體系結(jié)構(gòu)提供更高級別的浮點(diǎn)處理能力，主要是通過使用許多內(nèi)核。權(quán)衡是開發(fā)環(huán)境更加困難，需要復(fù)雜的數(shù)據(jù)流管理，并且消除各種功能之間的數(shù)據(jù)依賴關(guān)系，以便在多個處理器之間進(jìn)行分區(qū)而不會停滯不前。在這些架構(gòu)中，功耗也可能是一個挑戰(zhàn)。

現(xiàn)場可編程門陣列

現(xiàn)場可編程門陣列 （FPGA）?提供了一種替代數(shù)字信號處理平臺。通常，F(xiàn)PGA用于前端雷達(dá)處理，例如波束成形和脈沖壓縮。對于高吞吐量，F(xiàn)PGA 的并行結(jié)構(gòu)比處理器具有巨大的優(yōu)勢。十多年前，F(xiàn)PGA 行業(yè)對 18 位 DSP 結(jié)構(gòu)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。這是對大多數(shù)處理器架構(gòu)提供的 16 位定點(diǎn)精度的改進(jìn)。

FPGA 供應(yīng)商賽靈思后來采用 DSP18E 架構(gòu)（因其 25 位累加器而得名）對 48×48 尺寸乘法器進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。這是為了更好地支持FFT，如上所述，位增長發(fā)生在數(shù)據(jù)路徑中。抖動因子或系數(shù)保持在 18 位，而 18 位數(shù)據(jù)可以再增長 7 位，達(dá)到 25 位。FPGA供應(yīng)商Altera以18×36乘法模式進(jìn)行反擊。最新的創(chuàng)新發(fā)生在Altera的28nm Stratix V FPGA上，它提供了一種新的可變精度DSP架構(gòu)。此體系結(jié)構(gòu)本機(jī)支持 18×18、18×36 和 27×27 精密乘法器，均具有 64 位累加器。它支持FIR濾波器、相關(guān)器、累加器和FFT的更高精度定點(diǎn)處理，還包括專為定點(diǎn)FFT設(shè)計(jì)的高效18×25復(fù)乘法模式。18×25 復(fù)數(shù)模式只需三個乘法器，而不是通常需要的四個乘法器，方法是利用內(nèi)置的前加器和后加器。

FPGA最近的另一項(xiàng)創(chuàng)新是高性能浮點(diǎn)支持，使FPGA并行硬件架構(gòu)優(yōu)勢能夠用于需要浮點(diǎn)動態(tài)范圍的應(yīng)用，例如雷達(dá)處理?，F(xiàn)在可從Altera獲得，使用可變精度DSP硬件架構(gòu)和稱為“融合數(shù)據(jù)路徑”的新浮點(diǎn)工具流。

表 2 顯示了 1024 個單精度復(fù)浮點(diǎn) FFT（每個 <> 個點(diǎn)）的性能和資源使用情況，這些 FFT 使用 Altera FFT Megacore IP（采用“融合數(shù)據(jù)路徑”技術(shù)）構(gòu)建。本例表明，F(xiàn)PGA現(xiàn)在可以在高密度FPGA中實(shí)現(xiàn)大型浮點(diǎn)設(shè)計(jì)。此外，這是完整的浮點(diǎn)數(shù)，而不是“塊”浮點(diǎn)數(shù)。塊浮點(diǎn)對FPGA的完整輸入數(shù)據(jù)集和輸出數(shù)據(jù)集使用通用指數(shù)，可以縮放數(shù)據(jù)樣本組，但不能提供高動態(tài)范圍。這是因?yàn)榉浅Ｐ〉臄?shù)據(jù)值必須使用最大數(shù)據(jù)值的指數(shù)，這意味著它們無法正確表示。塊浮點(diǎn)會導(dǎo)致許多與定點(diǎn)相同的數(shù)值問題。

結(jié)論

研究時空自適應(yīng)處理 （STAP） 雷達(dá)處理。這類算法提供了超越多普勒雷達(dá)處理的能力，但處理要求極高，對浮點(diǎn)的動態(tài)范圍也有要求。

直到最近，由于這些極端的處理要求，只有最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)類型才能實(shí)現(xiàn)這種類型的算法。然而，現(xiàn)在FPGA可以提供所需的性能水平的復(fù)雜浮點(diǎn)處理。如將要顯示的，STAP需要處理能力，以便在一毫秒內(nèi)反轉(zhuǎn)包含100,000個或更多元素的矩陣。

編輯：黃飛

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