数字相控阵二次监视雷达关键技术

电子技术• Electronic Technology72 •电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering【关键词】数字波束合成 软件无线电软件无线电技术在实际工程项目中的应用越来越广泛，目前已应用在个人移动通信系统、军事通信、电子战、雷达系统以及信息化家电产品中。

数字技术由于本身的优点，大量工程应用都采用了数字化方法，对数据速率和实时性数字相控阵二次监视雷达关键技术文/文传勇 范辉辉提出了要求，需要宽的带宽来进行数据传输。

传统的使用同轴电缆的传输方式，达不到高速数据传输和实时性要求，同时在抗干扰、设备复杂程度、设备安装，铺线方面等工程应用方面，存在困难，不方便；由于光纤具有以下各种优点：（1）工作频率高，通信容量大；（2）衰减小，中继距离长；（3）保密性能好、抗干扰能力强，不受强电、雷达等干扰；（4）体积小、重量轻、便于施工维护；（5）原材料来源丰富，潜在价格低廉。

上述优点满足工程应用中各种需求，它是未来数据传输主要媒介；高速串行数据传输技术迫切成为各种应用的必须的技术。

在各个FPGA 厂商，都配套开发了自己的高速串行数据传输的IP 核，在ALTERA 中Stratix V GX/GS/GT ，在xilinx 中开发GTX,GTH,在Vertex-5，Vertex-6和Vertex-7高端FPGA 中，有对应的IP 核。

这些新的技术的引入，空管二次监视雷达系统的组成发生了变化。

在空管监视设备中，分为舱内设备（或者室内设备）和舱外设备（室外设备），舱内设备完成工作是数字信号处理、控制和显示；舱外设备主要完成功能是信号的感知和采集。

传统二次雷达组成由天线、旋转关节、射频电缆、模拟接收机、三级固态功率放大的发射机、基带A/D 采样、译码、点迹和航迹处理。

数字相控阵二次监视雷达的组成由天线辐射单元、数字TR 组件、光纤、数字信号处理模块、显控组成；数字TR 模块是每个通道独立对应一个辐射单元，其功率和相位可编程实时配置；数字信号处理模块包括光模块的数字收发同步、数字发送通道的数据合成、数据接收的通道数据分配和数字波束合成，对数压缩、译码、形成点迹和航迹。

其系统的硬件基本组成如图1。

1 软件无线电技术基本结构以现代通信理论为基础，以数字信号处理为核心，以微电子技术为支撑的软件无线电11KW 变频器，根据谐波电压测试数据在仿真软件内进行计算和调整，将90Hz 运行频率下的测试数据输入软件，计算并调整后，按照电抗器电感量为0.737mH 的倍数进行仿真测试。

0.737 mH 交流电抗器时仿真谐波电压为14.68%；1.474 mH 交流电抗器时仿真谐波电压为14.14%；2.948 mH 交流电抗器时仿真谐波电压为13.00%；5.896 mH 交流电抗器时仿真谐波电压为10.76%。

从仿真数据看，电感量越大，谐波电压呈降低趋势，同时，如果继续增大电感量，会导致电压压降增大，从而影响变频器正常运行，当5.896mH 时，电抗器造成的压降，已经接近变频器运行在临界电压值，将会导致变频器工作异常。

3.2.2 变频器整流回路增加直流电抗器试验研究直流电抗器可以限制叠加在直流电流上的交流纹波，改善变频器的功率因数并可以抑制变频器逆变环节产生的谐波，减少其对整流装置和电网的影响。

根据日立WJ-200系列11KW 变频器资料建议（2.33mH ）及软件仿真结果，直流电抗器电感量选用2.2mH 和2.6mH 进行模拟仿真。

2.2 mH 直流电抗器时仿真谐波电压为13.39%；2.6 mH 直流电抗器时仿真谐波电压为11.89%。

增加直流电抗器能降低谐波电压，但仍无法控制在10%以内，持续加大电感量也会导致直流母线电压降低，影响变频器工作。

3.2.3 同时增加交流电抗器和直流电抗器试验研究同时加2.6mH 直流电抗器和0.74mH 交流电抗器时仿真谐波电压为12.04%；同时加2.6mH 直流电抗器和4mH 交流电抗器时仿真谐波电压为9.78%。

如图3。

由试验可知，交流直流电配器在配合使用的情况下，谐波抑制效果明显，且可满足要求。

3.2.4 主回路增加交流滤波器试验研究根据不加装测试出来的波形及数据，在150KHZ 时，干扰值已达到100dB ，依据测试数据，设计其匹配的滤波器：X 电容Cx1：2.2µF ，Cx2：1µF ；Y 电容Cy ：6800pF ；电阻R ：1MΩ；电感L1、L2：20MH ，加装后，EMC 试验室测试结果如图4，满足EN50121-3-2标准要求。

4 结论及展望本文分析了谐波产生的原理，经一系列仿真和测试，提出了有效抑制谐波模型，通过相互配合，能达到理想的抑制效果并在轨道车辆变频空调系统项目设计应用过程中产生深远意义。

目前，轨道车辆变频空调属于初步应用阶段，谐波治理方面还有很大的探讨空间，后续，将建立变频器数字化模型作更深入的研究。

参考文献[1]王轶,冯晓云.地铁车辆牵引变频调速系统的设计与仿真[J].电力机车与城轨车辆,2004(27):28-30.[2]李雪峰,于梦琦.变频器谐波产生机理及抑制措施的研究[J].内蒙古石油化工,2017(11):12):16-17.[3]黄科.变频器电气干扰原因及预防措施探讨[J].建材与装饰,2018(28):234-235.[4]日立变频器WJ200系列使用说明书.作者简介刘国庆（1984-），男，湖南省衡山县人。

研究生学历。

研究方向为电气控制及应用。

作者单位广州鼎汉轨道交通车辆装备有限公司 广东省广州市 510260<<上接71页Electronic Technology •电子技术Electronic Technology & Software Engineering 电子技术与软件工程• 73技术，经过20年的发展，软件无线电突破了传统的无线电台以功能单一、可扩展性差的硬件为核心的设计局限性，强调以开放性的、标准化、模块化的最简硬件为通用平台，使宽度A/D 和D/A 转换器尽可能靠近天线，尽可能地用可升级、可重配置的应用软件来实现各种无线电的设计新思路。

同一硬件平台可以通过选购不同的软件来满足不同时期、不同使用环境的不同的功能需求。

软件无线电主要由天线、射频前端、宽带A/D-D/A 转换器、通用和专用数字信号处理器以及各种软件组成。

射频前端在发射时主要完成上变频、滤波、功率放大等任务，接收时实现滤波、放大、下变频功能；在射频变换部分，宽带、线性、高效射频放大器的设计和电磁兼容问题的处理是较困难的。

软件无线电的结构基本上分为三种：射频低通采样数字化结构、射频带通采样数字化结构和宽带中频带通采样数字化结构。

射频低通采样结构对A/D 转换器的性能如转换速率、工作带宽、动态范围等提出了非常高的要求，对数字信号处理速度的要求也特别高，难以满足要求；射频带通采样结构很好的解决了射频低通采样结构对A/D 和数字信号处理要求过高、以致无法实现的问题。

主要区别是A/D 前采用了带宽相对较窄的电调滤波器，根据所需的处理带宽进行带通采样。

这样A/D 采样速率的要求就不高了，对DSP （Digital signal processor ）的处理速度也随之大大降低。

但这种结构对A/D 工作带宽的要求仍然还是比较高。

宽带中频带通采样软件无线电结构与中频数字化接收机结构类似，都采用多次混频体制，但前者主要特点是中频带宽更宽，所有调制解调等功能全部由软件加以实现。

软件无线电中频数字化结构如图2。

在带通采样中，N 的取值为奇数或者偶数，注意其对应基带高低频率成分分布情况。

空管二次监视雷达的TR 组件采样该种结构实现中频的调制解调功能。

2 光纤数据传输配置和数字波束合成流程天线辐射单元48个，分为3组，每组16辐射单元；共3个TR ，每个TR 共16个独立的通道，每个通道对应一个辐射单元；采用软件无线电中频数字化结构，数字下变频到基带IQ ，TR 的基带IQ 采样率为10Mhz ，16bibt 数据宽度，IQ 数据率为320Mbps ，采用8B/10B 编码方式，即每个通道的数据率为400Mbps ，光纤传输速率选择2Gbps ，发送选择1字节宽度，接收选择2字节宽度，其对应时钟计算如下：2Gbps/10bit=200Mhz -- （1）2Gbps/20bit=100Mhz -- （2）发射时钟TXUSRCLK2为200Mhz ，接收时钟RXUSRCLK2为100Mhz ；系统的参考时钟160Mhz ，FPGA 的接口时钟通过PLL 倍频得到，通过5倍频，然后4分频，即160Mhz*5/4=200Mhz ；包头加上4通道数据，即为2Gbps ，即每条光纤链路传输4路数据，16路需要4路光纤，发射和接收各4路。

数字信号处理模块的数字波束合成处理流程如下：发送部分：根据发射脉冲，IQ 数据宽度为16bit ，产生10Mhz 的IQ 信号，10Mhz->100Mhz ，100Mhz 的乘法器进行16bit*8bit 的相位校平和进行24bit*8bit 加权相乘，然后转换为10Mhz 的IQ 数据，10MHz->50Mhz ，进行数据包的封装，50MHZ->200MHZ ，FPGA 把发送的数据送到GTX 发射接口；接收部分：数据从GTX 的100Mhz 的RXUSRCLK2通过RAM 转换到FPGA 的100Mhz ，100Mhz->50Mhz ，进行数据包同步接收数据；50Mhz->10Mhz ，进行各个通道的数据分配，得到对应通道的IQ 数据；10Mhz->100Mhz ，100Mhz 的乘法器进行16bit*8bit 的相位校平和进行24bit*8bit 加权相乘，然后转换为10Mhz 的IQ 数据，送往数字波束合成。

在FPGA 内部时钟通过20Mhz 参考时钟倍频和分频得到，其中50Mhz 的相位与100Mhz 和10Mhz 相位反向180°，变化的沿对齐。

同时在外部时钟，160Mhz 时钟是20Mhz 通过PLL 进行控制VCO，倍频产生。

3 结束语本文对传统的空管二次监视雷达系统的硬件组成和数字相控阵二次监视雷达系统的基本硬件系统组成进行了介绍，详细的对软件无线电三种基本结构、光纤数据传输和数字波束合成处理流程进行阐述。

这些新的技术在空管二次雷达监视设备引入，使空管二次监视雷达系统的组成有了新的变化。

参考文献[1]Virtex-6 FPGA GTX Transceivers UserGuide.pdf.[2]杨小牛,楼才义,徐健良著,软件无线电原理与应用[M].北京：电子工业出版社,2001.作者简介文传勇（1979-），男，四川省安岳县人。