中国电子科技集团公司第十研究所 张光辉

本文介绍了一种可重构侦察测向一体化接收机的电路设计方案，通过多通道信道共本振模式实现设备高精度测向，通过多路一本振灵活的功分和开关选择电路设计来实现电路重构，同时实现设备宽带高动态侦察和窄带高精度测向。分析了共本振模式下通道间相位差稳定性及标校后通道间相位一致性，通过精确相位校准实现设备窄带高精度测向；分析了独立本振工作模式下侦收的动态范围和接收灵敏度，通过多路窄带瞬时拼接宽带侦察的方式实现宽带侦察的高灵敏度及大动态范围。

随着电子技术的发展，电子信息装备对于信号处理架构的需求逐步趋于同质化，对于信号处理在高性能、低成本、易升级、可重构、快速响应等方面的需求越来越强烈。而现有的信号处理架构，系统开放性较差，不够灵活，功能软件开发、维护、升级周期长，硬件和软件及系统功能紧密耦合，系统的成本更多的表现在重复升级中耗时耗力的软硬件开发中，研究可根据侦察任务需求快速部署硬件资源和加载与更新软件，实现信号侦察带宽的快速重构架构软硬件平台具有重大意义，提高装备硬件模块的通用性、可维护性，且可减少设备类型、缩短研制周期，实现接收系统的动态可重构。

此外，针对小型化便携式信号侦测系统，一般要求同时具备对窄带信号、宽带跳频信号信号的一体化侦收及测向能力。窄带信号与宽带跳频信号对变频电路中频带宽需求差距较大。窄带信号侦察要求设备具备高灵敏度，宽带调频信号侦察要求设备瞬时覆盖带宽较宽，这要求一体化接收设备同时具有高灵敏度、大动态范围以及宽带瞬时覆盖的能力。然而信号带宽的大小对设计高灵敏度的接收机有很大影响，信号带宽越大， 信号ADC采样率要求较高，高采样率下接收机的灵敏度及动态均有较大程度恶化[1]。所以，同时满足高灵敏度和大带宽极为困难，通过研究带宽可重构拼接技术，利用多路窄带接收通道根据需要重构拼接成宽带接瞬时侦收设备，在保证高灵敏度和大动态范围的同时提高了接收设备的瞬时覆盖带宽[2]。测向功能要求多通道变频共本振工作，而多路窄带拼接宽带侦察功能要求多通道变频独立本振工作，因此通过灵活设计多路本振电路，研究一种可重构的侦测一体化接收技术具有重大意义[3]。

1 关键指标分析

侦收测向接收设备的射频部分性能指标项较多，包括噪声系数、增益、动态、灵敏度、线性度、干扰抑制、通道间相位差稳定性、幅度一致性等，本文着重对接收信道的接收灵敏度、动态范围及相位一致性等指标进行分析。

1.1 接收灵敏度分析

接收灵敏度是接收信道能够接收的最小信号电平，表征系统对弱信号的接收能力，接收机灵敏度计算公式如式(1)所示[4]：

其中S表示灵敏度，B为信号带宽（kHz），NF为噪声系数，（S/N）out为输出信噪比。

由公式（1）可见，接收机灵敏度决定于系统噪声系数、信号处理最小带宽B，和需要的最小输出信噪比。

A/D的等效噪声功率NA/D如式(2)所示：

R为A/D输入阻抗，通常R=50Ω。

VFS为A/D最大量化幅度，SNR（单位dB）为A/D的信噪比（即对应A/D的有效位数），如式(3)所示：

N即为A/D的有效位数，fs为采样率，Bn为信号带宽。

由公式（2）、（3）可见当系统噪声系数和信号带宽一定时，提高A/D有效位数N能有效降低A/D器件对系统噪声恶化，从而改善系统的接收灵敏度。而A/D有效位数随采样率升高而下降，因此为了保证系统接收灵敏度，A/D采样率不能太高。而系统采样受限于模拟中频带宽，带宽越宽，采样率越高，系统灵敏度就越差，因此通过多路较窄的中频带宽拼接宽带瞬时侦察的方式，可有效保证宽带侦察的高灵敏度[5]。

1.2 动态范围分析

接收动态范围表征接收系统能接受的最弱信号到最强信号的电平范围，即接收灵敏度到输入1dB压缩点的信号电平范围，由公式(4)计算得出：

其中：SFDR表示单音动态范围，P输入-1dB表示输入1dB压缩点，P输出-1dB表示输出1dB压缩点，S为接收灵敏度，G表示链路增益。由公式（4）可见，链路输出功率1dB压缩点越高、灵敏度越高、增益越低则动态范围越大[6]。由于受A/D采样电平的限制（通常A/D采样的门限电平不低于-65dBm），为了保证灵敏度电平的正常采样，链路增益一般较大，本文设计中链路增益在50dB左右，因此为了提高动态范围只能提高接收灵敏度和输出P-1dB。

接收机的接收动态范围主要受两方面因素限制，即射频接收前端的线性动态范围和后端A/D的动态范围[7]。射频前端通过低噪声和高线性度设计，保证模拟部分大动态范围；A/D电路的动态范围主要受限于采样率，通过系统多路窄带采样拼接宽带侦察的设计，有效降低A/D采样率，保证A/D电路的大动态范围，从而保证系统的大动态[8]。

1.3 相位差稳定性分析

由于传统相位相关干涉仪测向体制中，测向误差主要与目标源信号入射角θ和通道间相位误差Δφ有关系。入射角θ的测向模糊问题可通过天线布阵方案优化，本文不作相关论述；通道间的相位差Δφ可以通过合理的电路设计，确保多通道相位差的稳定性[9]，系统设计标校信号对多通道相位差校准，确保校准后多个通道相位一致，即能保证系统高精度测向要求。

相关干涉仪测向体制中[10]，通道间相位不一致可以通过标校源校准去除，但一定要保证各个通道相位差随时间不变或者变化极小，如果各个通道本振独立，只是同参考源，本振环路引入的随机相差会导致通道间相位差随时变化[11,12]，引入较大测向误差，而通过共本振方式，各个通道本振信号都由相同本振源功分而来，即可保证通道间相位差随时间变化较小，如表1所示，引入的测向误差可以忽略不计，可满足系统高精度测向要求。

表1 共本振模式下通道间相位差稳定性测试值Tab.1 Stability test values of phase difference between channels in common local oscillator mode

2 硬件方案实现

本设计中采用5通道相关干涉测向体制，设计了5个相同的变频通道，变频通道采用超外差二次变频体制，其中一本振采用细步进宽带调频方式，可以在共本振和独立本振工作的模式间切换，二本振采用固定点频功分方式。接收机原理框图如图1所示。

图1 接收机原理图Fig.1 Schematic of the receiver

该接收机电路设计具备两种工作模式：（1）所有本振开关选择一本振1功分5路输出给5个变频通道， 5路信道工作在共本振模式下，保证通道间相位差高稳定性，可应用于相关干涉仪测向系统，该模式下，通过设备内置标校信号功分到5路变频通道输入端口，对系统通道间相位差校准后，可实现系统高精度测向；（2）本振开关选择5路本振信号为独立的5路本振信号供给5路变频模块，该模式下5路信道独立调谐，可灵活实现5路窄带信号拼接成300MHz瞬时带宽的宽带信号，同时能保证接收带宽内的高灵敏度和大动态。

3 结语

本文分析了接收信道灵敏度和动态范围影响因素，通过多路AD低采样率采集中频窄带信号拼接瞬时宽带信号的方式来确保宽带侦察下的高灵敏度及大动态范围；通过精准的标校方式，实现设备高精度测向能力；通过灵活本振源设计，实现设备的共本振测向及多路窄带重构宽带侦察的一体化集成方案，实现便携式小型化设备集成高性能侦测一体化接收技术。