《電子技術(shù)應用》
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一種小型、高效反輻射導引頭接收方案設計
2018年電子技術(shù)應用第2期
曹京勝,王紅亮
儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室,山西 太原030051
摘要: 在反輻射導引頭接收電路設計中,針對后端信號處理數(shù)據(jù)量巨大以及模擬前端和數(shù)字后端之間連線復雜等問題,提出了一種基于數(shù)字下變頻(DDC)模塊和JESD204B高速串行接口的導引頭接收方案。該方案采用模塊化設計思想,在導引頭模擬前端預先完成多基帶信號的數(shù)字下變頻,降低后端信號處理數(shù)據(jù)量。采用新一代高速串行JESD204B接口作為模擬前端輸出,通過仿真分析JESD204 Phy IP,在Xilinx公司的Kintex-7系列FPGA上完成了JESD204B單鏈路接收接口。經(jīng)過仿真和實驗,證明所設計接收方案滿足反輻射導引頭功能要求,并且具備一定的先進性。
中圖分類號: TN95
文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.172660
中文引用格式: 曹京勝,王紅亮. 一種小型、高效反輻射導引頭接收方案設計[J].電子技術(shù)應用,2018,44(2):3-5,9.
英文引用格式: Cao Jingsheng,Wang Hongliang. Design of small and high efficiency anti radiation seeker receiving scheme[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(2):3-5,9.

Design of small and high efficiency anti radiation seeker receiving scheme
Cao Jingsheng,Wang Hongliang
Key Laboratory of Instrument Science & Dynamic Measurement(North University of China), Ministry of Education,Taiyuan 030051,China
Abstract: In the design of receiving circuit of anti radiation seeker, aiming at the heavy amount of data processing in the back end signal and the complicated connection between analog front end and digital back end, a receiver scheme of seeker based on digital down conversion(DDC) module and JESD204B high speed serial interface is proposed. The scheme adopts modular design idea, and digital down conversion of multi baseband signals is completed in advance in front of the seeker analog front-end, so the amount of data processed at the back of the signal is reduced. Using a new generation of high-speed serial JESD204B interface as analog front-end output, the JESD204B single channel receiver interface has been completed in Xilinx's Kintex-7 series FPGA by means of simulation and analysis JESD204 Phy IP. Through simulation and experiment, it is proved that the designed receiving scheme meets the functional requirements of the anti radiation seeker and has certain advanced characteristics.
Key words : JESD204B;digital down conversion;baseband separation;high speed AD

0 引言

    雷達導引頭是反輻射導彈(ARM)的關(guān)鍵部件,被譽為ARM的“眼睛”,主要功能是完成對輻射源的分選、截獲和跟蹤,其技術(shù)性能將直接影響反輻射導彈的作戰(zhàn)性能[1]。隨著雷達技術(shù)的提高,超寬頻帶導引頭進一步擴大頻率覆蓋范圍,使反輻射導彈幾乎能覆蓋所有頻段的各種輻射源[2]。傳統(tǒng)導引頭在分選識別多頻帶輻射源時,一般流程是AD采樣處理后直接傳送超寬帶頻譜至數(shù)字信號處理部分,再對寬帶數(shù)據(jù)進行抽取和濾波。隨著導引頭頻率覆蓋范圍的進一步擴大,傳統(tǒng)處理流程不僅會造成效費比總體偏低[3],而且傳統(tǒng)并行LVDS傳輸接口存在大量數(shù)據(jù)連線復雜[4]等難題,難以迎合現(xiàn)代反輻射導引頭寬頻帶、小型化的發(fā)展趨勢。

    為了提高導引頭總體效費比,簡化其物理互聯(lián)以趨向小型化,提出了一種基于DDC模塊和JESD204B接口的導引頭接收電路設計方案。一方面,通過ADC內(nèi)置的DDC模塊對數(shù)字化后的寬帶數(shù)據(jù)進行篩選、抽取和濾波之后再傳送給信號處理部分,提高了導引頭對多種頻帶雷達信號的處理效費比;另一方面,采用JESD204B高速串行接口作為數(shù)字信號傳輸接口,在保證單通道數(shù)據(jù)傳輸速度的同時,極大地簡化了數(shù)據(jù)連線復雜度,為系統(tǒng)小型化設計奠定了基礎(chǔ)。

1 方案設計

    典型被動雷達導引頭由天線、接收機、信號分選與選擇系統(tǒng)、指令控制放大器等組成[5]。圖1是16通道導引頭接收系統(tǒng)框圖。超寬頻帶接收天線接收超寬頻帶雷達輻射信號,傳輸至射頻信號調(diào)理電路,射頻信號調(diào)理電路的作用是防止接收輻射信號中噪聲、雜波影響模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度。模數(shù)轉(zhuǎn)換器將輸入模擬信號進行采樣轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,再由模數(shù)轉(zhuǎn)換器所帶的DDC模塊進行抽取和濾波,最后通過JESD204B高速接口送給數(shù)字信號處理電路,通常是帶JESD204B接口的高性能FPGA。該系統(tǒng)的導引頭接收電路由16通道的射頻信號調(diào)理電路,8片帶DDC模塊和JESD204B接口的雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及8片帶JESD204B接口的FPGA組成。

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1.1 高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC32RF45

    設計的反輻射導引頭接收電路選擇采用美國TI公司的雙通道、14位3.0GSPS模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC32RF45,支持輸入頻率高達4 GHz及以上的射頻(RF)采樣,并且模擬單通道能夠同時處理并輸出帶寬為75 MHz~600 MHz范圍內(nèi)的雙基帶信號。如圖2所示,其內(nèi)部集成了模擬信號緩沖模塊、高速14位ADC、自動增益控制模塊、數(shù)字下變頻模塊和JESD204B接口模塊。

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1.2 片上數(shù)字下變頻器

    片上數(shù)字下變頻器由混頻器、數(shù)控振蕩器和抽取濾波器3部分組成,其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示,主要功能是從采樣轉(zhuǎn)換輸出的高速寬帶信號中提取到基帶信號,同時對基帶信號進行抽取和濾波,降低信號速率,以滿足后續(xù)模塊的實時處理[6]。本文中所采用ADC的每條模擬通道后面都有一組數(shù)字下變頻器,可以在單通道模擬載波輸入中實現(xiàn)雙基帶信號提取與處理。

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1.3 JESD204B接口

    ADC32RF45的數(shù)字輸出接口為JESD204B子類1接口,模擬單通道最高同時支持四路鏈路,每一條傳輸鏈路帶寬最高為12.5 Gbps。ADC32RF45芯片中的JESD204B接口的單模擬通道輸出鏈路數(shù)取決于前端采樣率和總抽取階數(shù)的配置,可以被配置為1線、2線和4線模式。

2 系統(tǒng)設計與應用

    本文中反輻射導引頭系統(tǒng)以TI公司模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC32RF45作為導引頭接收電路核心,采用賽靈思K7系列FPGA作為后端數(shù)字信號處理單元,通過軟件仿真和實驗測試驗證了基于數(shù)字下變頻處理和JESD204B接口的模擬單通道接收方案的可行性與優(yōu)點。

2.1 寬帶接收電路設計

    為了初步驗證方案的可行性,設計了基于ADC32RF45接收電路,具體實現(xiàn)方式為將ADC32RF45開發(fā)模塊與單片F(xiàn)PGA開發(fā)套件通過專用連接插件相連。該接收電路采用FPGA作為數(shù)字信號處理中心,利用其內(nèi)部高速收發(fā)器GTX實現(xiàn)了JESD204B接口,使得FPGA完成了對模擬前端ADC32RF45單路輸出數(shù)據(jù)的接收。

2.2 數(shù)字下變頻器應用分析

    在高速采集系統(tǒng)中,高采樣率和輸入帶寬的ADC為后端數(shù)字信號處理單元提供了較寬的可見頻譜[7]。在以往的數(shù)字下變頻結(jié)構(gòu)設計中,很少在考慮多級濾波器設計的同時,引入多帶寬設計的思路來擴展數(shù)字下變頻器的適用范圍[8]。針對反輻射導引頭工作特點,需要實時檢測多個窄帶數(shù)據(jù)以實現(xiàn)對多種型號雷達的制導攻擊,本文采用片上數(shù)字下變頻器實現(xiàn)了對多帶寬基帶信號的篩選、抽取與濾波。

    ADC數(shù)字化后的多頻帶復合射頻信號對應兩條下變頻鏈路,分別乘以兩個零相位、頻率為目標頻帶中心頻率的正弦信號,將感興趣頻帶中心變頻到零赫茲。在將感興趣帶寬信號降頻之后,再通過帶有抽樣功能的低通濾波器濾去不需要的頻率成分,保留感興趣且對后續(xù)信號處理有用的頻段信息,使得后端資源利用率得到優(yōu)化。

2.3 JESD204B接口應用分析

    當前并行輸入/輸出技術(shù)存在帶寬限制,例如CMOS或LVDS,迫使數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的管腳數(shù)目越來越多[9]。當導引頭接收電路實現(xiàn)多頻帶采樣處理功能,應用并行LVDS接口不僅難以負荷高達吉赫茲的瞬時帶寬,而且使得模擬前端與后端FPGA之間連線布局復雜。為了提高數(shù)據(jù)傳輸速率,降低導引頭內(nèi)部電路復雜度,使導引頭整體趨向小型化,本設計采用JESD204B協(xié)議。JESD204協(xié)議于2006年首次提出,僅支持單一通道的數(shù)據(jù)傳輸,傳輸速度為3.125 Gb/s,其升級版JESD204A 協(xié)議增加了對多路串行通道傳輸?shù)闹С帜芰?,而最新版JESD204B增加了對確定延時的條款并將傳輸速度進一步提高到了12.5 Gb/s[10]。鏈路建立及傳輸具體流程圖如圖4所示。

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    本設計以賽靈思公司免費的基于GTX的JESD204 PHY IP核作為設計基礎(chǔ),使用VIVADO軟件設計上層硬件邏輯。JESD204B鏈路間同步分為三個階段,字同步、幀同步和數(shù)據(jù)傳輸。在字同步階段,F(xiàn)PGA使用GTX中的時鐘數(shù)據(jù)恢復技術(shù)從ADC輸出數(shù)據(jù)流中定位控制字。在幀同步階段,為了對齊所有鏈路,作為接收方,F(xiàn)PGA需要檢驗鏈路參數(shù)和通過系統(tǒng)參考信號建立幀數(shù)據(jù)與多幀數(shù)據(jù)邊界。在數(shù)據(jù)傳輸階段,本設計通過FPGA內(nèi)部邏輯設計實現(xiàn)了數(shù)據(jù)流中控制字符的替換,完成原始數(shù)據(jù)還原。

3 測試結(jié)果與分析

3.1 JESD204B接口測試

    利用Xilinx提供的Integrated Bit Error Ratio(IBERT)對高速串行通信測試,不僅使測試更加方便快捷,更有利于快速檢測、改善FPGA板卡上高速吉比特收發(fā)器的通信質(zhì)量[11]。通過VIVADO軟件內(nèi)部誤碼分析眼圖,“眼”睜開狀態(tài)明顯,誤碼率量級為e-9,屬于正常范圍,證明鏈路信號完整性良好。

    同理,Xilinx公司的FPGA芯片具備內(nèi)部邏輯分析工具,通過JATG接口實現(xiàn)與FPGA芯片之間數(shù)據(jù)的連接[12],通過配置使ADC進入JESD204B鏈路自測試模式,即在不采樣的情況下ADC輸出測試信號波形。通過VIVADO軟件內(nèi)部邏輯分析工具抓取經(jīng)過單鏈路JESD204B接口接收的測試信號如圖5所示,正弦波形顯示良好,由此可證明單鏈路JESD204B接口可以正確解析信號。

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3.2 基帶篩選仿真

    在默認采樣率fs為3 GSPS的情況下,通過MATLAB軟件驗證利用兩個數(shù)字下變頻器從雙頻帶載波信號提取兩個基波信號方案的可行性。采用頻分復用調(diào)制,利用信號發(fā)生器AMU200將帶寬為50 MHz和140 MHz的基帶信號分別調(diào)制到中心頻率分別為400 MHz和1.2 GHz的正弦載波,模擬出經(jīng)過采樣轉(zhuǎn)換后的雙頻帶載波信號。仿照ADC內(nèi)部下變頻模塊組成建立模型,設置本振頻率NCO2為400 MHz和NCO1為1.2 GHz,并且每一個抽取濾波器的抽取系數(shù)為4,因此每一個數(shù)字下變頻器的總抽取系數(shù)為8,經(jīng)過數(shù)字下變頻后輸出基帶信號的截止頻率為0.0625×fs。將輸入雙基帶載波信號和輸出的兩個基帶信號分別進行快速傅里葉變換,得到如圖6、圖7和圖8所示頻譜。

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    由仿真圖分析可知,仿照ADC內(nèi)部單通道數(shù)字下變頻器所建立的數(shù)字下變頻模型可以實現(xiàn)雙基帶信號提取濾波功能,證明設計方案具有可行性。

4 結(jié)論

    本文設計了基于數(shù)字下變頻和JESD204B接口的導引頭接收電路,介紹分析了數(shù)字下變頻器和JESD204B接口在反輻射導引頭領(lǐng)域的應用優(yōu)勢。針對反輻射導引頭研制領(lǐng)域?qū)掝l帶、多載波和小型化的發(fā)展趨勢,靈活應用新型高速ADC中數(shù)字下變頻器,寬帶導引頭接收可以輸入帶寬高達4 GHz,在導引頭前端實現(xiàn)了頻帶篩選,能夠完成75 MHz~600 MHz帶寬范圍內(nèi)多個不同的基帶信號的數(shù)字下變頻,與傳統(tǒng)方案相比,提高了后端信號處理效率。利用基于高速收發(fā)器GTX的JESD204 Phy IP實現(xiàn)了單通道JESD204B接收接口,與并行傳輸接口相比,簡化了板級布局連線,同時保證了數(shù)據(jù)高速傳輸。經(jīng)過軟件功能仿真以及硬件實際測試,初步驗證了方案設計的可行性,為研制寬頻帶、小型化反輻射導引頭奠定了一定技術(shù)基礎(chǔ)。

參考文獻

[1] 劉箴,符新軍.先進機載反輻射導彈綜述及發(fā)展趨勢[J].飛航導彈,2016(6):43-49.

[2] 王艷奎.反輻射導引頭技術(shù)發(fā)展分析[J].飛航導彈,2009(3):39-44.

[3] 車夢虎.反輻射導彈導引頭關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢研究[J].航天電子對抗,2008(4):5-8.

[4] 俞毅剛,Gina Kelso,Saad Ashraf.基于數(shù)字解調(diào)器和JESD-204B的多通道超聲系統(tǒng)設計[J].電子技術(shù)應用,2016(11):77-79.

[5] 王海峰,吳宏宇.被動雷達導引頭發(fā)展歷程及技術(shù)綜述[J].飛航導彈,2013(1):78-80.

[6] 李飛,馮曉東,李華會.可變帶寬數(shù)字下變頻的設計與FPGA實現(xiàn)[J].電子技術(shù)應用,2016(4):35-38.

[7] Ian Beavers.重新思考快速寬頻ADC中的數(shù)字下變頻[J].今日電子,2016(9):36-38.

[8] 趙良羽.可變帶寬的多級濾波器數(shù)字下變頻設計[J].電子技術(shù)應用,2014(3):32-34.

[9] Fan Tiansuo.A circuit design based on high-speed serial communications data transfer network communication interface module[C].Proceedings of 2016 6th International Conference on Machinery,Materials,Environment,Biotechnology and Computer(MMEBC 2016). 2016.

[10] 張峰,王戰(zhàn)江.基于JESD204協(xié)議的AD采樣數(shù)據(jù)高速串行傳輸[J].電訊技術(shù),2014(2):174-177.

[11] 余鑫,李躍忠.基于IBERT在Vritex-7 GTX的測試實驗研究[J].電子科技,2015(3):91-93,98.

[12] 楊賢軍.基于ChipScope的EDA實驗平臺的設計[J].通信技術(shù),2012(10):101-102,106.

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