多信道接收机 - 空间谱估计测向系统设计

　　每一天线阵元的输出送至各自的接收机输入端。如N个天线阵元，就有N个完全相同的接收机。接收机将信号放大、变频到适合A/D转换的频率，从而输出中频信号。也可将A/D转换器和接收机集成一体，直接输出数字信号。为了完整保存各天线阵元接收的信号幅度和相位信息，一般采用I、Q通道方法，即在中放末级采用正交混频，将相位相差90°两路本振信号送到两个混频器，其输出的低通信号即为I和Q通道信号。I和Q通道各接一A/D转换器，其输出就是数字化的复信号的实部和虚部。各个阵元的接收机模型如图3所示。

　　在通信侦察测向中，该接收机可采用多次变频的外差式接收机，雷达侦察测向时则是宽带微波数字式接收机。空间谱估计算法对各个通道的一致性要求较高，虽然可通过加校正源改善通道的一致性，但是在实际应用中还要求多信道接收机的各个通道尽可能保证一致性良好。

　　3.1.3 MD转换器

　　每一路接收机的输出需经A/D转换变成数字信号。A/D转换器位数的选择应考虑信号的动态范围、量化噪声、对测向性能的影响，以及价格等因素.一般应不低于8位。

　　除采用I、O通道保存信号幅度和相位信息外，也可采用数字正交通道。这时每路接收机的输出只需一个A/D转换器，不过采样频率应超过2倍信号带宽(常采用4倍信号带宽的采样频率)，再用数字方法形成信号的实部和虚部(数字式希尔伯特滤波器)。数据接收部分要求转换器的采样精度高，有效字长多，单位时间内的采样次数多。这样有利于捕获空间中出现的突发的、短暂的信号。

　　3.1.4 数字信号处理终端

　　多路接收机经A/D转换后输出的数字信号同时送至数字信号终端进行处理，以实现对空间信号的数目、信号到达方向以及信号其他参数的估计。空间谱估计测向方法的优异性能主要通过优良的测向算法及其在信号处理终端上的实现。与幅度和相位比较等测向方法不同，空间谱估计测向方法需经较为复杂的计算才能得到待测信号的到达方向，因此性能优异的高效测向算法和高速数字信号处理终端就成为这种测向技术的核心。从原理上考虑，一台通用微机可用于信号处理终端。当要求测向过程实时或准时时，则应采用高速数字信号处理器完成信号处理终端的任务。

　　3.2 空间谱估计算法的硬件实现方案

　　现代数字信号处理方案多采用FPGA和通用DSP的混合设计，即DSP+FPGA的设计方案。用FPGA设计协处理器处理大量、规则的计算，而利用DSP的灵活性处理复杂不规则的计算，从而使整个系统性能达到最优。

　　对空间谱估计测向中的MUSIC算法分析可知，MUSIC算法可分为：求解协方差矩阵，对协方差矩阵特征分解和谱峰搜索。其中，求解协方差矩阵是一种包含大量而又规则计算的算法，且运算的数据直接从接收机的A/D转换器输出得到，可采用定点计算方式，适合采用FPGA实现。FPGA具有可编程和现场配置的特点，利用与器件相应的CAD软件，实现用户规定的各种特定功能，具有较高的灵活性。设计者可将其视为一个由若干与非门构成的阵列，各与非门之间通过一定的方式相连接，实现特定功能。

　　实现协方差矩阵的特征分解可采用雅可比算法。该算法中。数据的动态范围很大，用定点计算会发生溢出，并且也无法满足精度要求，所以只能采用浮点计算;雅可比算法除包含大量的乘法、加法外，还有开方、除法等不太规则的计算。因此，用于实现特征分解的雅可比算法不宜采用FPGA实现，而应采用DSP实现。DSP类似于通用微处理器CPU，但又有其针对数字信号处理的特点。其与通用微处理器不同之处在于：采用哈佛结构，程序和数据分开存储;采用一系列措施保证数字信号的处理速度，如对FFT的专门优化。因此DSP数字信号处理能力大大优于通用微处理器，同时还具有通用微处理器系统灵活度高，计算可编程控制的特点，可适用于各种复杂的信号处理。

　　因此，MUSIC算法的硬件实现可采用DSP+FPGA来实现，即定点计算和浮点计算混合的方案。FPGA实现求解协方差矩阵，可采用定点计算方法，然后把得出的数据送入DSP，将其定点转换为浮点，用浮点计算方式计算特征分解和谱峰搜索。

　　求解协方差矩阵时有串行和并行两种方案。串行方案主要是以节省资源为优先考虑的一种方案，可用于那些对实时性要求不太严格的应用中;并行解决方案主要是以处理速度为优先考虑的一种方案，可用于那些对实时性要求较高的应用中。图4给出并行处理方案的原理框图。

　　并行方案与串行方案的区别在于：并行方案使用多个并行相乘累加器进行计算。这样可有效提高整个系统的处理速度。并行处理的方案应当做到使各处理器的负载平衡，对于含8个阵元的测向系统，需要求出36个元素的值，因此可选用2，3，4，6，12，18，36个相乘累加器的不同的并行处理方案。显然相乘累加器越多，处理速度越快，但其成本也高。

　　4 结论

　　在空间谱估计测向系统构成、工作原理、某些关键技术及硬件实现的基础上，介绍基于相关矩阵特征分解的MUSIC算法原理及其硬件实现方案。空间谱估计技术对雷达信号侦察测向的前景良好，具有研究价值。