作者：Brendon McHugh和Simon Ndiritu

1、SDR系統(tǒng)簡(jiǎn)介

SDR系統(tǒng)由處理模擬信號(hào)的無線電前端和處理數(shù)字信號(hào)的數(shù)字后端組成。無線電前端執(zhí)行信號(hào)發(fā)送（Tx）和接收（Rx）功能，設(shè)計(jì)用于在寬調(diào)諧范圍內(nèi)工作，高性能SDR工作在0-18 GHz（也可升級(jí)到更高頻率范圍）。

SDR系統(tǒng)的數(shù)字后端具有現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA），能夠執(zhí)行各種數(shù)字信號(hào)處理（DSP）操作。該設(shè)備利用可重構(gòu)組件進(jìn)行各種DSP操作，如上變頻、下變頻、調(diào)制和解調(diào)。數(shù)字后端的可重構(gòu)性使SDR系統(tǒng)高度靈活，易于升級(jí)。這種靈活性還允許通過使用軟件工具執(zhí)行各種處理和/或?qū)⑿碌腎P核加載到FPGA上，以低成本輕松實(shí)現(xiàn)新的DSP算法和無線電協(xié)議。

SDR平臺(tái)提供多個(gè)獨(dú)立的發(fā)射和接收信道，是實(shí)現(xiàn)多功能系統(tǒng)的理想選擇。每個(gè)通道都具有專用的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）或模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），用于從一個(gè)域到另一個(gè)域的信號(hào)轉(zhuǎn)換。典型SDR系統(tǒng)的架構(gòu)由各種模塊板組成，如圖1所示。

圖1：SDR系統(tǒng)的簡(jiǎn)化架構(gòu)

2、雷達(dá)及其在當(dāng)今工業(yè)中的應(yīng)用

雷達(dá)（Radio Detection And Ranging）是一種利用無線電波來測(cè)量信號(hào)所針對(duì)物體的角度、距離或速度的技術(shù)。該技術(shù)在第二次世界大戰(zhàn)期間被首次使用，如今被廣泛應(yīng)用于包括飛機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和天氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在內(nèi)的一系列關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用中。

典型的雷達(dá)系統(tǒng)由一個(gè)發(fā)射器組成，該發(fā)射器產(chǎn)生并向目標(biāo)方向發(fā)射電磁信號(hào)。當(dāng)發(fā)射的信號(hào)擊中目標(biāo)時(shí)，信號(hào)的一部分被反射回與接收信道相連的雷達(dá)天線或天線。來自接收器的反射信號(hào)由主機(jī)處理。主機(jī)計(jì)算所需的測(cè)量值并將其顯示在屏幕上；例如，它可以計(jì)算目標(biāo)的角度、距離、速度或大小的近似值。

雷達(dá)系統(tǒng)使用能夠執(zhí)行發(fā)射和接收功能的多功能天線。雙工器開關(guān)通過將發(fā)射器和接收器連接到共享碟形天線或天線，來實(shí)現(xiàn)在接收或發(fā)送模式之間的切換。雷達(dá)收發(fā)器有不同的形式，并根據(jù)應(yīng)用安裝在不同的位置。這些發(fā)射器/接收器通常位于飛機(jī)機(jī)頭、船舶甲板、軍用車輛、空中交通控制塔和許多其他地方。在飛機(jī)和船舶中，多個(gè)設(shè)備用于支持不同的服務(wù)和應(yīng)用。

雷達(dá)系統(tǒng)有不同的形式和配置，以滿足當(dāng)今應(yīng)用的不同需求。一些最常見的雷達(dá)類型包括合成孔徑雷達(dá)（SAR）、多普勒雷達(dá)和相控陣?yán)走_(dá)。

合成孔徑雷達(dá)（SAR）是一種專門的雷達(dá)系統(tǒng)，通常安裝在飛機(jī)/航天器上，用于創(chuàng)建三維目標(biāo)的高分辨率二維圖像。利用該雷達(dá)創(chuàng)建圖像需要向目標(biāo)場(chǎng)景發(fā)射多個(gè)連續(xù)的電磁信號(hào)脈沖，并記錄反射信號(hào)。記錄的回波被處理成圖像，以重建場(chǎng)景。重建圖像的分辨率主要由孔徑大小決定：孔徑越大，分辨率越高。SAR通常用于測(cè)繪和遙感。

多普勒雷達(dá)系統(tǒng)利用多普勒效應(yīng)來計(jì)算目標(biāo)速度的近似值。該雷達(dá)測(cè)量發(fā)射信號(hào)和反射信號(hào)之間的頻率差，并使用該變化來計(jì)算目標(biāo)速度的準(zhǔn)確估計(jì)。多普勒雷達(dá)通常較輕，常用于探測(cè)衛(wèi)星、航空、雷達(dá)炮、氣象和放射學(xué)。

相控陣?yán)走_(dá)利用干擾原理來組合各個(gè)天線元件的輻射方向圖，從而獲得期望的有效輻射方向圖。該雷達(dá)具有快速響應(yīng)時(shí)間，可用于不同功能。這種雷達(dá)令人印象深刻的性能使其成為一種適合于單一雷達(dá)系統(tǒng)用于多種功能的國(guó)防應(yīng)用的選擇。

圖2：SDR，如Per Vices Cyan，允許各種雷達(dá)通信能力

雷達(dá)是許多關(guān)鍵任務(wù)系統(tǒng)的核心部件，如軍事和國(guó)防、航空、海上導(dǎo)航和氣象系統(tǒng)。如圖2所示，當(dāng)與軟件定義無線電（SDR）相結(jié)合時(shí)，雷達(dá)系統(tǒng)具有廣泛的功能，并在各種行業(yè)中得到應(yīng)用。

今天的海上導(dǎo)航和防撞系統(tǒng)嚴(yán)重依賴雷達(dá)技術(shù)。海洋雷達(dá)系統(tǒng)利用C波段、S波段和X波段，使船只能夠探測(cè)其他船只和陸地障礙物。這些雷達(dá)系統(tǒng)還為船舶提供方位和準(zhǔn)確距離。

在現(xiàn)代飛機(jī)中，雷達(dá)被廣泛用于各種關(guān)鍵系統(tǒng)，包括導(dǎo)航和著陸系統(tǒng)。很大一部分航空波段專用于雷達(dá)系統(tǒng)，包括非定向信標(biāo)（NDB）、測(cè)距設(shè)備、機(jī)載防撞、監(jiān)視雷達(dá)、無線電高度計(jì)、機(jī)載天氣雷達(dá)和機(jī)載多普勒雷達(dá)系統(tǒng)。

氣象雷達(dá)系統(tǒng)具有S、C和X波段的專用頻帶。S波段（2700–2900 MHz）主要用于熱帶和溫帶氣候地區(qū)的颶風(fēng)、龍卷風(fēng)和暴雨監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。C波段（5600-5650 MHz）專用于大冰雹或大雨造成的信號(hào)衰減不嚴(yán)重的地區(qū)。最后，X波段（9300-9500 MHz）主要用于短程水文和氣象應(yīng)用。該氣象波段的一個(gè)常見應(yīng)用是在城市水文中。

3、將SDR集成到雷達(dá)系統(tǒng)中

SDR系統(tǒng)的硬件架構(gòu)允許它們輕松集成到各種復(fù)雜的現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)中。首先，SDR架構(gòu)允許雷達(dá)工程師使用50ΩSMA連接器連接雙工器和功率放大器。基于SDR系統(tǒng)的雷達(dá)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖如圖3所示。

圖3：基于SDR的雷達(dá)系統(tǒng)

SDR平臺(tái)提供多輸入多輸出（MIMO）信道，是當(dāng)今復(fù)雜雷達(dá)系統(tǒng)的理想選擇。高性能SDR平臺(tái)提供多達(dá)16個(gè)信道，從而允許通過單個(gè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)利用多信道相控陣系統(tǒng)的雷達(dá)。MIMO SDR也是實(shí)現(xiàn)由具有不同距離能力的多個(gè)雷達(dá)天線組成的復(fù)雜雷達(dá)系統(tǒng)的理想選擇。

高性能SDR系統(tǒng)提供的寬頻率范圍使其適用于最苛刻的雷達(dá)應(yīng)用。除了允許足夠的信道間隔外，該特性還使得單個(gè)SDR能夠覆蓋雷達(dá)應(yīng)用中使用的所有頻帶。此外，這些平臺(tái)提供了令人印象深刻的頻率和相位穩(wěn)定性，使其適用于當(dāng)今的雷達(dá)系統(tǒng)。

高性能SDR平臺(tái)旨在提供令人印象深刻的噪聲、動(dòng)態(tài)范圍和無雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）特性。SFDR定義了基本載波信號(hào)的幅度和最強(qiáng)雜散信號(hào)之間的范圍。該量通常以dBc表示。SDR平臺(tái)提供高SFDR，使其成為復(fù)雜雷達(dá)系統(tǒng)的理想選擇。此外，SDR系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于提供高靈敏度和低噪聲系數(shù)。這與高動(dòng)態(tài)范圍特性一起，意味著單個(gè)設(shè)備能夠捕獲雷達(dá)系統(tǒng)中非常微弱和強(qiáng)烈的反射。

除了無線電前端硬件之外，SDR的數(shù)字后端需要高數(shù)據(jù)回程，以滿足當(dāng)今苛刻的雷達(dá)應(yīng)用。復(fù)雜的雷達(dá)系統(tǒng)，如現(xiàn)代空中交通控制系統(tǒng)中使用的雷達(dá)系統(tǒng)處理需要傳遞到主機(jī)系統(tǒng)的大量數(shù)據(jù)。高性能SDR系統(tǒng)具有高數(shù)據(jù)吞吐量40Gbps qSFP+收發(fā)器端口，可升級(jí)至最高100Gbps。

4、相控陣?yán)走_(dá)的波束成形/波束轉(zhuǎn)向

相控陣波束成形是用于提高高要求應(yīng)用中天線性能的技術(shù)之一。在相控陣系統(tǒng)中，天線元件組件的各個(gè)輻射方向圖被構(gòu)造性地組合以產(chǎn)生期望的有效輻射方向圖（主瓣）。在非期望方向的情況下，相消干涉用于產(chǎn)生旁瓣和零點(diǎn)。

波束成形使主瓣中輻射的能量最大化，并使副瓣中輻射能量最小化。調(diào)整饋送到天線元件的信號(hào)的相位允許操縱輻射的方向。執(zhí)行相位調(diào)整的算法在FPGA中實(shí)現(xiàn)。通過簡(jiǎn)單地重新配置FPGA，可以修改該算法以包括更多的元件和功能。

圖4：線性陣列波束成形和轉(zhuǎn)向中使用的相移計(jì)算

讓我們考慮一個(gè)由8個(gè)天線單元組成的線性陣列，如圖4所示。為了簡(jiǎn)單起見，我們假設(shè)饋線中的延遲可以忽略不計(jì)。如圖4所示，我們可以畫一個(gè)直角三角形，使我們能夠?qū)⑾嘁坪推D(zhuǎn)角與所施加的相移相關(guān)聯(lián)。虛線垂直于每個(gè)相移波束和相應(yīng)的天線元件繪制。直角的短邊（即從虛線到線性天線陣列的表面）表示為x。天線元件陣列之間的距離表示為d。假設(shè)期望的波束轉(zhuǎn)向角為q，我們可以使用基本三角法確定所需的相移y，如下所示：就波長(zhǎng)（l）而言，x與相移有關(guān)，如方程2所示：結(jié)合等式1和2，我們獲得如等式3所示的相移表達(dá)式：

相控陣波束成形減少了重新定位天線陣列所需的時(shí)間，并允許傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)流。此外，與機(jī)械轉(zhuǎn)向相比，陣列的電動(dòng)轉(zhuǎn)向更高效，需要更少的維護(hù)。另一方面，相控陣的波束控制會(huì)導(dǎo)致更多的功耗。

5、在雷達(dá)系統(tǒng)中使用SDR的好處

將高性能SDR平臺(tái)集成到雷達(dá)系統(tǒng)中有很多好處。首先，單個(gè)SDR設(shè)備處理多種功能的能力降低了雷達(dá)系統(tǒng)的總體復(fù)雜性。并且SDR平臺(tái)具有高度靈活性和通用性，因?yàn)樗鼈兝昧丝芍貥?gòu)組件。而且這些設(shè)備具有高度的互操作性，可以集成到傳統(tǒng)和更新的雷達(dá)系統(tǒng)中。此外，這些平臺(tái)的靈活性使其適用于新部署以及服務(wù)壽命延長(zhǎng)計(jì)劃（SLEP）。

SDR系統(tǒng)的數(shù)字后端采用可重構(gòu)的基于軟件的組件進(jìn)行各種信號(hào)處理操作。由于不需要硬件修改，這種可重構(gòu)性允許以低成本輕松測(cè)試和實(shí)現(xiàn)高級(jí)算法。此外，由于SDR平臺(tái)使用基于軟件的組件而不是硬件組件，因此它們通常更便宜、更輕。與雷達(dá)中使用的傳統(tǒng)無線電系統(tǒng)相比，這些平臺(tái)的功耗也更低。

SDR平臺(tái)的可重編程性意味著單個(gè)設(shè)備可以重新配置以執(zhí)行不同的功能。由于不需要購(gòu)買多個(gè)組件，與傳統(tǒng)無線電系統(tǒng)相比，SDR平臺(tái)更具成本效益。除了商用現(xiàn)貨（COTS）平臺(tái)，SDR平臺(tái)的領(lǐng)先制造商還可以提供定制解決方案，以滿足您的應(yīng)用程序的特定性能需求。

審核編輯：郭婷