将SDR集成到雷达系统中的应用好处

作者：Brendon McHugh和Simon Ndiritu

1、SDR系统简介

SDR系统由处理模拟信号的无线电前端和处理数字信号的数字后端组成。无线电前端执行信号发送（Tx）和接收（Rx）功能，设计用于在宽调谐范围内工作，高性能SDR工作在0-18 GHz（也可升级到更高频率范围）。

SDR系统的数字后端具有现场可编程门阵列（FPGA），能够执行各种数字信号处理（DSP）操作。该设备利用可重构组件进行各种DSP操作，如上变频、下变频、调制和解调。数字后端的可重构性使SDR系统高度灵活，易于升级。这种灵活性还允许通过使用软件工具执行各种处理和/或将新的IP核加载到FPGA上，以低成本轻松实现新的DSP算法和无线电协议。

SDR平台提供多个独立的发射和接收信道，是实现多功能系统的理想选择。每个通道都具有专用的数模转换器（DAC）或模数转换器（ADC），用于从一个域到另一个域的信号转换。典型SDR系统的架构由各种模块板组成，如图1所示。

图1：SDR系统的简化架构

2、雷达及其在当今工业中的应用

雷达（Radio Detection And Ranging）是一种利用无线电波来测量信号所针对物体的角度、距离或速度的技术。该技术在第二次世界大战期间被首次使用，如今被广泛应用于包括飞机监测系统和天气监测系统在内的一系列关键任务应用中。

典型的雷达系统由一个发射器组成，该发射器产生并向目标方向发射电磁信号。当发射的信号击中目标时，信号的一部分被反射回与接收信道相连的雷达天线或天线。来自接收器的反射信号由主机处理。主机计算所需的测量值并将其显示在屏幕上；例如，它可以计算目标的角度、距离、速度或大小的近似值。

雷达系统使用能够执行发射和接收功能的多功能天线。双工器开关通过将发射器和接收器连接到共享碟形天线或天线，来实现在接收或发送模式之间的切换。雷达收发器有不同的形式，并根据应用安装在不同的位置。这些发射器/接收器通常位于飞机机头、船舶甲板、军用车辆、空中交通控制塔和许多其他地方。在飞机和船舶中，多个设备用于支持不同的服务和应用。

雷达系统有不同的形式和配置，以满足当今应用的不同需求。一些最常见的雷达类型包括合成孔径雷达（SAR）、多普勒雷达和相控阵雷达。

合成孔径雷达（SAR）是一种专门的雷达系统，通常安装在飞机/航天器上，用于创建三维目标的高分辨率二维图像。利用该雷达创建图像需要向目标场景发射多个连续的电磁信号脉冲，并记录反射信号。记录的回波被处理成图像，以重建场景。重建图像的分辨率主要由孔径大小决定：孔径越大，分辨率越高。SAR通常用于测绘和遥感。

多普勒雷达系统利用多普勒效应来计算目标速度的近似值。该雷达测量发射信号和反射信号之间的频率差，并使用该变化来计算目标速度的准确估计。多普勒雷达通常较轻，常用于探测卫星、航空、雷达炮、气象和放射学。

相控阵雷达利用干扰原理来组合各个天线元件的辐射方向图，从而获得期望的有效辐射方向图。该雷达具有快速响应时间，可用于不同功能。这种雷达令人印象深刻的性能使其成为一种适合于单一雷达系统用于多种功能的国防应用的选择。

图2：SDR，如Per Vices Cyan，允许各种雷达通信能力

雷达是许多关键任务系统的核心部件，如军事和国防、航空、海上导航和气象系统。如图2所示，当与软件定义无线电（SDR）相结合时，雷达系统具有广泛的功能，并在各种行业中得到应用。

今天的海上导航和防撞系统严重依赖雷达技术。海洋雷达系统利用C波段、S波段和X波段，使船只能够探测其他船只和陆地障碍物。这些雷达系统还为船舶提供方位和准确距离。

在现代飞机中，雷达被广泛用于各种关键系统，包括导航和着陆系统。很大一部分航空波段专用于雷达系统，包括非定向信标（NDB）、测距设备、机载防撞、监视雷达、无线电高度计、机载天气雷达和机载多普勒雷达系统。

气象雷达系统具有S、C和X波段的专用频带。S波段（2700–2900 MHz）主要用于热带和温带气候地区的飓风、龙卷风和暴雨监测系统。C波段（5600-5650 MHz）专用于大冰雹或大雨造成的信号衰减不严重的地区。最后，X波段（9300-9500 MHz）主要用于短程水文和气象应用。该气象波段的一个常见应用是在城市水文中。

3、将SDR集成到雷达系统中

SDR系统的硬件架构允许它们轻松集成到各种复杂的现代雷达系统中。首先，SDR架构允许雷达工程师使用50ΩSMA连接器连接双工器和功率放大器。基于SDR系统的雷达系统的简化框图如图3所示。

图3：基于SDR的雷达系统

SDR平台提供多输入多输出（MIMO）信道，是当今复杂雷达系统的理想选择。高性能SDR平台提供多达16个信道，从而允许通过单个设备实现利用多信道相控阵系统的雷达。MIMO SDR也是实现由具有不同距离能力的多个雷达天线组成的复杂雷达系统的理想选择。

高性能SDR系统提供的宽频率范围使其适用于最苛刻的雷达应用。除了允许足够的信道间隔外，该特性还使得单个SDR能够覆盖雷达应用中使用的所有频带。此外，这些平台提供了令人印象深刻的频率和相位稳定性，使其适用于当今的雷达系统。

高性能SDR平台旨在提供令人印象深刻的噪声、动态范围和无杂散动态范围（SFDR）特性。SFDR定义了基本载波信号的幅度和最强杂散信号之间的范围。该量通常以dBc表示。SDR平台提供高SFDR，使其成为复杂雷达系统的理想选择。此外，SDR系统设计用于提供高灵敏度和低噪声系数。这与高动态范围特性一起，意味着单个设备能够捕获雷达系统中非常微弱和强烈的反射。

除了无线电前端硬件之外，SDR的数字后端需要高数据回程，以满足当今苛刻的雷达应用。复杂的雷达系统，如现代空中交通控制系统中使用的雷达系统处理需要传递到主机系统的大量数据。高性能SDR系统具有高数据吞吐量40Gbps qSFP+收发器端口，可升级至最高100Gbps。

4、相控阵雷达的波束成形/波束转向

相控阵波束成形是用于提高高要求应用中天线性能的技术之一。在相控阵系统中，天线元件组件的各个辐射方向图被构造性地组合以产生期望的有效辐射方向图（主瓣）。在非期望方向的情况下，相消干涉用于产生旁瓣和零点。

波束成形使主瓣中辐射的能量最大化，并使副瓣中辐射能量最小化。调整馈送到天线元件的信号的相位允许操纵辐射的方向。执行相位调整的算法在FPGA中实现。通过简单地重新配置FPGA，可以修改该算法以包括更多的元件和功能。

图4：线性阵列波束成形和转向中使用的相移计算

让我们考虑一个由8个天线单元组成的线性阵列，如图4所示。为了简单起见，我们假设馈线中的延迟可以忽略不计。如图4所示，我们可以画一个直角三角形，使我们能够将相移和偏转角与所施加的相移相关联。虚线垂直于每个相移波束和相应的天线元件绘制。直角的短边（即从虚线到线性天线阵列的表面）表示为x。天线元件阵列之间的距离表示为d。假设期望的波束转向角为q，我们可以使用基本三角法确定所需的相移y，如下所示：就波长（l）而言，x与相移有关，如方程2所示：结合等式1和2，我们获得如等式3所示的相移表达式：

相控阵波束成形减少了重新定位天线阵列所需的时间，并允许传输多个数据流。此外，与机械转向相比，阵列的电动转向更高效，需要更少的维护。另一方面，相控阵的波束控制会导致更多的功耗。

5、在雷达系统中使用SDR的好处

将高性能SDR平台集成到雷达系统中有很多好处。首先，单个SDR设备处理多种功能的能力降低了雷达系统的总体复杂性。并且SDR平台具有高度灵活性和通用性，因为它们利用了可重构组件。而且这些设备具有高度的互操作性，可以集成到传统和更新的雷达系统中。此外，这些平台的灵活性使其适用于新部署以及服务寿命延长计划（SLEP）。

SDR系统的数字后端采用可重构的基于软件的组件进行各种信号处理操作。由于不需要硬件修改，这种可重构性允许以低成本轻松测试和实现高级算法。此外，由于SDR平台使用基于软件的组件而不是硬件组件，因此它们通常更便宜、更轻。与雷达中使用的传统无线电系统相比，这些平台的功耗也更低。

SDR平台的可重编程性意味着单个设备可以重新配置以执行不同的功能。由于不需要购买多个组件，与传统无线电系统相比，SDR平台更具成本效益。除了商用现货（COTS）平台，SDR平台的领先制造商还可以提供定制解决方案，以满足您的应用程序的特定性能需求。

审核编辑：郭婷