高集成度多波段外辐射源雷达接收机的设计与实验
谢简策+万显荣+刘玉琪+方高
摘 要： 针对现阶段外辐射源雷达多波段软件无线电（SDR）系统集成度低，体积大和硬件结构复杂的不足，设计了一种高集成度、多波段、小型化、低成本的外辐射源雷达SDR接收机系统。系统由高集成度的AD9361射频芯片、现场可编程门阵列（FPGA）和USB 3.0传输模块组成，目的是利用调频（FM）广播、中国移动多媒体广播（CMMB）和数字电视地面多媒体广播（DTMB）第三方机会照射源实现对目标的探测。实测数据结果表明，该系统能够对多波段信号进行正确的采集，并将数据传输到上位机。外场实验验证了该系统的可靠性以及良好的目标探测性能。
关键词： 外辐射源雷达； 多波段； 软件无线电； AD9361
中图分类号： TN957?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）19?0018?04
Design and experiment of high?integration multiband receiver for passive radar
XIE Jiance， WAN Xianrong， LIU Yuqi， FANG Gao
（School of Electronic Information， Wuhan University， Wuhan 430072， China）
Abstract： For the current software defined radio （SDR） system of passive radar has the disadvantages of low integration， large size and complex hardware structure， a high?integration， multiband， minimum and low?cost SDR receiver system of passive radar is designed. The system is composed of the high?integration AD9361 RF chip， FPGA and USB 3.0 transmission module. The third?party opportunity illuminator including FM broadcasting， CMMB and DTMB is used to detect the target. The measured data shows that the system can acquire the multiband signals correctly and transmit the data to the host computer. The reliability and high target detection performance of the system are verified with outfield experiment.
Keywords： passive radar； multiband； SDR； AD9361
0 引 言
外辐射源雷达是一种利用第三方发射的电磁信号来探测目标的新体制雷达系统[1]。外源雷达具有无需频率分配、隐蔽性强等优点引起了越來越多研究者的关注[2]。现阶段，外源雷达可利用的第三方辐射源非常广泛，其中包括FM广播[3]、数字音频广播（DAB）[4]、DVB?T（Digital Video Broadcast?Terrestrial）[5]、DTMB[6]、CMMB[7]、LTE[8]、WiFi[9]等波段。不同照射源在距离覆盖、分辨率性能和地域上的独特优势使得它们在某些特定场景下具有更好的应用价值。因此，兼容多波段的雷达系统应运而生[10?11]。但是，现阶段的SDR雷达系统往往存在硬件结构复杂、集成度低和体积庞大的不足，与真正意义上的SDR平台还存在一定的差距。因此，针对目前SDR雷达系统存在的不足，本文提出一种高集成度、小型化、低成本、多波段的软件无线电通用接收机系统。该系统直接与天线连接，通过简单的配置就能将感兴趣的射频信号下变频至基带信号，并将基带数据传输至上位机。现场实验利用FM频段中国数字音频广播（CDR）、CMMB和DTMB信号对该系统进行测试。实测数据结果表明，本接收机系统能够完成雷达多波段信号正确接收的功能，根据合作目标探测的实测结果验证了该系统的有效性。该系统的小型化和低成本等优势为多频段雷达的组网提供了一定的参考意义[12]。
1 外辐射源雷达系统
本系统设计的目的是根据实际目标探测的需要可以灵活地选取相应的照射源而不必受限于系统的硬件平台。本节描述了FM，CMMB，DTMB波段照射源的优势和不足，并且针对他们的特点给出系统的硬件设计与实现。
1.1 第三方照射源
FM音频是被全世界广泛应用的一种广播标准。FM频段广播发射功率大，覆盖范围很广，是外辐射源雷达远距离目标探测最常用的照射源信号。但调频广播信号带宽小，而且带宽的大小还受到广播内容的影响，因此目标探测的精度和距离分辨率不够优良，探测的性能还呈现出不稳定性[13]。目前，多调频广播外辐射源雷达通过利用多调频信号增加调频广播带宽的方式可以提高距离分辨率的性能。
CMMB是广播电视总局基于我国国情推出的视频广播行业标准。CMMB采用正交频分复用（OFDM）的调制技术。上层数据流经编码、字节交织、低密度奇偶校验（Low Density Parity Check，LDPC）码和比特交织共同构成了CMMB物理层信道编码部分，随机化后的比特流使得信号探测性能不随广播内容变化。信号带宽为8 MHz，带宽稳定。CMMB信号相比FM频段能够提供更好的探测精度和距离分辨率。目前该信号已经覆盖了绝大多数的大中小城市，为研究和利用CMMB信号提供了良好的条件。
DTMB是我国具有自主知识产权的数字地面电视广播标准。DTMB采用的也是正交频分复用调制技术，信号带宽也为8 MHz。DTMB信号与CMMB在信号结构、探测精度、距离分辨率性能和发射站覆盖范围上具有很大的相似度。根据上述内容，表1总结了本次实验利用的第三方照射源的特征。
1.2 系统的硬件实现
针对表1所述CDR、CMMB和DTMB第三方照射源的频率、信号带宽和发射功率的特点，设计并完成了本系统的硬件部分。该系统由天线、系统板和上位机软件组成。其中系统板包括AD9361、FPGA和USB 3.0芯片EZUSB3014。系统的参考时钟由外部稳定的时钟源提供。AD9361有两个接收通道，接收通道直接通过电缆与天线连接，每个通道搭载两个高动态范围ADC，先将收到的I信号和Q信号进行数字化处理，通过数字下变频后以相应的采样率生成12位输出信号。基带数据由FPGA进行缓冲并送往USB 3.0芯片，最后通过USB线缆送往上位机接口，供上位机采集和后续处理。该系统具有很高的集成度，AD9361内部集成RF前端与灵活的混合信号基带部分为一体，集成频率合成器，为处理器提供数字配置接口，支持可编程和灵活配置。该系统的工作频率范围为70 MHz～6.0 GHz，支持的通道带宽范围小于200 kHz～56 MHz。系统最大的实时传输速率可达到380 MB/s。在实际试验中，可以将多个AD9361组成一个多波段系统，以实现多个照射源的目标探测应用。2 实验场景
本次实验利用本系统的双通道接收结构，接收站位于武汉大学电子信息学院实验教学中心楼顶，发射站位于武汉龟山电视塔（CDR信号中心频率为102.6 MHz，带宽为400 kHz；DTMB信号中心频率为8 MHz，带宽为8 MHz）。系统包括用于接收参考信号的参考天线和用于接收目标回波信号的监测天线两个部分。其中，CDR波段天线为6单元高增益、高方向性的八木天线，CMMB和DTMB信号均属于UHF频段，因此参考和监测天线均由高增益、高方向性的12单元八木天线组成。为了测试系统的性能，分别采集了各个波段的照射源信号并验证了实测数据的有效性。系统利用CMMB和DTMB波段照射源完成了合作目标的探测实验。监测天线和参考天线分别指向合作目标的飞行区域和龟山广播电视发射站的位置。合作目标沿监测天线的延长线方向以最大速度远离或靠近接收站。
3 实验结果
3.1 FM波段实验结果
图1展示了武汉地区FM频段CDR信号实测数据的频谱结构。此调频信号为模数混播结构，频谱中间代表模拟部分，带宽150 kHz，旁边两个数字边带各50 kHz。为了验证该系统接收到的CDR信号的正确性，从频谱中提取出了数字边带，并对其进行解调，参考通道数字边带解调后的系统信息映射如图2所示。从图2中可以看出，星座映射为4QAM，且各点比较聚焦，显示出了良好的解调效果。同时证明了该接收系统能正确接收CDR波段信号。
3.2 CMMB波段实验结果
参考外辐射源雷达的信号处理流程，来自参考天线的CMMB信号与监测信号进行杂波对消、0距离元抑制和匹配相关处理，得到的实测数据信号处理结果如图3，图4所示，分别展示了CMMB波段的矩形频谱和互相关检测器连续检测后输出的距离多普勒谱，从图中可以看出疑似目标点迹连续。目标所在的负多普勒单元表明目标正远离接收站。
3.3 DTMB波段实验结果
利用DTMB波段实施目标探测实验的信号处理流程与CMMB的处理流程一致。图5显示了DTMB波段矩形频谱，根据目标检测理论对该目标进行了连续的检测，得到如图6所示的点迹图，由图6可以明显地看出目标的点迹连续，因此确定该疑似目标为合作目标。目标所在的正多普勒单元表明目标正匀速地靠近接收站。
4 结 语
本文设计并成功实现了高集成度、小型化的外辐射源雷达多波段软件无线电系统。经过现场测试验证，该系统能够正确采集各个波段的射频信号以及实现数据有效地传输和存储。此外，该系统利用CMMB和DTMB信号实施的目标探测结果进一步验证了系统的有效性和良好的目标探测性能。与传统的外辐射源雷达接收机相比，该系统集成度更高，成本更低。依靠多波段和便携的优势，该系统能够在外场实验的前期起到推进实验顺利进行的先导作用。该系统的成功实现也为研究者探索新的雷达接收机解决方案提供了指导方向。
参考文献
[1] 万显荣.基于低频段数字广播电视信号的外辐射源雷达发展现状与趋势[J].雷达学报，2012，1（2）：109?123.
[2] GRIFFITHS H D. From a different perspective principles， practice and potential of bistatic radar [C]// Proceedings of 2003 International Radar Conference. Adelaide， Australia： IEEE， 2003： 1?7.
[3] 邵启红，龚子平，张勋，等.多调频广播外辐射源雷达目标探测实验研究[J].电子与信息学报，2016，38（5）：1256?1260.
[4] POULLIN D. Passive detection using digital broadcasters （DAB， DVB） with COFDM modulation [J]. IEE proceedings： radar， sonar and navigation， 2005， 152（3）： 143?152.
[5] DAUN Martina， KOCH Wolfgang. Multistatic target tracking for non?cooperative illumination by DAB/DVB?T [C]// procee?dings of 2007 IEEE Radar Conference. Rome， Italy： IEEE， 2008： 1?6.
[6] 唐慧，万显荣，陈伟，等.数字地面多媒体广播外辐射源雷达目标探测实验研究[J].电子与信息学报，2013，35（3）：575?580.
[7] 万显荣，岑博，易建新，等.中国移动多媒体广播外辐射源雷达参考信号获取方法研究[J].电子与信息学报，2012，34（2）：338?343.
[8] RAJA ABDULLAH R S A， SALAH A A， ISMAIL A， et al. Ground moving target detection using LTE?based passive radar [C]// Proceedings of 2015 International Conference on Radar， Antenna Microwave， Electronics， and Telecommunications. Bandung： IEEE， 2015： 70?75.
[9] 饶云华，明燕珍，林静，等.WiFi外辐射源雷达参考信号重构及其对探测性能影响研究[J].雷达学报，2016，5（3）：284?292.
[10] EDRICH Michael， SCHROEDER Alexander， MEYER Fabienne. Design and performance evaluation of a mature FM/DAB/DVB?T multi?illuminator passive radar system [J]. IET radar， sonar and navigation， 2014， 8（2）： 114?122.
[11] 逄淑蕾，李帅.多波段可重构雷达接收自动测试系统的设计与实现[J].现代电子技术，2016，39（11）：13?15.
[12] 张华涛.多频段雷达组网探测跟踪隐身目标研究[J].现代电子技术，2014，37（7）：46?49.
[13] 尤君，万显荣，龚子平，等.多调频广播外辐射源雷达波形综合的相位补偿方法[J].电子与信息学报，2014，36（8）：1985?1991.
摘 要： 针对现阶段外辐射源雷达多波段软件无线电（SDR）系统集成度低，体积大和硬件结构复杂的不足，设计了一种高集成度、多波段、小型化、低成本的外辐射源雷达SDR接收机系统。系统由高集成度的AD9361射频芯片、现场可编程门阵列（FPGA）和USB 3.0传输模块组成，目的是利用调频（FM）广播、中国移动多媒体广播（CMMB）和数字电视地面多媒体广播（DTMB）第三方机会照射源实现对目标的探测。实测数据结果表明，该系统能够对多波段信号进行正确的采集，并将数据传输到上位机。外场实验验证了该系统的可靠性以及良好的目标探测性能。
关键词： 外辐射源雷达； 多波段； 软件无线电； AD9361
中图分类号： TN957?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）19?0018?04
Design and experiment of high?integration multiband receiver for passive radar
XIE Jiance， WAN Xianrong， LIU Yuqi， FANG Gao
（School of Electronic Information， Wuhan University， Wuhan 430072， China）
Abstract： For the current software defined radio （SDR） system of passive radar has the disadvantages of low integration， large size and complex hardware structure， a high?integration， multiband， minimum and low?cost SDR receiver system of passive radar is designed. The system is composed of the high?integration AD9361 RF chip， FPGA and USB 3.0 transmission module. The third?party opportunity illuminator including FM broadcasting， CMMB and DTMB is used to detect the target. The measured data shows that the system can acquire the multiband signals correctly and transmit the data to the host computer. The reliability and high target detection performance of the system are verified with outfield experiment.
Keywords： passive radar； multiband； SDR； AD9361
0 引 言
外辐射源雷达是一种利用第三方发射的电磁信号来探测目标的新体制雷达系统[1]。外源雷达具有无需频率分配、隐蔽性强等优点引起了越來越多研究者的关注[2]。现阶段，外源雷达可利用的第三方辐射源非常广泛，其中包括FM广播[3]、数字音频广播（DAB）[4]、DVB?T（Digital Video Broadcast?Terrestrial）[5]、DTMB[6]、CMMB[7]、LTE[8]、WiFi[9]等波段。不同照射源在距离覆盖、分辨率性能和地域上的独特优势使得它们在某些特定场景下具有更好的应用价值。因此，兼容多波段的雷达系统应运而生[10?11]。但是，现阶段的SDR雷达系统往往存在硬件结构复杂、集成度低和体积庞大的不足，与真正意义上的SDR平台还存在一定的差距。因此，针对目前SDR雷达系统存在的不足，本文提出一种高集成度、小型化、低成本、多波段的软件无线电通用接收机系统。该系统直接与天线连接，通过简单的配置就能将感兴趣的射频信号下变频至基带信号，并将基带数据传输至上位机。现场实验利用FM频段中国数字音频广播（CDR）、CMMB和DTMB信号对该系统进行测试。实测数据结果表明，本接收机系统能够完成雷达多波段信号正确接收的功能，根据合作目标探测的实测结果验证了该系统的有效性。该系统的小型化和低成本等优势为多频段雷达的组网提供了一定的参考意义[12]。
1 外辐射源雷达系统
本系统设计的目的是根据实际目标探测的需要可以灵活地选取相应的照射源而不必受限于系统的硬件平台。本节描述了FM，CMMB，DTMB波段照射源的优势和不足，并且针对他们的特点给出系统的硬件设计与实现。
1.1 第三方照射源
FM音频是被全世界广泛应用的一种广播标准。FM频段广播发射功率大，覆盖范围很广，是外辐射源雷达远距离目标探测最常用的照射源信号。但调频广播信号带宽小，而且带宽的大小还受到广播内容的影响，因此目标探测的精度和距离分辨率不够优良，探测的性能还呈现出不稳定性[13]。目前，多调频广播外辐射源雷达通过利用多调频信号增加调频广播带宽的方式可以提高距离分辨率的性能。
CMMB是广播电视总局基于我国国情推出的视频广播行业标准。CMMB采用正交频分复用（OFDM）的调制技术。上层数据流经编码、字节交织、低密度奇偶校验（Low Density Parity Check，LDPC）码和比特交织共同构成了CMMB物理层信道编码部分，随机化后的比特流使得信号探测性能不随广播内容变化。信号带宽为8 MHz，带宽稳定。CMMB信号相比FM频段能够提供更好的探测精度和距离分辨率。目前该信号已经覆盖了绝大多数的大中小城市，为研究和利用CMMB信号提供了良好的条件。
DTMB是我国具有自主知识产权的数字地面电视广播标准。DTMB采用的也是正交频分复用调制技术，信号带宽也为8 MHz。DTMB信号与CMMB在信号结构、探测精度、距离分辨率性能和发射站覆盖范围上具有很大的相似度。根据上述内容，表1总结了本次实验利用的第三方照射源的特征。
1.2 系统的硬件实现
针对表1所述CDR、CMMB和DTMB第三方照射源的频率、信号带宽和发射功率的特点，设计并完成了本系统的硬件部分。该系统由天线、系统板和上位机软件组成。其中系统板包括AD9361、FPGA和USB 3.0芯片EZUSB3014。系统的参考时钟由外部稳定的时钟源提供。AD9361有两个接收通道，接收通道直接通过电缆与天线连接，每个通道搭载两个高动态范围ADC，先将收到的I信号和Q信号进行数字化处理，通过数字下变频后以相应的采样率生成12位输出信号。基带数据由FPGA进行缓冲并送往USB 3.0芯片，最后通过USB线缆送往上位机接口，供上位机采集和后续处理。该系统具有很高的集成度，AD9361内部集成RF前端与灵活的混合信号基带部分为一体，集成频率合成器，为处理器提供数字配置接口，支持可编程和灵活配置。该系统的工作频率范围为70 MHz～6.0 GHz，支持的通道带宽范围小于200 kHz～56 MHz。系统最大的实时传输速率可达到380 MB/s。在实际试验中，可以将多个AD9361组成一个多波段系统，以实现多个照射源的目标探测应用。2 实验场景
本次实验利用本系统的双通道接收结构，接收站位于武汉大学电子信息学院实验教学中心楼顶，发射站位于武汉龟山电视塔（CDR信号中心频率为102.6 MHz，带宽为400 kHz；DTMB信号中心频率为8 MHz，带宽为8 MHz）。系统包括用于接收参考信号的参考天线和用于接收目标回波信号的监测天线两个部分。其中，CDR波段天线为6单元高增益、高方向性的八木天线，CMMB和DTMB信号均属于UHF频段，因此参考和监测天线均由高增益、高方向性的12单元八木天线组成。为了测试系统的性能，分别采集了各个波段的照射源信号并验证了实测数据的有效性。系统利用CMMB和DTMB波段照射源完成了合作目标的探测实验。监测天线和参考天线分别指向合作目标的飞行区域和龟山广播电视发射站的位置。合作目标沿监测天线的延长线方向以最大速度远离或靠近接收站。
3 实验结果
3.1 FM波段实验结果
图1展示了武汉地区FM频段CDR信号实测数据的频谱结构。此调频信号为模数混播结构，频谱中间代表模拟部分，带宽150 kHz，旁边两个数字边带各50 kHz。为了验证该系统接收到的CDR信号的正确性，从频谱中提取出了数字边带，并对其进行解调，参考通道数字边带解调后的系统信息映射如图2所示。从图2中可以看出，星座映射为4QAM，且各点比较聚焦，显示出了良好的解调效果。同时证明了该接收系统能正确接收CDR波段信号。
3.2 CMMB波段实验结果
参考外辐射源雷达的信号处理流程，来自参考天线的CMMB信号与监测信号进行杂波对消、0距离元抑制和匹配相关处理，得到的实测数据信号处理结果如图3，图4所示，分别展示了CMMB波段的矩形频谱和互相关检测器连续检测后输出的距离多普勒谱，从图中可以看出疑似目标点迹连续。目标所在的负多普勒单元表明目标正远离接收站。
3.3 DTMB波段实验结果
利用DTMB波段实施目标探测实验的信号处理流程与CMMB的处理流程一致。图5显示了DTMB波段矩形频谱，根据目标检测理论对该目标进行了连续的检测，得到如图6所示的点迹图，由图6可以明显地看出目标的点迹连续，因此确定该疑似目标为合作目标。目标所在的正多普勒单元表明目标正匀速地靠近接收站。
4 结 语
本文设计并成功实现了高集成度、小型化的外辐射源雷达多波段软件无线电系统。经过现场测试验证，该系统能够正确采集各个波段的射频信号以及实现数据有效地传输和存储。此外，该系统利用CMMB和DTMB信号实施的目标探测结果进一步验证了系统的有效性和良好的目标探测性能。与传统的外辐射源雷达接收机相比，该系统集成度更高，成本更低。依靠多波段和便携的优势，该系统能够在外场实验的前期起到推进实验顺利进行的先导作用。该系统的成功实现也为研究者探索新的雷达接收机解决方案提供了指导方向。
参考文献
[1] 万显荣.基于低频段数字广播电视信号的外辐射源雷达发展现状与趋势[J].雷达学报，2012，1（2）：109?123.
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[6] 唐慧，万显荣，陈伟，等.数字地面多媒体广播外辐射源雷达目标探测实验研究[J].电子与信息学报，2013，35（3）：575?580.
[7] 万显荣，岑博，易建新，等.中国移动多媒体广播外辐射源雷达参考信号获取方法研究[J].电子与信息学报，2012，34（2）：338?343.
[8] RAJA ABDULLAH R S A， SALAH A A， ISMAIL A， et al. Ground moving target detection using LTE?based passive radar [C]// Proceedings of 2015 International Conference on Radar， Antenna Microwave， Electronics， and Telecommunications. Bandung： IEEE， 2015： 70?75.
[9] 饶云华，明燕珍，林静，等.WiFi外辐射源雷达参考信号重构及其对探测性能影响研究[J].雷达学报，2016，5（3）：284?292.
[10] EDRICH Michael， SCHROEDER Alexander， MEYER Fabienne. Design and performance evaluation of a mature FM/DAB/DVB?T multi?illuminator passive radar system [J]. IET radar， sonar and navigation， 2014， 8（2）： 114?122.
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[13] 尤君，万显荣，龚子平，等.多调频广播外辐射源雷达波形综合的相位补偿方法[J].电子与信息学报，2014，36（8）：1985?1991.
