作者：Brendon McHugh和Simon Ndiritu

1、SDR系統簡介

SDR系統由處理模擬信號的無線電前端和處理數字信號的數字后端組成。無線電前端執行信號發送（Tx）和接收（Rx）功能，設計用于在寬調諧范圍內工作，高性能SDR工作在0-18 GHz（也可升級到更高頻率范圍）。

SDR系統的數字后端具有現場可編程門陣列（FPGA），能夠執行各種數字信號處理（DSP）操作。該設備利用可重構組件進行各種DSP操作，如上變頻、下變頻、調制和解調。數字后端的可重構性使SDR系統高度靈活，易于升級。這種靈活性還允許通過使用軟件工具執行各種處理和/或將新的IP核加載到FPGA上，以低成本輕松實現新的DSP算法和無線電協議。

SDR平臺提供多個獨立的發射和接收信道，是實現多功能系統的理想選擇。每個通道都具有專用的數模轉換器（DAC）或模數轉換器（ADC），用于從一個域到另一個域的信號轉換。典型SDR系統的架構由各種模塊板組成，如圖1所示。

圖1：SDR系統的簡化架構

2、雷達及其在當今工業中的應用

雷達（Radio Detection And Ranging）是一種利用無線電波來測量信號所針對物體的角度、距離或速度的技術。該技術在第二次世界大戰期間被首次使用，如今被廣泛應用于包括飛機監測系統和天氣監測系統在內的一系列關鍵任務應用中。

典型的雷達系統由一個發射器組成，該發射器產生并向目標方向發射電磁信號。當發射的信號擊中目標時，信號的一部分被反射回與接收信道相連的雷達天線或天線。來自接收器的反射信號由主機處理。主機計算所需的測量值并將其顯示在屏幕上；例如，它可以計算目標的角度、距離、速度或大小的近似值。

雷達系統使用能夠執行發射和接收功能的多功能天線。雙工器開關通過將發射器和接收器連接到共享碟形天線或天線，來實現在接收或發送模式之間的切換。雷達收發器有不同的形式，并根據應用安裝在不同的位置。這些發射器/接收器通常位于飛機機頭、船舶甲板、軍用車輛、空中交通控制塔和許多其他地方。在飛機和船舶中，多個設備用于支持不同的服務和應用。

雷達系統有不同的形式和配置，以滿足當今應用的不同需求。一些最常見的雷達類型包括合成孔徑雷達（SAR）、多普勒雷達和相控陣雷達。

合成孔徑雷達（SAR）是一種專門的雷達系統，通常安裝在飛機/航天器上，用于創建三維目標的高分辨率二維圖像。利用該雷達創建圖像需要向目標場景發射多個連續的電磁信號脈沖，并記錄反射信號。記錄的回波被處理成圖像，以重建場景。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通常用于測繪和遙感。

多普勒雷達系統利用多普勒效應來計算目標速度的近似值。該雷達測量發射信號和反射信號之間的頻率差，并使用該變化來計算目標速度的準確估計。多普勒雷達通常較輕，常用于探測衛星、航空、雷達炮、氣象和放射學。

相控陣雷達利用干擾原理來組合各個天線元件的輻射方向圖，從而獲得期望的有效輻射方向圖。該雷達具有快速響應時間，可用于不同功能。這種雷達令人印象深刻的性能使其成為一種適合于單一雷達系統用于多種功能的國防應用的選擇。

圖2：SDR，如Per Vices Cyan，允許各種雷達通信能力

雷達是許多關鍵任務系統的核心部件，如軍事和國防、航空、海上導航和氣象系統。如圖2所示，當與軟件定義無線電（SDR）相結合時，雷達系統具有廣泛的功能，并在各種行業中得到應用。

今天的海上導航和防撞系統嚴重依賴雷達技術。海洋雷達系統利用C波段、S波段和X波段，使船只能夠探測其他船只和陸地障礙物。這些雷達系統還為船舶提供方位和準確距離。

在現代飛機中，雷達被廣泛用于各種關鍵系統，包括導航和著陸系統。很大一部分航空波段專用于雷達系統，包括非定向信標（NDB）、測距設備、機載防撞、監視雷達、無線電高度計、機載天氣雷達和機載多普勒雷達系統。

氣象雷達系統具有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的颶風、龍卷風和暴雨監測系統。C波段（5600-5650 MHz）專用于大冰雹或大雨造成的信號衰減不嚴重的地區。最后，X波段（9300-9500 MHz）主要用于短程水文和氣象應用。該氣象波段的一個常見應用是在城市水文中。

3、將SDR集成到雷達系統中

SDR系統的硬件架構允許它們輕松集成到各種復雜的現代雷達系統中。首先，SDR架構允許雷達工程師使用50ΩSMA連接器連接雙工器和功率放大器。基于SDR系統的雷達系統的簡化框圖如圖3所示。

圖3：基于SDR的雷達系統

SDR平臺提供多輸入多輸出（MIMO）信道，是當今復雜雷達系統的理想選擇。高性能SDR平臺提供多達16個信道，從而允許通過單個設備實現利用多信道相控陣系統的雷達。MIMO SDR也是實現由具有不同距離能力的多個雷達天線組成的復雜雷達系統的理想選擇。

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

高性能SDR平臺旨在提供令人印象深刻的噪聲、動態范圍和無雜散動態范圍（SFDR）特性。SFDR定義了基本載波信號的幅度和最強雜散信號之間的范圍。該量通常以dBc表示。SDR平臺提供高SFDR，使其成為復雜雷達系統的理想選擇。此外，SDR系統設計用于提供高靈敏度和低噪聲系數。這與高動態范圍特性一起，意味著單個設備能夠捕獲雷達系統中非常微弱和強烈的反射。

除了無線電前端硬件之外，SDR的數字后端需要高數據回程，以滿足當今苛刻的雷達應用。復雜的雷達系統，如現代空中交通控制系統中使用的雷達系統處理需要傳遞到主機系統的大量數據。高性能SDR系統具有高數據吞吐量40Gbps qSFP+收發器端口，可升級至最高100Gbps。

4、相控陣雷達的波束成形/波束轉向

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

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。調整饋送到天線元件的信號的相位允許操縱輻射的方向。執行相位調整的算法在FPGA中實現。通過簡單地重新配置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向中使用的相移計算

讓我們考慮一個由8個天線單元組成的線性陣列，如圖4所示。為了簡單起見，我們假設饋線中的延遲可以忽略不計。如圖4所示，我們可以畫一個直角三角形，使我們能夠將相移和偏轉角與所施加的相移相關聯。虛線垂直于每個相移波束和相應的天線元件繪制。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。假設期望的波束轉向角為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（l）而言，x與相移有關，如方程2所示：結合等式1和2，我們獲得如等式3所示的相移表達式：

相控陣波束成形減少了重新定位天線陣列所需的時間，并允許傳輸多個數據流。此外，與機械轉向相比，陣列的電動轉向更高效，需要更少的維護。另一方面，相控陣的波束控制會導致更多的功耗。

5、在雷達系統中使用SDR的好處

將高性能SDR平臺集成到雷達系統中有很多好處。首先，單個SDR設備處理多種功能的能力降低了雷達系統的總體復雜性。并且SDR平臺具有高度靈活性和通用性，因為它們利用了可重構組件。而且這些設備具有高度的互操作性，可以集成到傳統和更新的雷達系統中。此外，這些平臺的靈活性使其適用于新部署以及服務壽命延長計劃（SLEP）。

SDR系統的數字后端采用可重構的基于軟件的組件進行各種信號處理操作。由于不需要硬件修改，這種可重構性允許以低成本輕松測試和實現高級算法。此外，由于SDR平臺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。與雷達中使用的傳統無線電系統相比，這些平臺的功耗也更低。

SDR平臺的可重編程性意味著單個設備可以重新配置以執行不同的功能。由于不需要購買多個組件，與傳統無線電系統相比，SDR平臺更具成本效益。除了商用現貨（COTS）平臺，SDR平臺的領先制造商還可以提供定制解決方案，以滿足您的應用程序的特定性能需求。

審核編輯：郭婷