一种正交接收机综合实验装置.pdf

本发明涉及一种正交接收机综合实验装置，包括功能电路板、二次电源模块、操作面板；操作面板上表面设置有输入信号接口，所述操作面板下底面设置有输出信号接口，所述输出信号接口与功能电路板的输入端连接，所述二次电源模块的供电输出端与功能电路板的供电端连接；所述功能电路板包括：随机噪声产生模块、信号相加与变换模块、参考信号产生模块、正交参考分量产生模块、混频模块、带通滤波模块、全波整流模块、平方相加模块、积分模块、门限产生模块、门限比较模块。本发明实现了雷达、声纳寻的系统时域信号处理所涉及到的目标信号检测与参数估计功能，并以此开设自主研究式和综合设计式实验，极大扩展了现有实验装置的使用范围。

1.  一种正交接收机综合实验装置，其特征在于：包括设置在机箱(15)内的功能电路板(1)和二次电源模块(2)，以及设置在机箱(15)面上的操作面板(3)；所述操作面板(3)上表面设置有输入信号接口，所述操作面板(3)下底面设置有输出信号接口，所述输出信号接口与功能电路板(1)的输入端连接，所述二次电源模块(2)的供电输出端与功能电路板(1)的供电端连接；所述功能电路板(1)包括：随机噪声产生模块(4)，用于提供高斯白噪声信号；信号相加与变换模块(5)，用于将操作面板(3)上输入的正弦信号与随机噪声产生模块(4)输出的高斯白噪声信号相叠加，产生包含噪声的输入信号；参考信号产生模块(6)，用于提供方波信号，其信号频率为正交接收机处理所需参考信号的2倍；正交参考分量产生模块(7)，用于将方波信号进行处理，产生两路相位相差90°的参考信号；混频模块(8)，用于将包含噪声的输入信号与两路相位相差90°的参考信号相乘得到两路混频后的输入信号；带通滤波模块(9)，用于将两路混频后的输入信号中的无关频段滤掉，得到特定频段的输入信号；全波整流模块(10)，用于将设定频段的输入信号处理为限幅的整流信号；平方相加模块(11)，用于将两路限幅的整流信号处理为一路带有波动的信号；积分模块(12)，用于将带有波动的信号处理为一个近似直流的信号；门限产生模块(13)，用于提供一个高精度基准电压信号，其电压值由操作面板(3)上的电压控制按钮控制调整；门限比较模块(14)，用于将直流的信号与基准电压信号进行比较，比较结果通过操作面板(3)进行测量或显示。

2.  根据权利要求1所述的正交接收机综合实验装置，其特征在于：所述操作面板(3)的上表面设置有外接电源插座(17)、保险丝(18)、电源开关(19)、外电源状态指示灯(20)、二次电源状态指示灯(21)、信号接入插座(22)、四个接地插座(23)、噪 声设定电位计(24)、噪声接入开关(25)、滤波器设定波段开关(26)、门限设定电位计(27)、输出状态指示灯(28)和至少15个测点端子(29)。

3.  根据权利要求2所述的正交接收机综合实验装置，其特征在于：所述随机噪声产生模块(4)利用齐纳二极管击穿效应经放大产生宽带噪声信号，随机噪声产生模块(4)的幅度通过操作面板(3)调整，所述随机噪声产生模块(4)输出端与信号相加与变换模块(5)输入端之间通过操作面板(3)上的噪声接入开关(25)连接。

4.  根据权利要求2所述的正交接收机综合实验装置，其特征在于：所述参考信号产生模块(6)由单片机产生方波信号，其信号频率通过操作面板(3)上的滤波器设定波段开关(26)进行设定，该频率为正交接收机处理所需参考信号的2倍。

5.  根据权利要求1或2所述的正交接收机综合实验装置，其特征在于：所述正交参考分量产生模块(7)为反向器和J-K触发器组成的分频电路，通过对单片机产生信号一路倒相和二分频处理，形成两路相位相差90°的参考信号。

6.  根据权利要求1或2所述的正交接收机综合实验装置，其特征在于：所述混频模块(8)由模拟开关芯片构成，所述混频模块(8)的输入端同时连接信号相加与变换模块(5)、参考分量产生模块(6)，由信号相加与变换模块(5)输出信号正交参考分量产生模块(6)的输出信号，共同实现输入混合信号与正交参考信号的乘法运算。

7.  根据权利要求1或2所述的正交接收机综合实验装置，其特征在于：所述带通滤波电路(9)由LTC1164芯片和外围配置电阻构成，实现特定频段的带通滤波，所述全波整流电路(10)由桥式检波二极管和运算放大器电路构成，实现限幅全波整流检波。

8.  根据权利要求1或2所述的正交接收机综合实验装置，其特征在于：所述平方相加电路(11)为运算放大器组成的加法电路，完成求信号平方相加的功能，所述积分电路(12)为由电阻电容组成的积分电路，完成对平方相加后信号的积分运算。

9.  根据权利要求2所述的正交接收机综合实验装置，其特征在于：所述门限产生电路(13)由高精度电压源芯片与可调电位计组成，实现基准电压信号的产生，并可通过操作面板(3)上的门限设定电位计(27)调节门限电压输出，所述门限比较电路(14)由电压比较器芯片组成，完成对积分信号和门限电压信号的比较和输出。

10.  根据权利要求1所述的正交接收机综合实验装置，其特征在于：所述正交接收机功能电路板(1)和二次电源模块(2)通过螺栓固定在机箱(15)内部的底板(16)上，操作面板(3)通过电连接线和接插件与正交接收机功能电路板(1)相连，操作面板(3)通过电连接线与二次电源模块(2)相连。

一种正交接收机综合实验装置
技术领域
本发明涉及雷达、声纳、通信等应用领域的信号探测与参数估计技术领域，具体地指一种实现以正交接收机为核心的正交接收机综合实验装置。
背景技术
目标检测与参数估计技术是导弹、鱼雷等精确制导武器的核心技术之一，也是相关专业领域的核心课程之一。现代精确制导武器对目标的探测与识别主要由接收机完成，当前应用最为广泛的接收机形式是正交接收机。实现对目标检测和参数估计原理与应用的理解和掌握是目标检测与参数估计相关课程必须掌握的基础内容之一。如何实现对接收机工作原理与过程的理解和掌握，正交接收机工作原理是关键一环。现有相关课程教学活动中对于正交接收机工作原理的讲解基本采用理论讲授、公式推导等方式，缺乏简便直观的实验装置对整个正交接收机工作原理与过程进行演示、测量和操作，同时现有相关武器装备的实际功能电路异常复杂，不适合用于课堂教学使用，直接影响教学效果。单纯的理论讲解与公式推导难以达到学生掌握精确制导武器目标检测和参数估计方法与原理的目的。
发明内容
针对上述目标检测与参数估计相关内容教学手段中存在的不足，本发明提出一种安装和拆卸简单、方便的正交接收机综合实验装置，实现正交接收机信号处理过程的阶段展示，包括“相乘—— 滤波——整流——平方相加——积分——门限比较”，用于开设基于正交接收机的信号检测与参数估计实验。
本发明提供一种正交接收机综合实验装置，包括设置在机箱内的功能电路板和二次电源模块，以及设置在机箱面上的操作面板；所述操作面板上表面设置有输入信号接口，所述操作面板下底面设置有输出信号接口，所述输出信号接口与功能电路板的输入端连接，所述二次电源模块的供电输出端与功能电路板的供电端连接；所述功能电路板包括：随机噪声产生模块，用于提供高斯白噪声信号；信号相加与变换模块，用于将操作面板上输入的正弦信号与随机噪声产生模块输出的高斯白噪声信号相叠加，产生包含噪声的输入信号；参考信号产生模块，用于提供方波信号，其信号频率为正交接收机处理所需参考信号的2倍；正交参考分量产生模块，用于将方波信号进行处理，产生两路相位相差90°的参考信号；混频模块，用于将包含噪声的输入信号与两路相位相差90°的参考信号相乘得到两路混频后的输入信号；带通滤波模块，用于将两路混频后的输入信号中的无关频段滤掉，得到特定频段的输入信号；全波整流模块，用于将设定频段的输入信号处理为限幅的整流信号；平方相加模块，用于将两路限幅的整流信号处理为一路带有波动的信号；积分模块，用于将带有波动的信号处理为一个近似直流的信号；门限产生模块，用于提供一个高精度基准电压信号，其电压值由操作面板上的电压控制按钮控制调整；门限比较模块，用于将直流的信号与基准电压信号进行比较，比较结果通过操作面板进行测量或显示。
进一步地，所述操作面板的上表面设置有外接电源插座、保险丝、电源开关、外电源状态指示灯、二次电源状态指示灯、信号接入插座、四个接地插座、噪声设定电位计、噪声接入开关、滤波器设定波段开关、门限设定电位计、输出状态指示灯和至少15个测 点端子。
进一步地，所述随机噪声产生模块利用齐纳二极管击穿效应经放大产生宽带噪声信号，随机噪声产生模块的幅度通过操作面板调整，所述随机噪声产生模块输出端与信号相加与变换模块输入端之间通过操作面板上的噪声接入开关连接。
进一步地，所述参考信号产生模块由单片机产生方波信号，其信号频率通过操作面板上的滤波器设定波段开关进行设定，该频率为正交接收机处理所需参考信号的2倍。
进一步地，所述正交参考分量产生模块为反向器和J-K触发器组成的分频电路，通过对单片机产生信号一路倒相和二分频处理，形成两路相位相差90°的参考信号。
进一步地，所述混频模块由模拟开关芯片构成，所述混频模块的输入端同时连接信号相加与变换模块、参考分量产生模块，由信号相加与变换模块输出信号正交参考分量产生模块的输出信号，共同实现输入混合信号与正交参考信号的乘法运算。
进一步地，所述带通滤波电路由LTC1164芯片和外围配置电阻构成，实现特定频段的带通滤波，所述全波整流电路由桥式检波二极管和运算放大器电路构成，实现限幅全波整流检波。
进一步地，所述平方相加电路为运算放大器组成的加法电路，完成求信号平方相加的功能，所述积分电路为由电阻电容组成的积分电路，完成对平方相加后信号的积分运算。
进一步地，所述门限产生电路由高精度电压源芯片与可调电位计组成，实现基准电压信号的产生，并可通过操作面板上的门限设定电位计调节门限电压输出，所述门限比较电路由电压比较器芯片组成，完成对积分信号和门限电压信号的比较和输出。
进一步地，所述正交接收机功能电路板和二次电源模块通过螺栓固定在机箱内部的底板上，操作面板通过电连接线和接插件与正 交接收机功能电路板相连，操作面板通过电连接线与二次电源模块相连。
本发明的正交接收机综合实验装置的工作原理如下：
正交接收机综合实验装置对外部输入的信号进行分步处理，最终完整地再现正交接收机对随机信号的检测与处理过程。具体如下：由操作面板接入的外部信号源产生的信号，可通过开关控制，与可调幅度的随机噪声相叠加，然后分别与实验装置自身产生的两路相位相差90°的参考信号进行混频，混频后信号经过旋钮控制中心频率的带通滤波模块得到特定频段的两路输入信号，再经过全波整流，将特定频段的输入信号处理为限幅的整流信号，再通过平方相加模块，将两路限幅的整流信号处理为一路带有波动的信号，再对其进行积分处理，得到一个近似直流的信号，将该信号与实验装置内部提供的一个可调整的高精度基准电压信号进行比较，最后将比较结果通过操作面板进行测量或显示。
本发明的正交接收机综合实验装置采用上述技术方案，具有如下优点：
通过参考信号产生模块、随机噪声产生模块、正交分量产生模块、混频模块、带通滤波模块、全波整流模块、平方相加模块、积分和门限比较模块的组合使用，完整展现了正交接收机“相乘——滤波——整流——平方相加——积分——门限比较”的运算过程，可以用于正交接收机工作原理的相关实验教学。
以正交接收机综合实验装置为核心，通过信号发生器和示波器等简单通用仪器的辅助，可以实现雷达、声纳寻的系统时域信号处理所涉及到的目标信号检测与参数估计功能，并以此开设信号检测、参数估计以及接收机工作特性测量等自主研究式和综合设计式实验，极大扩展了现有实验装置的使用范围。
本发明结构简单，操作简便，人机工程设计优良，具备高可靠 性，而且拆装方便，易于维修。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图2为本发明的正交接收机功能电路板组成框图；
图3为本发明的操作面板示意图；
图4为本发明的正交接收机综合实验装置的信号流向原理图。
1-正交接收机功能电路板、2-二次电源模块、3-操作面板、4-随机噪声产生模块、5-信号相加与变换模块、6-参考信号产生模块、7-正交参考分量产生模块、8-混频模块、9-带通滤波模块、10-全波整流模块、11-平方相加模块、12-积分模块、13-门限产生模块、14-门限比较模块、15-机箱、16-底板、17-外接电源插座、18-保险丝、19-电源开关、20-外电源状态指示灯、21-二次电源状态指示灯、22-信号接入插座、23-接地插座、24-噪声设定电位计、25-噪声接入开关、26-滤波器设定波段开关、27-门限设定电位计、28-输出状态指示灯、29-测点端子。
具体实施方式
下面结合附图所示实施例详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限制，仅作举例而已。同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。
如图1、图2、图3所示，本发明的正交接收机综合实验装置包括设置在机箱15内的功能电路板1和二次电源模块2，以及设置在机箱15面上的操作面板3；正交接收机功能电路板1和二次电源模块2通过螺栓固定在机箱15内部的底板16上，操作面板3通过电连接线和接插件与正交接收机功能电路板1相连，操作面板3通过电连接线与二次电源模块2相连，操作面板3上表面设置有输入 信号接口，操作面板3下底面设置有输出信号接口，输出信号接口与功能电路板1的输入端连接，二次电源模块2的供电输出端与功能电路板1的供电端连接；功能电路板1包括：随机噪声产生模块4，用于提供高斯白噪声信号；信号相加与变换模块5，用于将操作面板3上输入的正弦信号与随机噪声产生模块4输出的高斯白噪声信号相叠加，产生包含噪声的输入信号；参考信号产生模块6，用于提供方波信号，其信号频率为正交接收机处理所需参考信号的2倍；正交参考分量产生模块7，用于将方波信号进行处理，产生两路相位相差90°的参考信号；混频模块8，用于将包含噪声的输入信号与两路相位相差90°的参考信号相乘得到两路混频后的输入信号；带通滤波模块9，用于将两路混频后的输入信号中的无关频段滤掉，得到特定频段的输入信号；全波整流模块10，用于将设定频段的输入信号处理为限幅的整流信号；平方相加模块11，用于将两路限幅的整流信号处理为一路带有波动的信号；积分模块12，用于将带有波动的信号处理为一个近似直流的信号；门限产生模块13，用于提供一个高精度基准电压信号，其电压值由操作面板3上的电压控制按钮控制调整；门限比较模块14，用于将直流的信号与基准电压信号进行比较，比较结果通过操作面板3进行测量或显示。
操作面板3的上表面设置有外接电源插座17、保险丝18、电源开关19、外电源状态指示灯20、二次电源状态指示灯21、信号接入插座22、四个接地插座23、噪声设定电位计24、噪声接入开关25、滤波器设定波段开关26、门限设定电位计27、输出状态指示灯28和至少15个测点端子29。
随机噪声产生模块4利用齐纳二极管击穿效应经放大产生宽带噪声信号，随机噪声产生模块4的幅度通过操作面板3调整，随机噪声产生模块4输出端与信号相加与变换模块5输入端之间通过操作面板3上的噪声接入开关25连接。参考信号产生模块6由单片 机产生方波信号，其信号频率通过操作面板3上的滤波器设定波段开关26进行设定，该频率为正交接收机处理所需参考信号的2倍。正交参考分量产生模块7为反向器和J-K触发器组成的分频电路，通过对单片机产生信号一路倒相和二分频处理，形成两路相位相差90°的参考信号。混频模块8由模拟开关芯片构成，混频模块8的输入端同时连接信号相加与变换模块5、参考分量产生模块6，由信号相加与变换模块5输出信号正交参考分量产生模块6的输出信号，共同实现输入混合信号与正交参考信号的乘法运算。带通滤波电路9由LTC1164芯片和外围配置电阻构成，实现特定频段的带通滤波，全波整流电路10由桥式检波二极管和运算放大器电路构成，实现限幅全波整流检波。平方相加电路11为运算放大器组成的加法电路，完成求信号平方相加的功能，积分电路12为由电阻电容组成的积分电路，完成对平方相加后信号的积分运算。门限产生电路13由高精度电压源芯片与可调电位计组成，实现基准电压信号的产生，并可通过操作面板3上的门限设定电位计27调节门限电压输出，门限比较电路14由电压比较器芯片组成，完成对积分信号和门限电压信号的比较和输出
本发明的使用步骤如下：
(1)完整实验系统由1台正交接收机综合实验装置、1台两路示波器、1台信号发生器和1台万用表构成。其中，信号发生器用于产生模拟回波信号；正交接收机综合实验装置用于进行回波信号的正交接收处理；示波器用于观察处理过程中各阶段的信号波形；万用表用于测量基准电压。
(2)接通示波器、信号发生器的电源，开机检查设备状态，确认正常后连接两路示波器的信号线和一路信号发生器的输出信号线。
(3)外接实验装置的交流220V电源供电后，“～220V”指示 灯将点亮，显示外接电源正常；
(4)接通“电源”开关，即可对实验装置实施供电。内部稳压电源产生±12V直流电源(二次电源)供内部电路使用。该供电状态通过“+12V”与“-12V”指示灯指示，并可通过对应的测点，使用数字万用表测量具体的二次电源电压值。
(5)目标回波信号由外接的信号发生器产生并进行幅度频率调整，通过“信号接入”插座引入，并可通过“测点1”插孔进行测量和观察。输入的目标回波信号被限幅为9Vpp，以防止造成后续电路损坏；
(6)实验装置自身产生高斯白噪声信号，其幅度通过“噪声设定”电位计进行调整，调整倍数10～20倍。放大后的噪声信号通过“噪声接入”开关控制是否接入；一旦接通“噪声接入”开关，可以通过“测点2”测量和观察噪声信号。
(7)输入的模拟目标回波信号与噪声信号在实验装置内实现线性相加，模拟干扰环境下的目标回波信号，可以通过“测点3”观察混响混合输入波形。
(8)参考信号由实验装置内的单片机控制产生，其频率可通过“滤波器设定”波段开关设定。基于开关混频器的工作原理，这里的参考信号为方波信号，其波形以及移项90°后的波形，可分别通过“测点4”和“测点5”观察。
(9)输入混合波形分成两路，分别与相位相差90°的两路参考信号进行开关混频处理，混频后的两路波形可分别通过“测点6”和“测点7”观察；两路信号基频仍将保持90°相位差。
(10)混频后的信号经过中心频率为5kHz，带宽为150Hz的带通滤波和放大处理，得到低频信号。滤波放大处理后的两路波形可分别通过“测点8”和“测点9”观察；两路信号仍将保持90°相位差。
(11)滤波放大后的带通信号经过全波整流后，可分别通过“测点10”和“测点11”观察；两路信号中的交流成分仍将保持90°相位差。
(12)对正交处理的两路信号进行平方相加，其输出波形可通过“测点12”观察。
(13)对平方相加后的信号进行积分与放大处理，得到正交处理结果，其波形为具有一定幅度的直流信号，可通过“测点13”观察；
(14)实验装置基于高精度电压基准芯片产生门限电平，并可通过“门限设定”电位计连续设定该门限电平值，可使用万用表通过“测点14”测量门限电平信号，并观察调整门限的结果。
(15)实验装置内部通过高精度电压比较器实现对正交处理后的信号与门限信号的比较，其结果为0V低电平输出或者+12V高电平输出，其状态可通过“输出指示”灯显示，并可通过“测点15”观察输出信号波形。
下面以导弹雷达寻的、鱼雷声纳寻的等寻的系统对目标进行主动探测为例，说明本发明的工作原理。由于信道和目标的调制作用，反射回波中携带有目标信息，寻的系统接收机就是通过对接收回波进行空间时间处理实现对目标的检测与参数估计的。针对不同的目标类型与环境条件，人们建立了多种目标散射模型，其中慢起伏点目标模型作为一种最有实用价值的模型而得到广泛应用。慢起伏点目标模型的形式为s(t)＝Acos(ωt+θ)，其特点是回波信号的振幅和相位是随机的，同时伴有时间延迟和多普勒频移。其中随机振幅A服从瑞利分布，随机相位θ服从均匀分布。
根据统计检测理论，在高斯白噪声背景下检测随机振幅和随机相位目标(慢起伏点目标)的最佳接收机为正交接收机，这也是各类寻的系统实现目标检测和参数估计应用最为广泛的接收机形式。 其基本原理为：对于具有随机振幅和随机相位的目标回波信号，利用三角变换公式，可以把它分解为两个正交信号，这两路正交信号的振幅分别为振幅分别为Acosθ和Asinθ，是随机的；而相位分别为ωt和ωt+π/2，是非随机的。对于这样两个振幅随机而相位非随机的信号，可以用两路互相关器处理来分别实现最佳处理。由于分解出的两路信号是正交的，因此对应的参考信号也必须是正交的，因此产生了正交接收机的结构，见图4。
图4中左半部分就是完成对两路正交分量的互相关运算。但是仅仅如此还不够，因为两路正交分量的振幅还分别含有cosθ和sinθ这样的与随机相位有关的项。为了消除随机相位的影响，将两路相关器的输出进行平方求和处理，这样最后得到的接收机输出Z²就完全与随机相位无关了，因此实现了在随机相位条件下的最佳处理。根据正交接收机数学表达式和结构形式，其基本运算包括相位相差90°的两路参考信号的产生、输入混合波形与参考信号的相乘、积分、平方相加、门限比较等。直接按照基本正交接收机的“相乘——积分——平方相加——门限比较”过程进行电路复现其功能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。