多种雷达接收机的特点分析

第32卷 第 lO期 2010年 10月 现 代 雷 达 Modem Radar VDj．32 NO．1O 0ct．2Ol0 ·，良／发技术 · 中图分类号：TN948．55 文献标志码：A 文章编号：1004—7859{2010}10—0084—03 多种雷达接收机的特点分析 朱祖德 (南京电子技术研究所， 南京 210039) 摘要：根据雷达接收机的主要任务，提出了接收机实现的多种途径，通过对模拟接收系统的研究，及超外差式接收机、直接 下变频接收机、镜频抑制接收机、数字零中频接收机等雷达接收机技术的分析对比，给出了多种雷达接收机的特点和使用 前景。其中由于超外差接收机采用了两次变频的技术措施和本身独具的优点 ，是当前雷达接收机的主流模式 ，但是随着 模数变换电路(ADC)的性能进一步提高，直接数字接收机技术的发展将会成为未来雷达接收机的一大趋势。 关键词：雷达接收机；超外差接收机；数字接收机；模数变换电路 Analysis of Different Radar Receivers ZHU Zu—de (Nanjing Research Institute of Electronics Technology， Nanjing 210039，China) Abstract：According to the main task of the receiver in radar system，several ways are introduced to design the receiver．Through researching of analog receiver system and comparing of technology used in main kinds of receivers．such as super heterodyne re— ceiver，direct down—converting receiver，image rejecting receiver，digital zero‘intermediate frequency receiver．The character and application of those receivers are given．Although the super heterodyne receiver is used most popularly in radar system at present， because of its advantage in image rejection and well to process the intermediate frequency，the direct digital receiver will become to be more popular than other receivers in the future with the development of analog to digital conve~erg performance． Key words：radar receiver；super heterodyne receiver；digital receiver；analog to digital conve~er 0 引 言 作为雷达系统的重要组成部分——雷达接收机， 其性能优劣会直接影响雷达系统的整体性能。如接收 机的噪声系数则标定了接收系统的灵敏度⋯，直接影 响雷达的使用效果；其组合频率干扰的优劣会直接影 响雷达虚警性能；其稳定性又是信号处理系统可以准 确分析信号的基础，因此搭建一个合理的高性能的接 收机是至关重要的。在进行接收机之前要根据指 标先对其构架作整体性规划，可以有效地避免对接收 机的二次修改，有效提高工作效率。 通常接收机由2部分组成，即模拟接收机和数字 接收机。模拟接收机承担将宽带射频信号，分段、分时 地搬移到中频，输入给数字接收机采样、下变频、抽取， 再分 I／Q通道输出。其中数字接收机主要部件为模数 变换电路(Analog to Digital Converter，ADC)，它制约着 模拟信号向数字信号转化的带宽和动态范围，模拟接 收机的构架也要参见ADC的指标搭建。至于数字接 收机的下变频、t／Q通道等功能，都可以在现场可编程 通信作者：朱祖德 Email：15366006188@189．cn 收稿日期：2010-06—18 修订日期：2010-08．15 — 84 一 逻辑器件(FPGA)中实现，实现方式较为容易，且性能 稳定，在此就不多做讨论了。 l 对模拟接收系统的研究 模拟接收机作为整个接收系统比较靠前的部分， 需要完全无失真的将信号在频谱上分割和搬移。如果 在此过程中引入任何干扰都将严重影响雷达性能，因 此对本部分的设计要尽可能细致周密，去掉任何不合 理的因素。所以在设计接收机时通常要考虑以下4个 方面的问题。 (1)选择特性。接收机要能从众多的信号中将所 需要的信号选出来，因而其选择特性要比较好，要想得 到好的选择特性对滤波器的要求就比较高。例如常用 的并联谐振回路滤波器，其选择特性如式(1)，对于相 同品质因数(Q值)的滤波器，选出相同带宽的信号， 在低频更加容易实现。因此，在设计接收机时应尽可 能将信号搬移到低频，用选择性好的滤波器进行滤波。 Js： ：_二 === (1) L，一T，， 、 一 一 ＼ ， L o， 1+f O 1 √^ 、～ ∞o／ · 杖／发技术 · 朱祖德：多种雷达接收机的特点分析 (2)灵敏度及动态范围。对于任何接收机都有其 灵敏度要求，在此我们所说的灵敏度指的是接收机所 能接收的最微弱的信号功率。 Pi|I，rrI 等=(瓮)( ) (2) 式中：P i 为最小可检测到的输入信号，即灵敏度； P⋯i 为最小的输出信号功率；G 为接收机增益；N。= B[ +(F一1)7"o]G 为接收机的输出噪声功率。 P =kB[ +(F一1)To](SNR)o,mJn (3) 式中： 为参考绝对温度； 为噪声温度；(SNR)。 为 输出信噪比。当此值为 1时，可得接收机的基底噪声 F。=kB[Ta+(F一1) ] (4) 接收机的动态范围，指的是从基底噪声到 1 dB压 缩点(对此上限的规定会因系统要求的不同而不同) 的功率范围。当信号的功率变化在动态范围之内时， 接收机的输出功率将与之相应线性变化。 (3)没有内部串扰。模拟接收机在混频时，都会 产生镜像干扰和组合频率干扰，因此在设计接收机构 架时应尽量将这些干扰选在带外。 (4)成本问题。合理的选择接收机的构架，尽量 少选择极端指标的器件，用常见器件实现系统搭建。 1．1 接收系统常见类型 在一般的通信系统中，常见的接收机设计分为以 下5种类型： 1．1．1 超外差式接收机 如图 1所示，其关键器件是下变频器，将射频信号 RF与本振信号 (OLO混频后为中频信号 1F= RF—O)LO (若本振频率高于射频则 = 。一 )，再用滤波 器去除和频信号实现频谱搬移。 ~／LoCOS／DLOt 图 1 超外差式接收机基本框图 使用此有3种优点： (1)中频信号频率比射频信号频率低很多，可用 较低 Q值的器件完成选频的要求； (2)接收到的信号较弱，需要对之进行高倍放大， 可在高频、中频、基带 3个频段上进行放大。这样可以 大大降低在单一频段上过度放大所带来的不稳定性； (3)在较低的固定中频上 A／D变换也相对容易， 按照奈奎斯特定理，采样主频一般应是信号最高频率 的2倍，因此在中频采样可大大降低难度。 但是此方案也有缺点： (1)由于变频会引入很多组合频率干扰。所谓组合 频率干扰是由混频器的非线性特性而引起的，当信号通 过混频器时所产生的高阶项与基带信号和本振组合或外 部混入的信号(∞，与 为外部信号)而产生频率在通带 内，女口IpOJLo±g(￡，RFI或是IPWLO±(，孔∞l+，z(￡J2)I。 (2)镜像干扰的引入。如图2所示，镜像干扰与 射频信号相对，分别位于本振信号的两侧，一旦与射频 信号一起进入混频器，中频滤波器将再也无法把它们 分开，而且镜像干扰通常都很大，对有用信号影响十分 严重，是必须要滤除的。一般使用反混叠滤波器，把镜 像信号进入混频器前就滤除。 ==： ．= g_ @lO 甜 像 COS(D【Dt 图2 镜像干扰不意图 图2中，如果镜像频率与射频信号相距两倍中频 时，如果选用高中频则很有利于滤除镜像干扰，但是这 又为中频滤波器的选择性带来难度。考虑到此种方案 的缺点，通常会采用两次变频的超外差式接收机构架， 第 1次变频将频率搬到高中频，以提高镜像频率抗拒 比；第 2次变频将频率变到低中频，降低选频难度。 1．1．2 直接下变频接收机 如图3所示，让本振频率等于射频，混频得到零中 频信号。 图 3 直接 。F变频方案 使用此方案的优点很明显： (1)因为中频为零，所以没有镜像干扰； (2)整体构架十分简单，大大降低了器件间的匹 配性要求。 但是缺点也很明显： (1)本振泄露。本振信号与射频信号频率相同， 一 旦混频器口间隔离不高，本振信号就会从射频口输 一 85 — 现 代 雷 达 出，再被上一级电路反射回来与本振信号 自身混频也 会形成频率为零的信号，干扰有用信号； (2)低噪声放大器(LNA)的偶次谐波是失真干 扰。当2个相近的干扰信号进入 LNA时，由LNA的 非线性的偶次项的差频(接近零频)，会因混频器的射 频口与中频口隔离不好而进入基带信号，造成干扰。 (3)直流偏差。外部干扰会串人到混频器的本振 口再与从射频口进入的干扰混频，也会形成零频率信 号，造成干扰。 (4)只能在混频前放大信号，混频后则无法再用 有源器件，因为会引入直流干扰。 1．1．3 镜频抑制接 收机 在射频信号与本振信号混频时，会产生镜像信号 W 它与射频信号 肛分别在本振信号 ∞的两边。如图 4所示使用相互正交2个本振信号来与射频信号混频，再 将其中一路相移90。然后叠加，即可得到中频信号： 出 图4 镜频抑制方案 设射频输入信号为 V =VR COSO)RFt，镜像干扰信 号为 i (t)=Vi COSO)i t作为输入信号与 2个正交信 号 COSO) 。t和 sinmLot混频，并经过低通滤波器滤除和 频分量得到 一 致；(2)正交要精确，两路的信号要精确的差 9O ，否 则抑制会不完全。 1．1．4 数字零中频接收机 本方案是 2次变频超外差接收机的一个变种，即 使用数字接收机完成第 2次变频功能。这样也可精确 控制 AD后所产生的信息，而且转化成数字信号后抗 干扰性能会大大增强。但此种方案对 ADC的性能要 求会比较高，包括 ADC的采样主频和输入功率。 1．1．5 直接数字式接收机 即当 LNA和滤波器之后直接使用 ADC对信号进 行采样，接收机所用的功能全在 FPGA中实现。此方 案可以避免由模拟接收机引入的各种干扰问题，并且 很方便将接收机尺寸做小，信号较早的转化为数字信 号，接收机的可靠性也会大大增加。不过所选择的 ADC要有做够高的采样频率和足够深的位数，如采样 频率 1 GHz的 ADC可以采 500 MHz带宽的信号，16 位的ADC可以支持动态范围80 dB以上。由于受 AD 性能的限制，这种方案在以前很难实现，可喜的是随着 ADC性能的提高，可以支持越来越高的采样频率，直 接数字式接收机将会是未来的发展方向 。 2 结束语 本文讨论了多种雷达接收机的构成方式，重点分 析对比了每种方式的优缺点。超外差接收机是当前最 主流的设计构架，而直接数字式接收机会成为未来的 发展趋势。 ( + ( ⋯ ％ ：孚。。 ∞m一 + 。 ∞∞一 [2] (6) 式中：(OJL0一∞RF)<0，( L0一∞i )>0，因此 (t)相 移90。后变为 。： ( 一 )一VimCOS-S--cos O)LO O)RF t -S-cos(O．)LO—tOi )t c= 一 一 — m (7) 再将 ， 。合并相加得到中频输出为 IF= c+ B =VRFCOS(“JL0一 RF) (8) 这样就可以完全抑制掉镜像频率的干扰。 这种方案要求：(1)2条支路必须完全一致，包括 本振的幅度、混频器的增益、低通滤波器的特性都必须 一 86 一 [4] 参 考 文 献 Hashemi H．The indoor radio propagation channel[J]．Proc． IEEE，1993，81(7)：943—968． 弋 稳．雷达接收机技术[M]．北京：电子工业出版社 ， 2006． Yi Wen．Receiving technology of radar[M]．Beijing：Elec- tronie Industries Publishing Company，2006． 窦玉江．太阳射电观测的微波技术研究[D]．北京：北京 师范大学，2009． Dou Yujiiang．The research of microwave technology on solar radio observations[D]．Bering：Bering Normal University， 2009． 胡 进．数字脉压有源相控阵雷达接收机动态问题[J]． 现代雷达，2003，25(5)：51—54． Hu Jin．Question about the dynamic domain of the receiver with di tal pules—compression for active solid phased array radar[J]．Modem Rader，2003，25(5)：51—54． 朱祖德 男，1956年生，本科。研究方向为射频通信技术 及雷达研制技术管理等。