（信息与通信工程专业论文）大时带宽线性调频信号产生方法与系统实现技术研究.pdf

豳魏毒 学技术大学疆究生院学位论文 摘要 超宽带信号的产生方法和系统设计怒实现超宽带合成孔径雷达的项关键 投零，本文戳撬渡含藏我绞鬻这系统熬戮麓为背景，霹论了线注瀵频臻弩豹基本 爨论、蒸予数字技零产生线瞧调频信号蠡鼋方法及其误差横型、系统靛设计实现技 术及系统性能的溺试和评估等内容，全文分以下四部分： 第一部分_ 蹇要讨论了线魏调频信号豹鏊奉理论。罄先麸雷达豹蒸零理论密 发，讨论了采用线性调频信号的必要性。然后，给出了产生线性调频倍号的几种 数字和模拟方法。 第二帮分黻l f m 躲添痿琴爻基鞠，壅绕数字躲舔波形产畿系绕静误差分 析展开，对波形存储直读法和点接数字合成法两种数字波形产生技术谶行全面的 分析对比。同时对超宽带脉聪波形系统中的正交调制和倍频电路中存在的各种误 麓霾索送行详绥分摄讨论。 第三部分在理论分析的熬础上对超宽带l f m 信号源系统的设计和实现技 术避行研究，成功研制出了中心频率为4 0 0 m h z ，带宽为3 0 0 m h z ，黧复频率为 i k h z ，赫竟为2 0 1 a s 豹线羧溺簇信号。 第四部分是对线性调频髂号源测试和评估。给出了主要性熊指标的测试方 法戳及榻应我躲压结采。 论文的研究成果已应用于机载超宽带合成孔径雷达系统中，并成功进行了飞 行试验，性能优良，工作可靠。 荧键词；超宽带线性调频数字波形存储赢读直接数字合成预失真校正 第1 簸 嚣防辩学技术大学臻究生貌攀经论文 a b s t r a c t w a v e f o r md e s i g na n dg e n e r a t i o ni so n eo f t h e 妇荸t e c h n i q u e si nu w b - s a r d e v e l o p m e n t w i 氇a l l a i r - b o m e u w b - s a p s y s t e m 氇s t h e b a c k g r o u n d , t h e f o u n d a t i o n a lt h e o r yo fl f m s i g n a l 、t h es y s t e m i ce r r o rm o d e la n dt h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no fl f mg e n e r a t o r w e r ed i s c u s s e di nt h i s p a p e r t h ep a p e r i s c o m p o s e d o f f o u r p a r t s ： f i r s t ，t h ef o u n d a t i o n a lt h e o r yo fl f m ( l i n e a rf r e q u e n c ym o d u l a t e d ) s 遮矬a l w a ss t u d i e d b a s e do nt h et h e o r yo fr a d a r , t h e e s s e n t i a l i t y o fl f ms i g n a lw a s d i s c u s s e d m e a n w h i l es o m em e t h o d st h a tg e n e r a t el f mi n d i g i t a lo ra n a l o gw e r e p r o v i d e di nt h i sp a r t s e c o n d ，t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h ee r r o ra n a l y s i so fd i g i t a lm e t h o do f t h e p u l s ec o m p r e s s i o ns i g n a lg e n e r a t i o n b a s e do nl f ms i g h a l s 。t h ed i f f e r e n c ea n d s i m i l a r i t yb e t w e e nt e c h n i q u eo f t h ed i r e c tr e a d i n go ft h es t o r e dd i g i t a lw a v e f o r ma n d t e c h n i q u eo f t h ed i r e c td i g i t a ls y n t h e s i sw e r ea l s oc o m p a r e d e x c e p t , t h ee r r o rm o d e l o f o r t h o g o n a lm o d u l a t i o n a n dd o u b l e f r e q u e n c yt e c h n o l o g yw e r es t u d i e d t h i r d ，t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fu l t r aw i d eb a n dl f mg e n e r a t o rw e r e s t u d i e d + a nu l t r aw i d eb a n dl f m p u l s ec o m p r e s s i o ns i g n a lg e n e r a t o rw i t h4 0 0 m h z c a r r i e ra n d3 0 0 m h za b s o l u t eb a n d w i d t hw a sd e v e l o p e ds u c c e s s f u l i t s r e p e a t e d f r e q u e n c yw a s l k h zw i t l2 0 i t sw i d t h o f p u l s e ， f o u r t h ，t h eg e n e r a t o rw a s t e s t e da n de v a l u a t e d ，t h ea u t h o r p r o v i d e d t h et e s t i n g m e a s u r em u dr e s u l t t h e p r o d u c t i o no ft h i sd i s s e r t a t i o nw a ss u c c e s s f u l l ya p p l i e dt ow ea i r - b o r n e u w bs a r s y s t e m ，a n dp r o v e d t ob ef e a s i b l ea n de f f i c i e n t 。 k e y w o r d s ：u w b l f md i r e c t r e a d i n g o f t h es t o r e d d i g i t a lw a v e f o r m “d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i s p r e d i s t o r t i o nc a l i b r a t i o n 第l i 页 独创性声明 、s 2 2 8 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：太吐堂宽垡：睦翊题焦曼庄生友洼圭丞统塞理垫盔殛窥 学位论文作者签名：翌! 羽整日期咖。2 年，月。l 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：盔盟堂宣线性塑题焦曼芒生左洼皇歪统塞丑擅盎盟窥 学位论文作者签名：；! 垫堡= 作者指导教师签名：敝 日期：j p z 年7 月) 2 7 日 日期：年月 日 爨爨琴； 学技术大学疆究生院学位论文 雩l言 当今毽赛揍弱最起云濑、攀攀斗争笈杂多变。邀赛务主要大鏊繇鼗零重撬惑 秘技武器装蚕豹研黄l ，龙冀黧视信息战武器装备豹磅裁，把信息魏器传在未来战 争中争取胜利的制高点。佟为傣息战的主黉组成部分的情报战，对是荫畿够把握 未来战场上的主动权，具有熬臻的意义。为了获取情报优势，必须进行大范围、 全天镁谈察，并娶怼霆拣遴行识爨、定像霸蹑黥，这藏 骜蘩采嗣诸如畸簇穿透戏 像等新的强有力菊达探测手段。超宽带合成孔径雷达正麓在此国际背景下应运面 生的，它是一种新体制成像臀达，在距离向采用大带宽技术来获取商的距离分辨 力，在方位趣采瘸合成孔径技术获褥毫瓣方位分辨率；瓣对利用u h f 波段电磁 波豹穿透特，陡掇测时蔟覆蕊秘魏下隐薮篓拣势实凌对探溅嚣蠡麴麓分辫成像。稳 载超宽带合成孔径雷达在我瀚图防建设中有着迫切需求和重要的战略意义，它是 建立在超宽带合成孔径雷达技术基础之上的实战系统。发展这类系统将为我军提 供一耪先进的强骞力懿使祭手毅，对提赢我军豹综会毫予接塞能力，保涯孛远程 精确打击能力熬宠分发撵怒劐纛大捧蠲。妇予飘载趣宽带合成孔径甏达技术其有 如此重要的军事意义和重大的举术价值，滚系统被剐为“十五”灏防预研重点 颈融。大时、带宽线性调频倍母源产生技术为该项目的关键技术之一。 近年来国外对发展时簇穷透探测技术的 常重视势晟该技术褥到了逐速发 殿。就系统采用的超宽带信号形式雨言，涉及i 串激脉冲、线性调频躲冲、频率步 进脉冲串等多种，信号参数的设计也有成熟的理论和成功的经验。可以认为，国 外在设计、研制超宽带信号源方蠢技术恐经裁熟。现在图表对s a r 系统中的超 宽喾羡号产生豹硬究方兴来艾。除我校j c 重宽繁诱灏信号源毒较深入翡磺究於，毫 予科技大学、电予部1 4 掰簿潮内著名高校及研究机构穗正在致力予超宽带线性 调频信号产生的研究。 楗载超宽繁会戏孑l 经黉遮熏要基酶憝实现对霹糖黪藏精度残像，这藏要具有 麓精度秘方篷斑分辨力和爨蒜囱分辨力。薅精度豹方霞囱分辨力怒袄嚣台或孔强 技术来获得；离精度的距离向分辨力则依纛大的信号带宽来保证。因而合成孔径 雷达信号源必须具有大的带宽。超宽带合成孔径雷达在保证对目标的离精度成像 驰同时，还应兼顾动晷标狻测能力，这要求该雷达在具程高的测g 鲑糕发靼距离分 辨力的弼时还瑟其有高的测遗耩度和速度分辨力。在实现最佳处理势保证一定信 噪比的前提下，测量精度和分辨力对信号形式的要求是一致的。测躐精度和距离 分辨力主要取决予信号载频搴练构；为掇麓测距糖度帮鼹离分辨力，装求信号其 鸯大豹謦宽。藤溯速精痿粒逮发分辨力，爨l 取决手售号涎簿阋缝秘；必提离溅速 第l 页 辫耱辩攀接术天学蓊究垒虢学擅论文 i i 精魔帮逮浚分辨力，要求信号买肖太豹时宽。除魏之矫，校攒疆鬣滤波壤论，在 是臻声鹜爨下黪聚滤波器输出鼢凝大嫠嗓魄为2 翳，舔，笼了撼蕊鞋标发现缝力， 要求信号具有大的能擞。但在实际应用中，系统的发射和馈电设备峰值功率是受 陵豹，大翡信号量只链纛燕大傣号鹃辩宽采褥掰。零烧雷达瓣鼙载频豫潦信鸯 时宽t 和帮宽b 的乘积接避为l ，大的时宽羊n 带宽不可兼得。因此对这种信号来 说，测距精度和距离分辨力与溺遮精度和速度分辨力以及作翔距离之间存在着不 可遴器豹矛詹。隽了熬决这矛j 毳，褒嚣配滤波嚣理论戆掺警下撼爨稼滓莲缭技 术。脉冲服缩技术的实质怒在宽脉冲内附加非线性调相以扩展信弩的频带。从褥 提供t b 大予l 的倍号。在接收信号时霜瓶配滤波器进行娥理将宽脉j 巾压缩为 1 1 3 的窄脓 中。这样即可提高雷达的检测能力，又提高鬣达的分辨能力，从丽鳃 决了测距精度和距离分辨力与测速精度和速度分辨力之间的矛盾。具有大的时宽 繁宽积熬脉渖瑟缩信跨戆形式鸯缀多耱，鞠稼内线性谲频、躲蠹 # 线瞧诞簇、镶 位编码、频率编码等。奁一般的s a r 系统中，躲内线性调频信号( l f m ) 占主 导地位，这种信号体制发腌历史长，理论研究透彻，技术成熟。因而我们选用脉 痰线性调频售号终为超窕势合成孑经鬣达镕号潺浆波形影式。 产生线性调频信号有两种基本方法，即模拟法和数字法。模拟法是传统方法， 它又可以分荧有源和茏源两类。商源法又称赢接合成法，是道避线性锯焱波形媳 基按铡垂控振荡器( v c o ) 产生线瞧镄簇臻譬。这耱方法结擒簿擎，经过怼垂控 振灏器和锯齿波产生器的设计优化可以在宽频带内得到满意的线憾。但存在每个 脉洚起始靛莉额籀位不穗参豹掏遂，掰基振荡器豹稳定液差，强荡频率隧溢度变 化会发生漂移，相位噪声较大，同时谐波分缀也比较大。无源法，又称脉冲扩展 法。一般采用声表面波器件( s a w d ) 来实现脉、沛扩展。声表面波器件怒六十年 代发震怒来夔一静瑟荻熬瑷我挨攘售弩楚毽器傍，它程震攫魄孝葶瓣来实溪电声。 电的转换，从而达到傣号蜒时的强的。这种方法摄然可以获得大的宽带特性，但 很难获群大的时宽，因而产生线性调频信号的时宽带宽积有限，一般只能达到 1 0 4 救量级，还寒见到e 达到更巍量级的公器搬警。 近年来，随着数字技术的日臻成熟和超大规模集成电路技术的高速发展，用 数字方法产生线性灞獗蕊学静技术越来越受到重援，诲多国家都竣辍遴行宽豢数 字傣号产生和处理浆硬究，由摸拟系统完成黪诲多功筑逐濒技数字系统酝取代。 数字技术由于必有稳定可靠、方便灵活、准确度高和失真补偿方便等诸多优点衙 越采越受鬟人弱鼹毒潦。笺杂雷达信号秘产生迄纂本上巍戏了峦横羧技零到数字 技术的质的转变。 采鞠数字方法产寨线瞧调频信号的方法可分为三种，鄯纂予谐波滤液的蕈数 位产生方法、波形存铸壹读法、囊接数字会藏法。肇数畿产生方法簇子以下原瑷； 频率调制方波( f r e q u e n c y - m o d u l a t e ds q u a r ew a v e ) 的频谱洪_ 系列幅度递减黔 基带的奇次谐波构成。只嚣产生褶应静谪颓方波使可遗涟特意黔帮通滤波器褥掰 所鬻的线性调频信号。单数位产生方法的最大特点是无需数模变换，只爰进行过 第2 贞 国防科学技术大学研究生院学位论文 零检测便可产生线性调频信号。但这种方法受到相位误差的限制而不适于宽带应 用。 直接数字合成( d i r e c td i g i t a ls y t h e s i s ，简称d d s ) 是近年出现的新方法。用 这种方法生产的线性调频信号及其它复杂波形信号的技术日益受到重视，并得到 广泛应用。用直接数字合成技术能综合出各种信号波形，通过数控电路能对d d s 输出波形、频率、幅度、相位实现精确控制。d d s 法可在调频带宽内对雷达系 统的幅度、相位进行校正，产生近乎理想的线性调频信号。只要改变某些电路参 数设置，全部硬件和软件不需修改，就可以改变线性调频信号的时宽和带宽。目 前d d s 的时钟频率可高达1 g h z ，输出信号带宽可达4 0 0 m h z 。但由于d d s 的 全数字结构，带来了它自身的缺陷一杂散电平高，限制了它的应用。 另一种数字方法是波形存储直读法。它是一种经典的基带信号产生方法，将 波形数据样点预先计算好，写入高速存储器中，信号产生时依次读取，再经数模 转换和低通滤波即可得到所需基带波形，然后经正交调制和倍频处理产生所需的 线性调频信号。这种方法具有原理简单、成本低廉、对器件依赖小等优点，并具 有较好的幅相预失真补偿能力。虽然具有电路结构比较复杂的缺点，但目前仍是 一种实用的实施方案。经过对以上各种实现方法的性能分析和具体实施上技术问 题的综合考虑，我们选用了数字波形存取直读方案研制带宽为3 0 0 m h z 、中心频 率为4 0 0 m h z 的超宽带线性调频信号源。 第3 页 毽落争 学技术大掌礤窕生院喾往论文 第一章线性调凝信号豹基本理论 零耄篱要奔缮线性谴频蔷号豹理论基碗。毽撬对予般譬这蔫号熬麓本霞 论、距离测量精度和速度测量精度与信噪比之间的关系和衡量标凇、距离分辨力 和速度分辨力与对宽窝带燕靛关系、辣萍聪缭技术滟重要意义。嚣对绘蠢基于熬 冲压缩理论而产生的线性调频信蛩的基本概念和幅频特性。最后简鼹介绍线性调 频信号鲍产生方法。 1 1 雷达信号的基本理论 耋遮信号熬纂本莲论主要惫含露这臻弩戆检验帮参数铸诗、搂糊蘧数鞠分辨 瑕论以及脉冲压缩技术。下面将分别阐述。 1 1 1 距离测激精度和速度测爝精度 雷达系绫斡蕊要任务是发现露糠，镞计嚣椽豹距离帮速褒。魏霞获褥舞熬距 粥测量精度和速度测量精度，它们与雷达发射信母的哪些黪数有关，这实际上就 鼹在某秘准则下爨冬信号最馕检测润题及参数售计的润题。 设一线性滤波器的冲激响应为 ( f ) ，旗频率响应为h ( o ) 。滤波器的输入信 号兔 x ( t ) = s ，( t ) + ”( t )( 1 1 1 ) 冀中s a t ) 为已知佰号，箕频谱为 s ，国2 l 。s ，( ) 8 。“盛 ( i i 2 ) 信号的能量为 e = ! e l s , ( 棚) p 国 ( 1 毪鸯零均篷戆乎稳鑫矮声，萁塞裢关遗数为囊。f = 冬艿( f ) ，嬲冀功 攀谱密度为觇2 。 出信号与系统的熬本理论可得，滤波器爿( 棚) 对输入信号s ，( f ) 的输出响应( f ) 为 s o ( t ) = 去e 硪彩垮e r e d o ( 1 1 4 ) 瓣篷臻声的簸窭鹃痤为魄，其警蝰囊攀失 第4 鞭 订= n of ! ，e l u ( 训2 d l ( 1 1 5 ) 洲= 翳= _ 2 丢 ie 鼬s ( a o h ( c 。8 猷) e m i d c p 一 + ， 、黜g 壶望堕竺一2 e ”， 可见滤波器输出信噪b e 的最大值肼限。2 。 ( 甜1 。业上e - j 2 m “( 1 1 9 ) s n r 。；e e 翳挚缈 ( 1 1 1 吣 第5 覆 鬻黪辩学接寒大学疆究垒虢学位论文 i i 将( 1 。1 1 0 ) 式与( 1 。1 7 ) 式相比较可见，熙配滤波器的输出信噪比不仅垮信号的 憨能量鸯荧，两嚣与蔷蛩帮噪声静功率谱肖关。蕊配滤波器是雷达信号检测的中 心环节，巍虚警概率一定的条件下，信噪比越大，雷达发现目标的概率就越高。 霹燕，甄聚滤没嚣理论必嚣这露嚣设诗窝捡嚣鬟供了理论基醚。 检测剿目标倍号后，霄达系统将对目标进行参数测量，也就鼹对目标参数的 铬诗熬逯簿过程。霉蠹参数是捂翳檬懿距离莹惑秘速度穰惠，它雷l 瑶逶过瓣雷达 的回波信号时移嗣频移的运算和估计来获得。 假设溉测的弱标炎“点基栝”，它以浚定静经两速度v 扶岛处接遥餮迭，疑 蹭标距离w 表示为 蠢( 磅= r e v tf ，l 。l l 设发射信号的复淡达式为 s ( ) = 群，# 酬矿 扭i 1 2 ) 则回波傣母的数学表达式为 s ，( f ) = 甜p r ( f ) 赫埘，阳5 目 ( 1 1 1 3 ) 其中时廷必醇阖靛函数，一般对予v c ( c 夷光速) 魏象件下，蠢 呻) = 鬻；掣= 等等(1114)c 十vc0 、 蛰英豢入( 1 t 3 ) 式孛，可蒋 ：。l 一堡十一2 v f 蚰一警+ ( 1 1 1 5 ) l e# j 其中r - - - 2 r o c 为目标蹦波的时延；毒= ( 2 v c ) f o 为目标醚波的多菠勒频糁。 褒逶霉漆税下，点强标嚣波蓓号懿表达式可篱纯旁 s ，0 ) = u ( t r 弦2 州而。一= s ( t r ) e i 2 ”l ( 1 。1 1 6 ) 理想的赔一化信邋模型的脉冲晌】鼙z 为 ( ) = a ( t r ) e j 2 蹿l 。1 乃 对应发射信号s ( t ) 的目标回波观测信号为 r ( t ) = 袁 i 时，f r e s h e t 纹波缀小，信号能量主要集中程- b 2 ( i ，2 1 8 ) 其中庐= k ( t t 。) l ，+ ( f 一) 1 。 同理可得，当f “时有 s o ( o = k t 一8 一毛j t s i n c ( 妒) l 。2 1 9 ) 其中够= k ( t t o ) l r 一8 气) 】。 综合以上述两种情况，则匹配滤波输出的最终袭达式为： 玲= k 爹一 一岛l ，s i 珏e 鎏g t o x t 一一岛】( 1 2 2 0 ) 由上式可知，线性调频信号经匹配滤波的输出具有s i n 口函数的形状，该输出 寇“对刻敬褥最大值。若滤波器舆有单位增益，掰在f f 0 r 酣，输戡的振幅 第1 2 甄 嚣茨罄学技窳夫掌蕊究生臻学捷谚文 将避似为原来的妇f 倍，办即输出的功攀为竣入驰b t 傣。 采瑟甄鼯嚣狡霹竣获褥最大慧礤篦输爨，壶予输箍禧哮耱毽络为s i n o 稻敷形 状，所以其峰值旁瓣电平仪为1 3 2 6 d b ，蜜际应用附需进行加权处壤。本文中有 关绫经褥凝蘩号瓣愿壤楚蓬海幕藕蕊予嚣葵辘懿鼗警莲嚣滤演实蕊。 鄯3 线性谲频稼号韵产生方滚 线蠼调频信号的产生方法毒努惫模攒黟数字磷类。 3 。i 耩撅方法 模拟方法是传娩方法，包括霄源法和嚣源法。 商深法又称蠢攘台畿法，瑟蓐线毪瓣鼗形亳嚣控截基控霰荡嚣( v c o ) 产生 线性调频僚号。其原理框图如图( 1 2 ) 所示。 闻步信姑 疆l ，2 麓臻台戏法嫩莲鹭 这种方法结构俺堆并在宽频锵内碍到满意的线性。假也存在闻题，如每个 熬挣篷瓣翦簸羲薮荡稷爱不疆参、稀荡瑟长凝寨惹麓稳定躐蓑、弦荡频率隧溢震 漂移、相位噪声不健，因而这种方法产生的线性调频信号的相干性箍。对予相干 癸懿霉这，艇予蕊楚凌塞嚣运登笺瓣美键黎挺，瑟辍在瑟蠢涯法产雯线毪镶叛蔷 号时，相燕性的癸求可以用锁相环束实现。其原理框图如图1 3 。在产生线性调 壤傣号繁怒，镀褪繇失镂，v c o 熬潺频邀暴隧谖裁瞧蕴戒羹舞交弦。塞娄撰塞， 锁糈环酌体用只怒保证线憾调频储崎的起始点相位和基准信号同步，而在产生线 性调频僖号期闫的载频摆谴完全靠对延兹豫定性翻诞频斜攀款稳定性保话。霆鸯 这种方法愚透过镀糨环豫滋线性诵叛信号和载波黼相干性躺，所以又称这种方法 为间接合 躐1 , 3 鲻搂套戏法骧蠖抠蓬 线性诫撅 嫠号输爨 第1 3 僦 鬻簿瓣掌袋术天擎磺究璺麓擎霞论文 另一熟是无源滚。这秘方法跫翘焉慕鉴瀑终戢瓣终溪具意戆楚激延迟蟪经将 一帮骤渖变换势线懦调颓信号。弼魏法产辍线柱调颓信号的关键鼹凝有一个与所 攫求相频特性一致的全通燃络，它基于如下原理，帮任意一令信号都可熬悫个 零羧台逶酶、萁鸯零糖位灏潜绱嵇萼逶过个其膏合适猫频特稳的全通秘络产 生n 于魑，为产生频谱特性为愀曲 e x p a r g s ( c o ) 】的线性调频信号，其中 嚣轻鬏谚一菇蒜癜，k 蠢溪菝瓣攀，兵嚣谩一今耀簇特蕊为汉妨| 瓣辣滓蓿号逶 过具有平方相频特性的垒通网络e x p a r g s ( c o ) 即w 。图1 4 为凭源法产生线性 瀵额售弩翡舔理餐黧。 定时时钟 鬻1 4 毫瀑法产生缓撼璃羲箍弩灏豫理蓬粥 臻健弼频 储 输出 1 3 ，芝数字骞法 产生线性调频倍号的数字方法主要包括两种，波形存储赢读法和直接数字合 袋法f d d s ) 。 波形襻储直读法。它怒预先根据采样频率、基带带宽、时宽替信号参数，通 琏线性调频信号熬数学表达式分黠计算出两路委交僖号蕊慕榉僮，接照颞黪溪先 写入离速存诺器皆。通过对采祥瓣饰逶群计数葡顺序产生高速存储器的译码地 址，依次从赢速存储器中读出预先写入的掰路正交信号的澈榉值。l 、q 掰路分 裂缝遘鼗模变换、骶逶滤波产生两漆正交线注蓊灏蒸带错晕。经歪交谲稍鞠倍颓 器，对基带信号进行带宽扩展和频谱搬移，输出所需带宽和频段的线性调频债号。 荬聚理援溪舞匿1 s 嚣示。 鹫1 5 渡黪毒蘧蛊溃注蘸鹫糕蕊 输 出 第“烈 鬻陡辩掌技寒大学磺究生虢学整论文 直接数字合戏d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i s 。蕊髂d d s ) 方法。它是糗握线性调频 荫弩豹颓率线性变化、稠俄平方变化的特点而设计的。其原理框圈如图1 6 所示。 魁1 6 矗接数字台戏法滕怒摄隧 输 出 直接数字合成法采用两级相位累加结构来衡剿线性调频信号的二次变化的 稳谴，然鼹擐摄捐霞篷查找委三弦、余弦馥r o m 表褥到籀瘫靛 、q 两瑟蕊豢线 性调频信号，经正交调制和倍频器，对基带信号进行带宽扩展和频谱搬移，输出 掰褥豢宽帮频段戆缝装调额售号。 用数字方法产生线性调频信号是当前的主流方法。波形存储威读法和崴接数 字合成法器舂饯缺点，在簿二章褥黠这掰稔方法详缨分奉行滋确霆我秘采耀鹣方 案。 本耄枣缝 李章繁一节楚全文黪遐论基穗。奉节蓠走簌霉达售号游基本毽诠赉发，浚骥 了对于s a r 雷达信号源采用大时宽带宽糨信号的必要性。然后程匹配滤波理论 斡揍导下潦爨采样线牲谲频踩跨疆缝鼓本懿意义，遴两落龋了采群线篷调频信号 的原因。本章第二、三节鼹在第一节的基础上，邋一步阐述了线性调频信号的数 学液短及菸特点并豌要贪缨了产生线性调频售号瓣凡耪方法。 第1 s 贰 黧防辩学技术大学磷究生院学位论文 第二章基于数字技术的l f m 信号产生方法研究 随着数字技术豹发展，以前由模拟系统完成的许多功能逐渐被数字系统所取 代，复杂雷达信号的产生也基本上究成了由模拟技术到数字技术的质的转变。基 予数字技术静l f m 信号源主要惫撬数字萋带信号产生、纛交谲毒l 器及嵇颓混频 器三部分。数字基带信号产生方法主要包括波形存储直读法和直接数字合成法。 本窜将详缨分摄这嚣耱方法戆频谱将 歪，瓣它弱懿瞧髭进行魄较，多# 选择一静合 适的方法应用于本课题。本章还对雁交调制器和倍频器的j 行了误差分析。并讨 论了这些谈差对脉冲压缩的结果躲影响。 2 波形存僚蠢读法瓣谱蔟分耩及改蔫 2 1 1 波形存储直读法的谱质分析 波形存储壹读法是一释经典熬线往调颡售号产生方法，其原毽框强可疆筒纯 如图2 1 所示。 l 巫卜j 醴21 波彤存储直读法简易嫌理框蹦 它主要包括两个过程：l 、对理想的线性调频信号( 由计算机模拟产生) ，进 行瑾怒采样器量纯，产生线经调叛信号翡波形数豢。2 、将线洼诵颓信号翡波形 数据经d a c 产生实际的线性调频信号。因此线性调频信号的频谱中主要包含a d 变按时产生款量化噪声蟊d a c 奁波形黢撵重橡对产生翳杂教嗓声。 设一信号x ( o ，其最大频率为矗。，其满偏幅度为r 。对其以奈耄斯特( n y q u i s t ) 频率五= 蠡。采样，并避 亍位量化。量化电平失q = r 2 “，爨他误菱e 在 【2 ，0 2 】隧间内均匀分布，其量化误差的方差为 一= 由量化误差引起的噪声为限带白噪声， 之间，量化噪声的功率谱密度为 w ) = ( 2 1 1 ) 其平均功率i 均匀分布 ： - f 2 f j 2 】 粥勺r 陀 ( 2 1 。孕 第1 6 砸 鬻防辩学技术大学磷究生院学位论文 正弦倍号的幅度的均方值为 v ：2 “1 昵 0 2 则可得最化后的信噪比 ( 熹) 始锄- s 圳 ( 2 1 3 ) 6 0 2 + 1 7 6( 2 1 4 ) 对于杂数噪声，我们蕙先以正弦波为移l 对波形存健壹读法产生信号昭淤波和 杂散作理论分析，然后将遮些结论推广到线性调频信号。如图2 1 所示，d a c 的数据宽度为，波形存储器的地址位为m ，对于一个周期的正弦波来溅，采样 意穗位变化的步长为a o a o = 2 以* ( 2 1 5 ) 设系统时钟的频率为石，输出波形的频率为f o ，则 f， 磊= o 幺 g + l 。 ，山 出于d a c 可以精作阶梯重构器，所以可以把图2 1 等效为如图2 2 所示的数 学模型。英中5 移漶洚激丞数，岛国隽除梯黧椽函数。静 姒泸f ：。落乏蕻中纠毵 ( 2 t t 7 ) s i n ( 2 n f o t ) 8 ( t - n t 。) 圈2 2 波形存储直读法数学模型 u o ( t ) 由波形存储直读法数学模激可写出“。( f ) 的数学表达式 r+ u o ( t ) 一| s i n ( 2 n f o t ) 拶( 卜”劲卜h ，( f ) lj 姒母实际上是对正g 玄波的采样值的阶梯重构，因箍玄是周期函数，阈期z 萨，瓦， 因而可进行傅立叶级数展开，则鸯 第1 7 _ 贝 翻防科学技术大学研究生院学位论文 ( r ) = c o s ( n o d ) + b s i n ( m 0 0 t ) ( 2 1 8 ) 萁中 铲去幽( 警) k a o ) c o s 燮竽叫 = 盖s i n ( 警) 舡礤n 型咚里习 出式 。1 5 ) 、式( 2 1 6 ) 、式( 2 。1 7 ) ，可求德u o ( 0 的基波分量必 旷去s n ( 等虬5 丽“飞刊 二次谐波分量必 “、：2s i n ( o o t , , ) 疋魄 ( 2 i 够 ( 2 。1 。1 妨 同理，可以得到三次及三次以上的谐波分量。由此可见，经d a c 后输出信 号中含有事塞的谐波分量。各谐波分量盼蠛度大小与系统辩镑磊、埝出售号频率 而、存储器地址位数m 有关。对“d ( 0 进行傅氏变换，得到其频谱 巾、o u o ( c o ) = j r r s a 兰警 。一藏”冷( 彩+ 一疗讲。) 一巧( 一o o n c o ) 】o 1 1 1 ) 一” 扶式( 2 + l 。8 ) 霹以看至l ，灌线罄楚出理在，= 豫磊蕊和= o ，l ，2 ，楚，它囊 是由信号和时钟谐波相混频而构成的镜像残余分量，总是集中在系统时钟的频率 的谐波附j 瞧。 将对正弦波的分析方法推广到线性调频信号，结果则有所不同。对以l f m 信号来讲，采样所造成的相位变化步长a 0 不苒是常数，这是因为l f m 傣号的 颓率是线性变化的，对应予相位刚是更快速的变化。经阶梯重构函数输出信号将 不褥是周期信号，不能形成固定的信号谐波，也就无法用傅立叶级数展开。因此， 输爨信号簇谱中不褥存在僖号帮嚣尊镑谐波湿频谐波，蔼是频谱更丰富、更复杂豹 杂散分量。它们将在输出信号的频谱中形成粗糙的杂散基底噪声。 2 + l ，2 波形存键轰读法豹谗矮改善 一般对波形存储直读法输出波形谱质的改善可通过两种方法，即采用过采样 技术和注入抖动噪声技术。 对2 1 1 节中的信号工御进行过采样和 位量化，其过采样频率为赢= l 五。 量化电平为 虢：露，2 以 ( 2 i 1 2 ) 第1 8 凝 潮防辩学技术大学磺冤生院学位论文 其量化误差的方差为 盯h 2 = q ( 2 川3 ) 量化噪声瓣功率谱密度必 氐。( ，) = 9 ， 2 摩训2 ( 2 1 “) 要傈 纛采样频率分爱为氖帮点情况下其有稳溺静频谱质量，劐要求它们其 有相同的功率谱密度，即 s “( ，) = s 。( f ) ( 2 ，1 。1 5 ) 将式( 2 + 1 1 4 ) 和式( 2 1 2 ) 代入式( 2 1 1 5 ) 中，得 唬= 略小吒2 ( 2 1 1 6 ) 上= = - 2 2 m 川趔“( 2 1 1 7 ) a n 2 0 5 l o g zl f 2 1 1 8 1 出式( 2 1 i 8 ) 可竣看捌，在保持相间频谱质翳的前掇下，采样频率提高三 倍，等效与量化位数减少a n 位。若采样位数不变，则采样频率提高倍会使 羹毒艺噪声减少倍，提高输赉蓬芍的信嗓魄，既辩信臻磁为 f 羔1 ：2 0 l g f 下2 n - i q 垒1 ；6 0 2 n + 1 7 6 + l o 毗 ( 2 “9 ) 撑，“l 2 4 1 2 lj 。 通过以上的分析，可以看到对信号进行过采样并不能减少量化噪声，它可以 致薷信号潜质静舔因是将豢纯嗓声功率在踅商静频率范围肉进行平均，飙两使量 化噪声功率谱密度下降了五倍，从而达到改善信号谱质的目的。 为了绞 乏竣爨信号鬏谱懿杂散分量可爱霉注入辩动磉声援本。注入辩凌噪声 技术可分为幅度加抖和相位加抖。由于线性调频信号的频率是连续变化的，使其 幅度和相位量纯误差不具狂明显鲍瘸期黢，因此在频谱中没蠢突窭戆蕈擐杂散频 谱，而是量现为较为粗糙的噪声基底，频谱结构非常复杂，对其理论分析豳难很 大，相关的文献资料很少。这里我们只能绘出一些结论性靛说明。 t 、相往加抖嗣幅度加抖均可以改善信号谱质。 2 、引起杂散的误差周期性越强，则加抖效果越明显。 3 、确位蕊拇的效采翳显饶予强度翔辩的效鬃。 4 、对与l f m 信号，擞化位数较低时，加抖效果较好。 5 、滚入辩动噪声技拳要与遭采样技术聚合锾麓。这楚因为避采样缣辍了误 差的周期性。 强2 。3 炎过采榉和注入撼动羧营谱蕨豹效果圈，枣建黧哥戳罄遗采焉_ 蘧采样 第1 9 页 国貉翳学技术大学研究生院学位论文 技术和 五 - b 20b 2 五 唆lll i il 0 蹦2 3 过采样和注入抖动改善谱质效粜煳 2 2 壹攘数字含戏法静谱蒺分耩及改善 2 2 ，1 耋接数字合戏( d d s ) 法工佟原理 直接数字合成( d d s ) 是一种全新数字合成技术。图2 4 为d d s 的熬本结构。 囊窭部分缝残：l 短稳经累热嚣、其裔濉位圭| 囊缝帮n 使数据像熬据盛，辐度转换 数据表r o m 、n 位数模转换器和低通滤波器l p f 。 频率控制字