（电路与系统专业论文）基于DDS的雷达信号源前端设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 自1 9 7 1 年第一次被引入以来，直接数字频率合成( d d s ) 技术一直是频率 合成技术研究的热点。随着数字集成电路和微电子技术迅速发展，d d s 频率合 成技术已广泛应用于通信、导航、雷达等众多领域。 本文详细介绍了雷达信号的基本理论、直接数字频率合成( d d s ) 以及锁相 环( p l l ) 的基本原理和特点，并着重研究了d d s 信号产生器的设计和实现。 为了充分利用d d s 和p l l 这两种基本频率合成技术的优点，该雷达信号源采用 了d d s + p l l 的设计方案。该方案的实现主要包括两大部分，其一是低频d d s 信号产生部分，其二是高频信号合成部分。作者完成了整个d d s 信号产生器的 设计流程，包括方案设计、硬件电路设计、以及v h d l 程序设计。低频d d s 信 号的产生是通过采用可编程逻辑器件f p g a 配置专用d d s 芯片的方法来完成的。 该d d s 信号产生器可以灵活地产生单频信号、线性调频( l f m ) 信号、以 及步进频率脉冲( s f p ) 信号等不同类型的信号，以满足不同的需求。 关键字：直接数字频率合成 信号源 锁相环线性调频 可编程逻辑器件 a b s t r a c t d i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i s ( d d s ) t e c h n o l o g yh a sa l w a y sb e e nt h e h o t s p o to fs t u d yo nf r e q u e n c ys y n t h e s i st e c h n o l o g y , s i n c ei tw a si n t r o d u c e di n1 9 7 1 f i r s t l y w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fd i g i t a li n g r a n dc i r c u i ta n dm i c r o - e l e c t r o n i c s ， d d sh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nm a n yf i e l d s , s u c ha sc o m m u n i c a t i o n , n a v i g a t i o na n d r a d a re t c i nt h i sp a p e r , t h eb a s i ct h e o r yo fr a d a rs i g n a l ，a sw e l la st h ef u n d a m e n t a l sa n d f e a t u r e so fd i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i s ( d d s ) a n dp h a s el o c k e dl o o p 口l l ) a r ed e s c r i b e di nd e t a i l a tt h es a m et i m e ，t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no f s i g n a lg e n e r a t o r b a s e do nd d sa r ee m p h a s i z e di n t h i sp a p e r i no r d e rt om a k e sf u l lu s eo ft h e a d v a n t a g e so fd d sa n dp l l ，ap r o j e c tb a s e do nd d s + p l l i sa d o p t e di nt h er a d a r s i g n a ll 它s o u l c e t h er e a l i z a t i o no ft h ep r o j e c ti sm a i n l yc o m p o s e do fw o op a r t s 1 1 1 e f i r s tp a r ti sl o wf r e q u e n c ys i g n a lg e n e r a t o rb a s e do nd d s ，a n dt h es e c o n dp a r ti sh i g h f r c q u a n c ys i g n a ls y n t h e s i z e r 1 1 a u t h o rc o m p l e t e st h ew h o l ed e s i g nf l o wo ft h e s i g n a lg e n e r a t o rb a s e do nd d s ，i n c l u d i n gp r o j e c td e s i g n ，h a r d w a r ec i r c u i td e s i g na n d v h d lp r o g r a m m i n g t h eg e n e r a t i o no fl o wf r e q u e n c ys i g n a lb a s e do nd d si s c o m p l e t e db ym e a n so f f p g a c o n f i g u r i n g d d s c h i p m a n yd i f f e r e n ts i g n a l s ，s u c ha ss i n g l et o n es i g n 丑l ，l i n e a rf r e q u e n c ym o d u l a t i o n ( l f m ) s i g n a la n ds t e p p e d - f i e q u c n c yp u l s e ( s f f ) s i g n a le t c 。c a na g i l e l yg e n e r a t e db y t h i ss i g n a lg e n e r a t o rf o rs o m er e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：d i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i s p h a s el o c k e dl o o p l i n e a rf r e q u e n c ym o d u l a t i o n s i g n a lr e s o u r c e p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个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中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学 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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：臼塑荔日期：丝生 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论 文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在一年解密后适用于本授权书。 本人签名：鱼塑勇 日期：2 皇上生 导师签名：毯煞 日期：鲨垒：! ：! 三 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文的研究背景和意义 雷达的原意是。无线电探测和测距”，即用无线电方法发现目标并测定它们 的空间位置。随着雷达技术的发展，雷达不仅要能够测量目标的空间信息( 距离、 方位、俯仰) ，而且还要能够测量目标的速度，以及从目标回波中获取更多的目 标相关信息。雷达的信号形式对于目标参数的检测、估计精度、目标识别能力、 以及雷达抗干扰能力都有着深刻的影响，是雷达总体设计的重要内容之一。根据 雷达的体制、用途、性能的不同要求，需要设计合适的雷达发射信号波形；由此 可见，研究雷达信号源具有重大的意义。 早期的雷达信号主要是连续波信号和普通脉冲调制信号；在实际应用中，目 标参数的检测能力和精度受到限制，已远远不能满足现代战争对雷达发展的要求。 现代战争要求雷达要有抗干扰、反隐身、自身生存的能力，因此要求雷达信号具 有快速的频率捷交、波形参数捷变、以及自适应跳频的能力。早期的雷达信号源 主要采用于p l l ( 锁相环) 技术，该技术不能满足现代雷达信号频率捷变、波形参 数捷变、以及自适应跳频的要求。然而，d d s 技术是一种全数字技术。该技术从 相位概念出发合成所需要的波形；同传统的频率合成技术相比，d d s 频率合成技 术具有频率分辨率高、相位变化连续、频率切换速率高、能够对输出信号进行调 制等优点；能够满足现代雷达对信号的要求。正是基于以上优点，d d s 频率合成 技术已逐渐成为频率合成技术的发展方向。 现代雷达技术要求雷达信号源所产生的雷达信号必须具有高稳定性、高精确 度的特性。为了满足信号源的这种高要求，有必要深入研究信号的频率综合技术； 其最终目标就是能够研制出具有低相位噪声、高纯度频谱、高速率频率捷变和高 输出频段特性的频率合成系统，从而满足现代雷达商精度高分辨力的功能要求。 将最先进的频率综合技术应用到雷达信号源设计上，无疑可以更好的满足雷达“中 频”高稳定性的要求，也为精确地进行雷达信号处理提供了强有力的工具。 1 2 国内外d d s 研究的现状 现代雷达技术的日益发展，使得系统对信号源的要求也越来越高；即要求信 号源产生的信号频率应越来越准确和稳定。因为整个系统性能的优劣在很大程度 上取决于信号源的性能。正因为如此，对于提高信号源性能的频率合成器的研究 也越来越受到广泛关注；从而使得频率合成器技术在短短的几十年内发生了两次 2 基于d d s 的雷达信号源前端设计 巨大的飞跃。下面，将简要介绍雷达信号源频率合成器所采用的相关技术。 1 1 直接频率合成技术( d s ) 。该技术是最早的频率合成技术，它主要由谐波发生 器、滤波器、倍频器、分频器和混频器等几个部分组成，由一个或多个参考频 率来合成某个特定的频率。直接频率合成技术具有频率捷变快、频率分辨率高、 相位噪声低和工作频率高等优点。但是它所采用的硬件设备要比其它方法多得 多，结构复杂，体积庞大；而且它的输出端会出现无用( 寄生) 频率。这就要 求用高性能的滤波器，使得成本昂贵，这种缺点大大抵消了其在多功能、速度 以及灵活性等方面的优点。 2 ) 锁相环频率合成技术( p l l ) 。在6 0 年代末7 0 年代初出现了锁相频率合成，或者 称之为间接频率合成( i s ) ，完成了频率合成技术的第一次飞跃。i s 是建立在相 位负反馈的理论基础之上，主要利用锁相环路的同步保持特性，近年来又引入 变模分频( 也称吞脉冲技术) 、小数分频以及多环锁相等新技术，性能已相当 完善，是目前应用最广泛的一种频率合成技术。但其频率分辨率与频率转换时 间二者之间相互矛盾，难以兼顾，虽然采用上述新技术，但并未从根本上解决 这一问题，所以有些场合下必须辅以其它频率合成技术方能满足要求。 3 ) 直接数字频率合成技术( d d s ) 。该技术引入的近3 0 年间，随着技术和器件水 平的提高，使得该技术得到飞速的发展。d d s 在相对带宽、频率转换时间、相 位连续性、正交输出、高分辨率以及集成化等一系列性能指标方面，已远远超 过了传统频率合成技术，完成了频率合成技术的第二次飞跃。它具有许多传统 频率合成方法所难以或根本无法获得的优点，但在d d s 发展初期，由于受工作 频率低和不可避免的量化噪声的影响，d d s 技术未能受到重视。近年来随着数 字集成电路和微电子技术的发展，d d s 技术也迅速发展并逐渐走向实用。随着 这种频率合成技术的发展，其已广泛应用于通讯、导航、雷达、遥控遥测、电 子对抗以及现代化的仪器仪表工业等领域。 纵观整个直接数字频率合成( d d s ) 技术的发展历程，我们将它大体上分为 三个阶段： 1 ) 2 0 世纪7 0 年代，美国人j t i c r n c y 第一次提出了d d s 的概念和主要原驯“， 引起了国际学术界的广泛重视，许多人开始接触全新的d d s 技术。但限于工 艺和技术原因，d d s 技术远远不能够达到实用，这个时期的发展十分缓慢。 2 ) 2 0 世纪8 0 9 0 年代，学术界掀起了对d d s 频谱质量 2 - 6 1 进行研究的热潮。许 多学者开始从理论上研究d d s 输出杂散较大这一阻碍其发展的瓶颈问题。 n i c h o l a s 建立了杂散信号模型，对d d s 相位截断引起的杂散进行了深入的探 讨，并以数论为基础得到了一些有益的结论。随后，( a r v e y 和b a b i t c h 从波 形分析角度、k r o u p a 从傅氏角度都进行了类似的讨论。在深入研究、认识了 d d s 杂散成因及其分布规律后，对d d s 杂散抑制的成果便不断出现。其中包 第一章绪论 括对d d s 相位累加器的改进、r o m 数据压缩、抖动注入技术的使用、利用 扰码来抑制杂散以及对d d s 工艺结构和系统结构的改进等等。这一阶段，d d s 的理论基础更加完善，一些d d s 技术的关键问题被解决。 3 ) 2 0 世纪9 0 年代至今，由于理论上的完善、工艺的提高、以及实现方式的简便 化，促成了a d 、q u a l c o m m 和s t a n f o r d 等公司一系列性能优良的d d s 器件 不断出现，一些芯片的工作频率可达i g h z , 频率分辨率可达m h z ，排除d a c 限制，杂散指标可达7 0 d b 以下。利用这些专用芯片，惠普、泰克等公司开始 研制基于d d s 的各种信号源。d d s 技术不仅用于频率合成领域，也广泛应用 于通信、雷达、电予对抗等领域。 从d d s 频率合成技术的发展历程来看，目前全世界对d d s 的研究已经从最 初的理论研究发展到现在的应用研究。由于其工作频率受限，些高性能的专用 d d s 芯片虽已投入使用，但其适用的频率范围并不大。因此，目前d d s 频率合 成技术的应用还仅限于低频信号的频率合成；但其良好的频率合成性能则可以保 证为高端频率合成器提供稳定、精确、灵活的频率基准源。 1 3 本论文研究内容及安排 本文内容是基于某型雷达小型化的基础而展开的，采用d d s 频率合成技术进 行本雷达信号源前端的研制。结合工程实践，本文详细地介绍了雷达信号波形设 计理论、d d s 直接数字频率合成原理、d d s 信号频谱分析、p l l 锁相环原理等 方面的内容；并在此理论基础上，着重研究了基于d d s 的雷达信号源前端的设计 与实现。 基于d d s 的雷达信号源前端设计的基本方法是：采用可编程逻辑器件f p g a 配置专用的d d s 芯片a d 9 8 5 4 ，从而灵活地产生多种雷达信号；最后将产生的低 频正交信号送入矢量合成器。该方案不仅能够用于雷达信号的产生，还能够模拟 雷达回波信号。实践证明，采用该方案设计的雷达信号源能够灵活地产生各种所 需的雷达信号波形；同时满足雷达信号的实时处理要求，并且系统的工作性能稳 定、可靠。 论文的主要内容共分为四章：第一章是绪论，简要介绍基于d d s 频率合成技 术的雷达信号源研究的背景、意义以及国内外的研究现状。第二章是有关雷达信 号的波形设计理论，主要介绍了线性调频信号、步进频率信号；并在此理论基础 上，对l f m 脉冲信号和s f p 步进频率信号进行计算机模拟以及数字脉冲压缩处 理的计算机仿真。第三章是雷达信号源的设计方案，详细介绍了d d s 原理、p l l 锁相环原理、系统方案的软硬件构成及指标。第四章介绍了雷达信号源前端的设 计与工程实现，给出各功能模块的硬件设计及说明，其中包括了a d 9 8 5 4 芯片介 4 基于d d s 的雷达信号源前端设计 绍和相关电路设计、f p g a 相关技术及内部模块设计、低通滤波器与信号放大器 设计等；最后对该系统前端的d d s 信号产生器进行了测试和性能分析。 最后，论文对本文所作的工作做了简单的总结，并对现有的硬件设计提出了 改进和完善的方案，可供相关工程技术人员参考。 第二章雷达信号理论及模拟分析 第二章雷达信号理论及模拟分析 本章简要介绍雷达信号波形形成的基本理论，主要涉及模糊函数在雷达信号 波形设计中的应用、以及两种典型雷达信号的模拟分析，为本文的研究工作提供 必要的理论基础。 2 1模糊函数在雷达信号波形设计中的应用 2 1 1 模糊函数的概念及意义 在信号理论中，信号的模糊和信号的分辨是两个对立的概念；模糊指的是信 号的不可分辨性，而分辨指的是信号的可分辨性。 雷达信号的模糊函数是模糊数学理论【_ 1 应用到雷达领域的一个重要成果，是 对雷达信号进行分析研究和波形设计的有效工具。模糊函数仅由发射信号的波形 决定，它不仅能够描述雷达信号的分辨特性和模糊度，而且还能够描述由雷达信 号决定的测量精度和杂波抑制特性等。因此，在涉及到雷达信号波形设计的领域， 首先要研究的问题就是信号的模糊函数问题。 2 1 2 模糊函数的性质及应用 一、模糊函数的性质 由于目前还不能做到事先根据目标环境和使用要求给定模糊函数，然后求出 所需的信号形式；所以只能做到大体上选择一种信号形式，找出其模糊函数，然 后将它与实际的要求相比较。经过这样的若干次选择、比较后，才能找出合适的 信号形式。根据模糊图的观点来看，雷达信号可分为四种类型：正刀刃形( 单个 矩形或高斯形单载频脉冲) ，剪切刀刃形( 若脉内线性或非线性调频脉冲就属此 类) ，图钉形( 纯噪声信号是理想的图钉形，相位编码脉冲信号和噪声调频信号是 非理想的图钉形信号) ，钉床形( 相关脉冲串信号) 。 在进行雷达信号的波形设计时，模糊函数的以下性质可以作为信号波形设计 时的参考。 1 ) 原点对称性 2 ) 原点有极大值：这一特性的物理意义在于，模糊图函数的最大点也就是差平 方积分准则的最小点，即最难分辨的点。因为在这点上两个目标在距离上和径 向速度上均没有差别，所以无法分辨。 3 ) 模糊体积不变性：模糊曲面下的总容积只取决于信号的能量，而与信号形的 式无关；这种关系称为“模糊原理”。这表明，在信号能量一定的情况下，选 取不同的信号形式，可以得到不同形状的、与特定的目标环境图相匹配的模 6 基于d d s 的雷达信号源前端设计 糊曲面。例如，可在需要分表目标的区域内使模糊图的体积分布小些，从而 提高信号的分辨力。 4 ) 变换性 5 ) 轴切割性。 二、模糊函数的应用 模糊函数的应用很广，除了能确定信号的分辨力以外，它还可用来分析信号 本身所具有的测量精度、杂波抑制性能和模糊情况。其具体应用体现如下： 1 ) 分辨力：模糊函数是从分辨力的角度导出的，其值越小，两个目标之间的差 异越大，表明分辨能力越强。模糊函数在原点值为1 。此时两目标完全重合， 无法分辨。将模糊函数与目标环境图结合起来，可以观察分辨情况。当数个目 标同时存在于目标环境图上，其中一个是待观测目标时，其余目标都是干扰目 标。此时可以将模糊图的原点直接重合到目标图上的待测目标上。如果干扰杂 波或目标落到模糊椭圆之内，则不能分辨，否则，就是可以分辨的。 2 ) 模糊情况：有些信号除了在原点存在模糊函数的主峰外，在其他地方还按一 定规律分布着尖峰模糊瓣。当干扰信号落入模糊瓣内，则会造成混淆。当 设计波形时，我们应尽量避免回波信号落入模糊瓣内。 3 ) 测量精度：若没有噪声，根据匹配滤波器【8 1 的输出可以精确地复现信号的模糊 函数，有主峰的位置可以精确地估计目标的参数，即目标距离和相对径向速度。 若存在噪声主峰的最大值位置会产生偏移，带来测量误差。主峰越尖锐，噪声 引起的主峰值的偏移越小，目标距离、速度的测量精度越高。 4 ) 输出功率波形：模糊图函数可以看成是匹配滤波器响应模值平方的组合，因 此可以用来描述匹配滤波器对目标环境图中的匹配目标与邻近目标的输出功 率波形。 5 ) 杂波的抑制性能：若已知目标环境图，将它与目标环境图重叠，观察主峰与 杂波干扰是否交叠，可以迅速地判断此种信号在这种环境下是否适用，也可以 用这个方法选择在此种环境条件下适用的波形。若在杂波干扰区内，模糊函数 iz ( r ，善) 1 2 = 0 ，则此波形具有良好的杂波抑制能力。 2 1 3 距离速度二维的信号模糊函数及其联合分辨力 设雷达发射信号的复数表达式为： s ( t ) = u ( t ) e j 2 o ( 2 - 1 ) 其中，u ( t ) 为信号的复包络。假设有两个不同距离、不同速度的目标：如果 以观测目标“l ”作为基准目标，其具有零时延和零多普勒频移特性；以观测目 标“2 ”作为干扰目标，其相对于基准目标“1 ”具有“时延+ ”和“多普勒频移+ ”， 则目标“l ”和目标“2 ”的回波表达式为： 第二章雷达信号理论及模拟分析 7 f s ，i ( f ) = s o ) = 甜( f ) p 业4 0 【s 2 ( ，) = u ( t + r ) e 口州小肿 则目标“1 ”和目标“2 ”之间的方差为： f 卜1 s ，( f ) 一：( 0 1 2 d t - - 2 e - 2 r e “( ，) “+ ( ，+ f 弦2 办a t ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 其中，e = f ”( ，) i d t ；i “( f + f m d t 。定义信号复包络的时间一频率复合自 相关函数为模糊函数，其表达式如下： z ( f ，正) = “( f 如( f + f ) e j 2 4 。d t ( 2 - - 4 ) 由此可见，模糊函数是决定相邻目标分辨力的唯一因素；它越大，分辨力相 应地就越小，两个目标就难以分辨。根据雷达测距和测速的要求，可将雷达信号 的模糊函数分为“距离模糊函数”和“速度模糊函数”，其定义如下： 距离模糊函数： z ( r ，0 ) = “( f ) “o + f 砂= l u u m 2e s 2 和d f ( 2 - 5 ) 速度模糊函数： x ( o ，兀) = b ( f ) 1 2 e j 2 1 c , a d r = u ( ，) u ( f - f a ) d f ( 2 - 6 ) 称l z ( r ，纠。为模糊图函数。以此绘成的时延一频移一功率幅度三维空间图形 称为信号的模糊图，它上面某一高度( 如3 d b ) 的截面称为二维模糊度图。 2 2 两种典型信号的模糊图分析 2 2 1 宽带线性调频信号模糊图分析 在研究雷达分辨力问题时，我们通常将模糊函数的定义式写为： x ( r ，口) = is ( f ) ( t ) d t( 2 7 ) f 为时延t d ，口为多普勒展宽因子d s ，s ( r ) 为发射信号，其传递速度为一常数 c ，墨( r ) 为一以恒定径向速度v 运动的“点目标”的回波信号，可表示为： s ，( r ) = s ( l 二)( 2 - 8 ) 口 其中，口：。- - v ，f ：2 rf 9 1 ，r 为目标距离。在大多数的实际应用中，由 c 十vc v 于目标速度远小于波形的传播速度，则有： 基于d d s 的雷达信号源前端设计 口一：坐：燮；l + 翌 c v 1 一； o 通常，雷达发射信号s ( ，) 表示为窄带信号，即： ( 2 9 ) s ( r ) = r e r ( t ) e x p ( j 2 n f d ) 】 ( 2 - 1 0 ) 其中，r ( f ) 为信号的复包络，五发射信号载频。由于目标速度v 的存在，回 波信号相对于发射信号存在多普勒频移；所以回波信号母( r ) 可以写为： s ( t ) = r e r ( t - r ) e x p j 2 z t ( f o + 厶) ( f f ) 】( 2 - 1 1 ) 1 其中，多普勒频移兀* - ”t ，a 为发射信号波长。通常定义窄带模糊函数为： z ( r ，口) = e s ( t ) s + ( f r ) e x p ( j 2 期f a t ) d t ( 2 1 2 ) 然而，在许多应用中，将信号近似看作是窄带模型是不合适的，多普勒的影 响不再是简单的载频频率的移动，它对信号复包络的影响也是非常重要的。对于 ， 雷达应用，窄带的假设仅仅在占r “兰时成立，这里且r 为时宽带宽积，当b r 较 z v 大时，窄带的假设是不成立的。为了获得较高的距离速度分辨力和较好的杂波抑 制，我们通常采用宽带模型，将( 2 8 ) 式代入( 2 7 ) 式中得到： z ( f ，口) ：广s ( f ) s ( ! 二三) 西 一 口 ( 2 q 3 ) 即为标准的宽带模糊函数的表达式。其中，z ( r ，口) 是关于f ，口的二维表达 式，但采用宽带模型将大大提高信号的速度分辨力，下面将对l f m 信号的宽带 模糊函数做具体的分析。 这里我们将线性调频信号的表达式写为： 鼬) = r e c t ( t t ) e x p ( j 2 嘁t + j m # 2 ) ( 2 - 1 4 ) 其中，彤c r ( ，乃为信号包络，r e c t ( 睾) - - 1 ，q t i 2 乙，且当h 瓦时，厄( f ，孝) = o ，所以，s f p 信号的模糊函数在时频面上 的分布呈多条平行于频率轴的模糊带形状，且相邻模糊带不会互相重叠。因此， 对( 2 - - 1 7 ) 式取模后可得： 懈剧= 专，蓑。，畔渊当茅篝剥 lz , ( r - p r , ，善一以) i 第二章雷达信号理论及模拟分析 肌讹钏：半 h i r i 1 时，菲涅尔纹波很小。信号的 振幅谱接近于矩形。图2 9 所示是不同时宽带宽积的线性调频信号的振幅谱： ( a ) b t = 2 0 0 的振幅谱嘞b t = 2 0 的振幅谱 图2 9 不同时宽带宽积线性调频信号的振幅谱 由图2 9 可以看到，b 丁值越大，即时宽带宽积越大，线性调频信号频谱的振 幅谱越接近于矩形，信号脉压处理的结果越理想。 2 3 2 线性调频信号的脉压输出 在雷达系统中，当要求雷达探测目标的作用距离增加时，应增加信号能量， 在发射机平均功率允许下，可以通过增大脉冲宽度的办法来提高信号能量，但在 简单矩形脉冲条件下，脉冲宽度直接影响到距离分辨力和测距精度时。为保证上 述两个指标，脉冲宽度的增加明显受到限制，若雷达通过对信号的载频和相位进 行调制发射大的时宽带宽信号，则可以提高雷达的距离分辨力和测距精度，当雷 槲嗍 嗍矧删揣卜 地 一咕申 呦 啪 ：_2iq ：_i=lt， 第二章雷达信号理论及模拟分析 达发射这样的信号时，接收端就要有相应的匹配滤波器来接受信号使其压缩变窄， 这种处理就叫脉冲压缩处理。线性调频信号的脉冲压缩是通过匹配滤波实现，线性 调频信号经过匹配滤波器后的输出为： _ y ( f ) = 函伽 妒+ ；) 虔2 椰) 协 ：2 厄m ( 申i ；) 手。2 石( 善+ r t ) 础 ( 2 - 2 8 ) = 厨毫攀笫e m ( 料厅 上式说明当掌= 0 时，输出函数具有s i n c 函数包络。制b 主瓣宽度为1 曰，第 一旁瓣相对高度为一1 3 6 d b 。如果输入的脉冲幅度为l ，匹配滤波器在通带内幅值 为l ，即无增益，则输出脉冲主瓣幅度为肼2 = 而：西；这里 d = b t = r o b 1 表示输入脉冲和输出脉冲的宽度比，称为压缩比。线性调频信 号的瞬时角频率： q = 警= 2 万矗+ z t ( 2 2 9 ) “i 在脉冲宽度f 内，信号角频率由( 2 矾一i u r l 2 ) 变化到( 2 矾+ l u r l 2 ) ，调频带 宽为b = f ，调频斜率为：= b r 下图是对带宽b = i m h z ，发射脉宽r = 6 0 u s ，采样频率，：= 2 m h z 的线性调 频信号的脉冲压缩( 即经过匹配滤波器) 后的输出结果： 蕾一阡韵 ( a ) 不加窗的输出结果( b ) 加窗后的输出结果 图2 1 0 匹配滤波器脉压输出信号 根据相关理论可知，线性调频信号脉冲压缩的输出波形具有辛克函数的性质。 靠近主瓣的第一副瓣的值较主峰值只低约1 3 6 d b 。太大的副瓣会影响对邻近弱目 标的检测。因此通常要采取措施来改善副瓣的性能，可以采用失配于匹配滤波器 豹准匹配滤波的方法来改善副瓣性能，主要是时域或频域加权。 1 6 基于d d s 的雷达信号源前端设计 从图2 1 0 中的( a ) 图可以看出，脉压输出信号的第一副瓣电平比主瓣低约 1 3 6 d b ，压缩后的信号脉宽约为f ，= 1 ，2 u s ，与理论分析结果相一致；但是，主瓣 旁边的副瓣对其存在干扰，为了抑制副瓣的干扰，这里采用了h a m m i n g 窗函数进 行加权。图2 。1 0 中的( b ) 图给出了加窗后的脉冲压缩结果，从中可以看到副瓣干扰 得到了很好的抑制。 2 4 步进频率信号的模拟与分析 步进频率信号是一种宽带信号，它是通过多脉冲相参合成处理来获得距离高 分辨力；这种脉冲合成高分辨体制雷达与其他高分辨体制雷达相比，可以获得更 高的距离分辨力，且系统复杂性低、成本低、易于工程实现。如果在窄带脉冲相 参体制跟踪雷达中采用步进频率信号，就可以通过脉冲合成处理使雷达具有较高 的距离分辨力；从而在原有基础上增加目标成像与识别的功能。 现代频率合成器良好频率稳定性和相干性为步进调频脉冲信号在实际雷达 系统中广泛应用提供了有力保证；因此，研究与开发脉冲合成高分辨雷达就有很 高的实际应用价值。一串步进调频脉冲信号的时域波形如图2 “所示： 图2 1 i 步进频率脉冲串波形 步进频率信号进行工作的基本思想是：它是通过发射一串窄带的宽脉冲，脉 冲宽度为五，脉冲的重复周期为疋，每个脉冲的载频都是均匀步进的，其步进值 为g 。脉冲数为n ，将这串脉冲的回波信号与其载频的本振信号进行混频采样后， 得到一串复数值，对此复数值进行逆离散傅立叶变化( i d f t ) 。得到合成的距离 像。其信号处理框图如图2 1 2 所示。 箍囤蠢誓团熙离豁蟹 l 围 图2 1 2 步进颓率信号的处理框图 第二牵雷达信号理论及模拟分析 1 7 其处理过程如下： 一个步进频率波形，幅值为置，第i 个发射脉冲为 x f ( f ) = 口，p 2 卿+ ”，i t z t i t 2 + t( 2 3 0 ) 其中只是第i 个脉冲的初相位，：= f o + f 鲈雷达发射信号的波长远小于目 标尺寸，工作在目标的光学区，目标的后向散射回波可近似为目标上各散射中心 回波的合成。回波信号为： y ，( f ) = b fp ，2 硝一7 卜岛，f 疋+ f o ) t f 疋+ + f ( f )( 2 3 1 ) 其中，f ) = 2 ( r v t ) c 是回波延迟，y 为目标与雷达的径向速度，置是第i 个 回波脉冲的幅值。震为目标上散射点到雷达的径向距离本振信号为： z ，( f ) = 一p j 2 斫+ 岛，f 疋t ( f + 1 ) 疋( 2 3 2 ) 在t = 嘎+ 瓦2 + 2 r i c 处得到的混频输出的采样信号为： f 氍( f ) = 4 e 1 2 咖 1 纯( f ) ：- 2 顽【丝一型。正+ r , 2 + 2 r 埘】 g 。3 lf f 其中，4 是第f 个脉冲回波信号的幅值，仍( f ) 为正交混频器输出的采样相位。 对每个发射脉冲而言，混频器输出信号的个采样值是目标在频域响应的采样， 每组脉冲串的个复数采样通过i d f t 变换，归一化的对域合成脉冲输出为： 鳓聋萄蒜嚣”州 s + ，一半形s 啦p 一半弘叭 u 对( 2 3 4 ) 式求取绝对值，贝| j 有： i 驯= l s 十一半形心齿u 一半一， 由此可见，c 一3 5 ) 式精确地表示出在时间点2 r c 上的合成距离像。其物理 意义非常明显：步进频率信号的频谱是以矽为间隔的线性离散频谱。总带宽 b = v 故步进频率信号的频率响应是以a f 为抽样间隔的，在进行i d f t 后具 有距离高分辨力的效果。 假设步进频率信号的发射脉冲宽度互= o i a s ，脉冲重复周期瓦= 2 0 0 i s ，频 率步进值鲈= i 0 m h z ，脉冲个数为n = 1 2 8 ，初始载波频率为五- - 9 8 g h z ，采样 1 8 基于d d s 的雷达信号源前端设计 频率丘= 2 可= 2 正；则通过计算机仿真得到该步进频率信号的脉冲合成一维距 离像如图2 1 3 所示： 翻雁站曩是薅o e o e 睡膏分辨事”7 1 8 8 l 图2 1 3 步进频率雷达的脉冲合成距离像 第三章雷达信号源的设计方案 第三章雷达信号源的设计方案 众所周知，雷达的工作频段主要在s 波段以上。由于受d d s 器件的最高频 率的限制，仅仅依靠d d s 技术进行雷达信号源频率合成是不现实的。为了充分利 用d d s 和p l l 这两种频率合成技术的优点，该雷达信号源采用了d d s + p l l 的 设计方案。在该方案中，依靠d d s 技术来完成信号源前端稳定、精确的频率基准 的设计，依靠p l l 完成信号源的输出频率的合成。该方案设计的频率合成器具有 捷变快、频率建立时间较快、相位连续以及动态范围大等优点。在以下章节中， 将对该方案进行详细叙述。 3 1直接数字频率合成( d d s ) 技术 3 1 1d d s 技术的基本原理 直接数字频率合成( 叻s ) 的理论依据是时域抽样定理，即一个频带限制在 【o ，正2 1 i - i z 范围内的时间信号八，) ，如果以t = l ，正秒的间隔对它进行等间隔抽 样，则信号将该抽样值完全地确定。也就是说，此信号f ( t ) 可以由其采样值完全 的恢复过来。d d s 正是基于这样一个原理而形成的，它将一个阶梯化的信号( 采 样信号) 通过一个理想的低通滤波器，从而得到原始的连续信号厂( r ) d d s 的工作原理如下图所示。它由相位累加器、存储器r o m 、数模转换器 d a c 及低通滤波器( l p f ) 组成。相位累加器根据输入的频率控制字( 相位控制码) 的不同，输出相位序列作为地址去寻址r o m ，r o m 里存放的是要输出波形的一 个周期的幅值编码，这样就从r o m 中得到一系列的离散的幅度码。该幅度码经 d a c 变换后得到模拟的阶梯电压，最后经过低通滤波器后，即可以得到所需的输 出信号。 。w $ 砭j i i i j - j 图3 1d d s 原理框图 由以上原理图可知，直接数字频率合成( d d s ) 的数学模型可归结为：在每 一个时钟周期瓦内，频率控制字量与比特相位累加器累加一次，并同时对2 一取 模运算；得到的相位值以二进制代码的形式对r o m 进行寻址，输出与该相位值 基于d d s 的雷达信号源前端设计 相对应的数字化幅度值；再经过数模转换器d a c ，完成离散信号到连续信号的转 变；最后经低通滤波器滤波即可得到所要的输出信号。由图3 1 可知，d d s 的输 出频率是： r f o = 号正( 3 - - 1 ) 二 当k = i 时，d d s 有最小的频率输出，则d d s 的最小频率分辨率是： 1 鹭。= 寺 c ( 3 - - 2 ) 二 3 1 2 直接数字频率合成( d d s ) 的特点 正是由于d d s 采用全数字技术，从概念到结构都有很大突破，所以它具有 其它频率合成技术所无法比拟的优点。 1 ) 频率分辨率高。由( 3 - - 2 ) 式可知，当正确定后，频率分辨率仅由相位累加 器的位数n 决定。理论上讲，只要n 的位数足够多，就可以得到足够高的 频率分辨率。例如n = 3 2 ，正= 1 0 0 m h z ，频率分辨率可达0 0 2 3 h z ，这是其它 频率合成技术很难做到的。 2 ) 工作频段较宽。根据n y q u i s t 定律，只要输出信号的最高频率分辨率分量小 于或等于正，2 ，就可以实现。而实际中，由于受低通滤波器( l p f ) 设计及 杂散信号分布的限制，仅能做到4 0 f 。左右。所以采用d d s 频率合成技术， 几乎可以合成从直流到0 4 f 。的所有频率。 3 ) 超高速频率转换时间。可以做到岬量级，这对实现高速跳频极为有利。显 然，z 越高，捷变速度越快。 4 ) 频率改变时，输出相位连续。改变频率控制字k ，相位增长率改变，但输出 相位保持连续。这在跳频通信和一些调制技术中是很有好处的。 5 ) 可产生宽带正交信号。因为根据d d s 的原理，只要相位累加器同时寻址两 个所存幅值正交的r o m ，分别通过数模转换器( d a c ) 和低通滤波器( u ) f ) ， 就可以在很宽泛围内获得比较精确的正交信号。 6 )具有任意波形输出能力。只要在r o m 中存储所需波形的幅值，即可得到所 需要的波形。 7 )具有调制功能。d d s 是相位控制系统，由于它采用数字信号处理技术进行频 率合成，所以在调制上具有许多便利条件。 8 ) 集成度高，体积小，易于微机控制。 同时，根据d d s 技术的原理可知，它主要存在以下两点不足之处： 1 )杂散分量丰富，d d s 的杂散分量主要由相位舍位、幅度量化以及d a c 的非 理想特性所引起。对频率杂散的分析和抑制，d d s 频率合成技术的研究热 点；因为它从很大程度上决定了该频率合成技术的性能。 第三章雷达信号源的设计方案 2 ) 输出频带受限，因为d d s 的最高输出频率一般限制在o 4 正以下，但随着高 速e c l 和g a a s 器件的出现，频带限制已明显改善。但在高端频率合成技术 中，还得结