（电路与系统专业论文）通用雷达接收机建模与实现技术.pdf

摘要 本论文用p c 机进行建模研究，建立通用雷达接收机和信号处理机系统的数学 模型，并对目前数字接收机及软件无线电，超宽带雷达接收机等热点问题进行了 阐述。通用雷达接收机的实现技术部分按照名牌专业建设中雷达雷达对抗实验设 备的研制要求进行了电路设计和信号处理子模块软件的编写和调试工作。 本论文的主要工作有：通用雷达接收机的任务和需求分析，现代雷达接收机 的作用，组成和性能指标分析，现代雷达接收机和信号处理机的建模，雷达接收 机和信号处理机的部分功能模块的仿真研究，通用雷达接收机的实现技术等。另 外，通用雷达接收机的实现技术为雷达雷达对抗教学提供了良好的实验设备，有 助于学生对雷达系统有更深的认识，了解雷达系统的工作过程，性能指标等，有 助于提高该名牌专业的水平。 关键词：雷达系统建模数字接收机信号处理d s p a b s t r a c t t h i sp a p e ru t i l i z e dt h ep e r s o n a lc o m p u t e ra st h et o o lo fr e s e a r c h ，p r e s e n t st h e m a t h e m a t i c a lm o d e la n ds i m u l a t i o nr e s e a r c ho ft h eg e n e r a lr a d a rr e c e i v e ra n ds i g n a l p r o c e s s i n gs y s t e m ，d i v i d e s t h er a d a rr e c e i v e ra n d s i g n a lp r o c e s s i n g a sf u n c t i o n m o d u l e s ，i n t e g r a t e dw i t ht h eh o tf o c u s e so fd i g i t a lr e c e i v e ra n ds o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ， t h i sp a p e ra l s od e s c r i b e st h el a t e s td e v e l o p i n go fr a d a rr e c e i v e ra n ds i g n a lp r 6 c e s s i n g i nt h ec h a p t e rf o u r , t h i sp a p e rp r e s e n t st h ec i r c u i th a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n o ft h eg e n e r a lr a d a rr e c e i v e r t h i sp a p e ra l s od e s c r i b e st h eu w br a d a rr e c e i v e ra n d s o m es i m u l a t i o nr e s e a r c ho ni t t h em a i nw o r k so ft h i sp a p e ra r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ，t h et a s k sa n dn e c e s s i t y a n a l y s i so f t h eg e n e r a lr a d a r r e c e i v e r , t h ef u n c t i o n sa n dp e r f o r m a n c e so fm o d e mr a d a r r e c e i v e r , t h em o d e l i n go fr a d a rr e c e i v e ra n ds i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m ，t h es i m u l a t i o n o nt h ef u n c t i o nm o d u l e sl e v e l ，t h er e a l i z a t i o no fg e n e r a lr a d a rr e c e i v e r t h i sp a p e r d e s c r i b e st h eg e n e r a lr a d a rr e c e i v e ra n ds i g n a lp r o c e s s i n gs u b s y s t e mi nd e t a i l ，g i v e s t h ef u n c t i o na n dp r i n c i p l eo fm a i nm o d u l e s ，m o d e l i n ga n ds o m es i m u l a t i o nr e s u l t f u r t h e r m o r e ，t h er e a l i z a t i o no fg e n e r a lr a d a rr e c e i v e rp r o v i d e sg o o de x p e r i m e n t s e q u i p m e n t sf o rr a d a r r a d a rc o u n t e r m e a s u r e s0 0 u l s e s ，h e l pt h es t u d e n t st og r a s pt h e r a d a r s y s t e mc o n c e p tf u r 如c f k n o w t h ep e r f o r m a n c e so f t h er a d a rs y s t e m 。f a m i l i a rw i t h t h ew o r k p r o c e s s o fr a d a r s y s t e m ，m a k e a p r o g r e s si nt h i sm a j o rc o u r s ee d u c a t i o n k e y w o r d ： r a d a r s y s t e mm o d e l i n g s i g n a lp r o c e s s i n g r a d a r d i g i t a lr e c e i v e r d s p 创新性声明 y 6 9 5 9 4 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，除了文中特剐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 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) 本人签名：壹敏 导师签名：赶整 日期 埘 - 以 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文产生的背景及意义 一系统建模 随着科学技术的飞跃发展，系统建模与仿真已逐渐成为一种独立于理论研究， 试验研究的基本科学活动。如果没有军用计算机仿真技术的支持，各类导弹武器 系统，军用电子系统和航天工程技术的发展不会像今天这样迅速。特别是通过两 次海湾战争中的应用，检验了仿真试验的作用，证明仿真技术给作战方案的制定 与修改带来显著的效果，使美国军方对仿真技术的发展更加重视，采取了一系列 的政策、措旖，加强对仿真技术发展的领导，协调和管理，将仿真作为七大技术 推动力之一，并要求在原有基础上，建立更加先进。高效，一体化的建模与仿真 设施。建模原则： 现实性：根据系统研究的目的，要求所建模型能确切地反映和符合实际系 统，因此一定要把系统的本质属性和关系反映进去。 简洁性：在现实性的基础上，建立数学模型要做到简单明了，又能反映问 题的本质，这样做不仅可以节省建模的时间和求解的时闻，而且也便于分析问题。 适应性：要求通过模型来描述现实系统，当系统由于某些具体条件发生变 化时，要求模型具有一定的适应能力，及可扩展性。 电子系统的仿真过程一般分为如下五个步骤： 根据分析的屯子系统，建立相应的数学模型； 找到合适的仿真算法； 应用合适的仿真语言编制程序： 根据初步的仿真结果对该数学模型进行验证； 进行系统仿真，并认真分析仿真的结果。 上述五个步骤之m 是有连带关系的，不可能将他们完全分离刀：。在实际仿真 工作中，往往是在重复以上的前四个步骤，以保证数学模型的币确性。仿真算法 的可行性，仿真程序的准确性和可靠性，最后编制成一个成熟的仿真软件。使用 此软件对所研究的电子系统进行仿真，以得到大量的特性参数，达到系统功能模 拟及性能分析的目的。 二仿真工具的选择 如何选择仿真软件肘系统仿真而南至关重要，仿真工具的选择是否合适，也 通删雷达接收机建模与实现技术 往往决定了建模工作能否顺利进行。利用系统仿真工具进行雷达系统建模和仿真， 可以高效地完成系统的方案论证和性能评估，将雷达系统设计人员从繁重的设计 工作中解脱出来，使雷达系统的设计更加方便，高效和优化，能够大大提高设计 的可靠性，并可缩短设计周期，降低开发成本。 m a t是由m a t h w o r k s 公司推出的一个为科学计算和工程计算而专门设计 的高级交互式软件包。它是一种高性能的用于工程计算的编程软件，它把科学计 算、编程和结果的可视化都集中在一个使用非常方便的环境中，它已经发展成为 具有通用科技计算、图形交互系统和程序设计语言等功能的、国际公认的、最优 秀的科技应用软件之一。其典型应用有：数学计算、算法推导、建模和仿真模拟、 数据分析和结果的可视性、工程图形的绘制、应用程序开发等。m a t l a b 具有以 下特点： 具有丰富的数学功能，其中包括矩阵各种运算，如正交变换、三角分解、 特征值、常见的特殊矩阵；包括各种特殊函数，如贝塞尔函数、勒让德函数、伽 玛函数、贝塔函数、椭圆函数等；包括各种数学运算功能，如数值微分、数值积 分、插值、求极值、方程求根、f f t 、常微分方程的数值解，残数计算等。 具有良好的绘图功能，可方便地面出两维和三维图形，如直角坐标曲线图、 极坐标曲线、直方图、对数坐标曲线、网格图、三维曲面图、等高线图、区域图 等，同时屏幕上出现的各种图形均可输送到打印机直接打印，或输送w i n d o w s 的 剪贴板内供各种应用软件调用。 使用方便，便于掌握，便于修改，使用m a t l a b 语言编写的程序可直接运 行而无须进行编译。具有很友好的图形界面，且使用者可根据自己的需求方便地 编写出自己所希望的图形界面，扩充性能很好，编写出自己所需的各种函数，同 时采用一定的措施之后可以直接调用c 语言的函数及f o r t a i n 语言的予程序。 具有若干功能强大的应用工具箱，如信号处理、通信、d s p 、小波变换、图 像处理、时频分析，统计仿真、系统仿真、插值、符号运算、系统识别、系统优 化、神经网络、数据库、功率系统、地图、偏微分方程、系统控制、模糊逻辑、 分析与综合等等。 由于m a t i a b 语言本身所具有的种种特点，它特别适合对电子系统进行仿真。 特别是信号处理、d s p 、通信等工具箱内，设有专门为电予系统设计的各种专门的 函数，可以进行各种模拟和数字滤波器的设计和分析，如巴特伍兹滤波器、切比 雪夫滤波器、椭圆滤波器、升余弦滚降滤波器等；可以分析一个系统传递函数的 幅频特性和相频特性，可以对数字序列进行数字滤波：可以进行各种变换，如z 变换、傅氏变换、拉氏变换、希尔伯特变换等；可以实现频域或时域内的各种窗 函数，如汉宁窗、汉呢窗、三角窗、矩形窗等。而在使用d s p 工具箱时，只需在 图形界面上用鼠标将各个单元( 如信号发生器、示波器、滤波器、乘法器、窗、频 第一章绪论 3 谱分析仪1 连接在一起，就可看到系统的实时响应而无须自己动手进行编制。 m a t l a b 语言的另一个突出优点是便于学习，容易掌握。其为使用者提供了极为 丰富的，现成的数学工具，因此使用者无需掌握很复杂的编程技巧，另外，提供 大量的联机帮助文件，也便于自学。然而，m a t l a b 是一种解释性语言，程序运 行起来速度比较慢，对于大的电子系统仿真来说，其速度可能无法满足系统的实 时性要求，不过考虑到本课题所研究的系统重在功能模拟，对实时性要求并不高， 因此选用m a t l a b 作为建模仿真的工具。 1 2 国内外研究现状 随着雷达技术和电子对抗技术的发展，雷达系统的复杂程度日益增加，雷达 所瓦对的环境日益复杂，对雷达抗干扰能力的要求越来越高，要求在雷达系统的 研制过程中考核雷达系统在复杂干扰环境下的抗干扰能力。雷达领域的技术人员 利用建模和仿真进行系统论证，体制选择，指标分配等工作，可大大地缩短雷达 研制周期，降低研制耗费。传统的试验方法主要在外场进行，但在外场模拟真实 战场复杂电磁环境是非常困难的，而且耗资巨大，外场试验的次数有限，难以全 愿反映雷达系统在各种复杂干扰环境下的抗干扰性能，而且若外场测试结果达不 到要求，必须进行设计修改，反复进行外场测试和设计修改，造成试验周期长和 人力物力的巨大浪费。 以仿真试验来代替部分甚至大部分外场试验，这种概念在国外已付诸实施， 在国内日渐发挥出作用。国外在“爱国者”，“罗兰特”，“尾刺”和“扩展的防空 仿真系统”的研制中均进行了仿真的研究，取得了明显的经济和社会效益。同样， 仿真试验在各种雷达和电子对抗系统的研制中也逐渐得到了广泛的应用。目前， 国内的有关研究院所对某些搜索雷达系统的信号处理进行了仿真研究，但缺少对 整个雷达接收机和信号处理作为整体系统的建模和仿真研究。本文研究通用雷达 接收机的建模，仿真和实现技术，所谓通用雷达接收机，其通用性体现在信号处 理子系统中，根据不同类型的雷达系统，采用不同的雷达信号波形，使用环境不 同，及不同的杂波分行等，在信号处理中采用不同的处理方法，其通用性和可扩 展性因此锝以体现。 全数字系统仿真具有以下优越性： 经济性：系统仿真模型是数学模型，不涉及实物，同时通过反复仿真和修改 模型和模型参数，可以在系统设计之】j 1 ，对系统性能有充分的了解，可以缩短研 制周期。 灵活性：所有参数可以根据需要做任意变化，可以确定系统的最佳工作状态。 4 通n j 雷达接收机建模与实现技术 可重复性：实际环境往往是随机因素众多和非常复杂，系统的性能一般不能 严格按照设计要求在现场得到全面的鉴定和评价，因为很多条件是难以满足的， 但数字仿真方法则能考虑各种因素，并能精确地重复。 可继承性：由于采用模块化，图形化的设计，建立的子模块或单元模块可以 被其它系统使用。 1 3 本人工作及章节安排 作者对通用雷达接收机和信号处理机两个子系统进行了建模研究，论文的目 的是建立一个通用的雷达接收机和信号处理机系统模型。 主要分为三个部分来实现：第一部分是雷达接收机系统模型，主要包括了低 噪声高频放大器，混频器，中放，自动增益控制电路，自动频率控制，灵敏度时 闯控制等，雷达接收机的中频数字化，超宽带雷达，软件无线电等概念。第二部 分是信号处理子系统模型，主要包括数字脉冲压缩，杂波处理，动目标显示，动 目标检测，自动检测和恒虚警处理等内容。第三部分是通用雷达接收机实现技术 部分。 本文章节安排如下：第一章是绪论，介绍了电子系统建模和仿真技术的特点， 国内外研究现状和本人工作；第二章介绍了现代雷达接收机的作用，组成和性能 指标分析，现代雷达接收机分析建模，雷达接收机的数字化及软件无线电，超宽 带雷达接收机的简介以及相应的仿真研究；第三章主要介绍信号处理子系统的作 用及功能模块分解，分为脉冲压缩模块，动目标显示模块，恒虚警处理等模块的 建模和一些仿真工作：第四章为通用雷达接收机的实现技术，主要介绍雷达雷达 干扰对抗试验系统的组成，通用雷达接收机的原理框图及其软硬件设计简要介绍， 第五章：结束语。 由于条件和时间以及本人学识所限，论文中还有许多不尽如人意的地方，恳 请各位专家批评指正。 第二章通_ l j 接收机建模 第二章通用雷达接收机建模 雷达是英文r a d a r 的音译，原意是“无线电探测和测距”，即用无线电方法 发现目标并确定它们在空问的位置，随着雷达技术的发展，雷达的任务不仅是测 量目标的距离、方位和仰角，而且还包括测量目标的速度，以及从目标回波中获 取更多有关目标的信息，如雷达成像等。飞机、导弹、人造卫星、各种舰艇、车 辆、兵器、炮弹以及建筑物、山川、云雨等都可以作为雷达的探测目标，雷达己 应用于地面、空中、海上和太空，地面雷达主要用来对飞机和太空目标进行探测、 定位和跟踪：船上雷达除探测空中和海面目标外，还可用作导航工具；机载雷达 除要探测空中、地面或海面目标外，还可用作大地测绘、地形回避及导航之用： 在宇宙飞行中，雷达可用来控制宇宙飞船的飞行和降落，等等。 雷达是现代和未来战争中军用探测器的主体，是敌方攻击的首选目标，随着 雷达、雷达对抗技术的发展，要求现代雷达具有抗干扰、抗反辐射导弹、抗隐身、 抗低空入侵等能力，从而提高雷达e c c m 的能力，毫米波雷达、超宽带雷达技术、 低截获概率雷达等都是目前研究的热点。 2 1 现代雷达接收机的作用、组成和性能指标分析 现代雷达接收机多为超外差式，一般由高频放大、混频、中频放大、检波、 视频放大器电路所组成。接收枫的首要任务是把微弱的回波信号放大到足以进行 信号处理的电平，同时要求接收机内部的噪声应尽量小以保证接收机的高灵敏度。 一般在接收机中也进行一部分信号处理，例如中频放大器的频率特性应设计为发 射信号的匹配滤波器，这样就能在中放输出端获得最大的峰值信号噪声功率比。 接收机中的检波器通常是包络检波器，它取出调制包络送到视频放大器，如果后 面要作多普勒处理，则可用相位检波器替代包络检波器。 2 1 1 现代雷达接收机组成 雷达接收机的任务是通过适当的滤波器将天线上接收到的微弱高频信号从伴 随的噪声和干扰中选择出来，并经过放大和检波后，送至显示器，信号处理器或 由计算机控制的雷达终端设备。 雷达接收机，可咀按应用、设计、功能和结构等多种方式来分类。但是，一 6 通h j 雷达接收机建模与实现技术 般来蜕可以将雷达接收机分为超外差式、超再生式、晶体视放式和调谐高频( t r n 式等4 种类型，其中超外差式雷达接收机具有灵敏度高、增益高、选择性好和适 用性广等优点，实际上在所有的雷达系统中都获得应用。 超外差式雷达接收机的简化方框图如图2 1 所示。它的主要组成部分是：( 1 1 高频部分，叉称为接收机“前端”，其中包括接收机保护器、低噪声高频放大器、 混频器和本机振荡器；2 ) 中频放大器，它包括匹配滤波；( 3 ) 检波路和视频放大器。 啊嚣露研一怔丑t 产 幽2 1 超外差接收机示意图 从天线接收的高频回波通过收发开关加至接收机保护器，一般是经过低噪声 高频放大器后再送到混频器。在混频器中，高频回波脉冲信号与本机振荡的等幅 高频电压混频，将信号频率变换为中频( i f ) ，再由多级中频放大器对中频脉冲信号 进行放大和匹配滤波，以获得最大的输出信噪比，最后经过检波器和视频放大后 送至终端处理设备。 更为通用的超外差式雷达接收机的组成方框图，如图2 2 所示。它适用于收、 发公用天线的各种脉冲雷达系统。实际的雷达接收机可以不( 而且通常也不) 包括 图中所示的全部部件。 对于非相干雷达接收机，通常需要采用自动频率微调( a m c ) 电路，把本机振 荡器调谐到比发射频率高或低一个中频的频率，而在相干接收机中，稳定本机振 荡器( s t a d , o ) 的输出是由用来产生发射信号的相干源( 频率合成器) 提供的。输入 的高频信号与稳定本机振荡信号或本机振荡器输出相混频，将信号频率降为中频。 经过多级中频放大和匹配滤波后，可以有几种处理方法：对于非相干检测，通常 采用线性放大器和包络检波器来为检测电路和显示设备提供信息。当要求宽的瞬 时动态范围时，可以采用对数放大器检波器，对数放大器能提供8 0 d b 的有效 动态范围；对于相干处理，中频放大和中频滤波之后有两种处理方法，见图2 2 。 第一种方法是经过线性放大器后进行同步检波，同步检波器输出的同相( i ) 和正交 ( q ) 的基带多谱勒信号提供了回波的振幅信息和相位信息。第二种方法是经过硬限 幅放大( 幅度恒定) 后进行相位检波，此时正交相位检波器只能保留回波信号的相 位信息。 第二章通用接收机建模 _ _ _ _ _ _ _ 4收发jr 盖啊 一一l l接收机但妒摹 l ，一 d 收m 1 i 一j 幽2 2超外差接收机方框幽 在图2 2 中，灵敏度时间增益控f l ；i j ( s t c ) 使接收机的增益在发射机发射之后， 按r 。4 规律随时间而增加，以避免近距离的强回波使接收机过载饱和。灵敏度时瞄 控制又称为近程增益控制，可以加到高频放大器和前置中频放大器中。自动增益 控制( a g c ) 是一种反馈技术用来自动调整接收机的增益，以便在雷达系统跟踪环路 中保持适当的增益范围。 通川雷达接收机建模与实现技术 2 1 2 雷达接收机的主要性能指标 1 灵敏度 灵敏度表示接收机接收微弱信号的能力，能接收的信号越微弱，则接收机的 灵敏度越高，因而雷达的作用距离就越远。雷达接收机的灵敏度通常用最小可检 测信号功率置。来表示。当接收机的输入信号功率达到s 。时，接收机就能正常 接收而在输出端检测出这一信号，如果信号功率低于此值，信号将被淹没在噪声 和干扰之中，不能被可靠地检测出来。由于雷达接收机的灵敏度受噪声电平的限 制，因此要想提高它的灵敏度，就必须尽力减小噪声电平，同时还应使接收机有 足够的增益。目前，超外差式雷达接收机的灵敏度一般约为【1 0 1 2 1 0 “4 矿，保证 这个灵敏度所需增益约为1 0 6 1 0 8 ( 1 2 0 d b 一1 6 0 d b ) 主要由中频放大来完成。 2 接收机的工作频带宽度 接收机的工作频带宽度表示接收机的瞬时工作频率范围。在复杂的电子对抗 和干扰环境中，要求雷达发射机和接收机具有较宽的工作带宽，例如频率捷变雷 达要求接收机的工作频带宽度为( 1 0 2 0 ) 。接收机的工作频带宽度主要决定于高 频部件( 馈线系统、高频放大器和本机振荡器) 的性能。众所周知，雷达信号的固有 距离分辨率和信号带宽成反比，r - c 2 b ，因此，要得到高的距离分辨率，需要 雷达接收机也具有大的带宽。还需要指出，接收机的工作频带较宽时，必须选择 较高的中颏，以减少混频器输出的寄生响应对接收机性能的影响，雷达按照工作 频带宽度和中心频率的比值可分为窄带( n b ) 雷达( 小于1 ) 、宽带( w b ) 雷 达( 1 2 5 ) 和超宽带( u w b ) 雷达系统( 大于2 5 ) 。 3 动态范围 动态范围表示接收机能够正常工作所容许的输入信号强度变化的范围。最小 输入信号强度通常取为最小可检测信号功率置。，允许最大的输入信号强度则根 据正常工作的要求而定。当输入信号太强时，接收机将发生饱和而失去放大作用。 这种现象称为过载，使接收机开始出现过载时的输入功率与最小可检测功率之比， 叫做动态范围。为了保证对强弱信号均能正常接收，要求动态范围大，就需要采 取一定措施，例如采用对数放大器、各种增益控制电路等抗干扰措施。 4 中频的选择和滤波特性 接收机中频的选择和滤波特性是接收机的重要质量指标之一。中频的选择与 发射波形的特性、接收机的工作带宽以及所能提供的高频部件和中频部件的性能 有关。在现代雷达接收机中，中频的选择可以从3 0 m h z 到4 g h z 之间。当需要在 中频增加某些信号处理部件时，例如脉冲压缩滤波器，对数放大器和限幅器等， 第二二章通川接收机建模 9 从技术实现来说，中频选择在3 0 m h z 至5 0 0 m h z 更合适。对于宽频带工作的接收 机，应选择较高的中频，以便使虚假的寄生响应减至最小。减小接收机嗓声的关 键参数是中频的滤波特性，如果中频滤波特性的带宽大于回波信号带宽，则过多 的噪声进入接收机。反之，如果所选择的带宽比信号带宽过窄，信号能量将会损 失。这两种情况都会使接收机输出的信噪比减小，在白噪声( 即接收机热噪声) 背景 下，接收机的频率特性为“匹配滤波器”时，输出信号噪声比最大。 5 工作稳定性和频率稳定度 一般来说，工作稳定性是指当环境条件( 例如温度、湿度、机械振动等) 和电源 电压发生变化时，接收机的性能参数( 振幅特性、频率特性和相位特性等) 受到影响 的程度，希望影响越小越好。大多数现代雷达系统都是相参系统，需要对一串回 波进行相参处理，因而对本机振荡器的短期频率稳定度有极高的要求( 高达1 0 “o 或 者更高) ，因此必须采用频率稳定度和相位稳定度极高的本机振荡器。 6 抗干扰能力 在现代电子战和复杂的电磁干扰环境中，抗有源干扰和无源干扰是雷达系统 的重要任务之一。有源干扰为敌方施放的各种杂波干扰和邻近雷达的异步脉冲干 扰，无源干扰主要是从海浪、雨雪、地物等反射的杂波干扰和敌机施放的箔片干 扰。这些千扰严重影响对目标的正常检测，甚至使整个雷达系统无法工作。现代 雷达接收机必须具有各种抗干扰电路。当雷达系统用频率捷变方法抗干扰时，接 收机的本振应与发射机频率同步跳变。同时接收机应有足够大的动态范围，以保 证后面的信号处理器有高的处理精度。 7 微电子化和模块化结构 在现代有源相控阵雷达和数字波束形成( d b f ) g 统中，通常需要几十路甚至几 千路接收机通道。如果采用常规的接收机工艺结构，无论在体积、重量、耗电、 成本和技术实现上都有很大困难。微电子化和模块化助接收机结构可以解决上述 困难，优选方案是采用单片集成电路，包括微波单片集成电路( m m i q 、中频单片 集成电路( i m i c ) 和专用集成电路( a s l c ) ，其主要优点是体积小，重量轻，、另外 采用批量生产工艺可使芯片电路电性能一致性好、成本也比较低。用上述几种单 片集成电路实现的模块化接收机，特别适用于要求数量很大、幅相一致性严格的 多路接收系统。 通州雷达接收机建模与实现技术 2 2 现代雷达接收机的建模 现代雷达接收机一般都采用超外差式，超外差式雷达接收机具有灵敏度高， 增益高，选择性好和适应性广等优点。按照频率范围可分为：高频部分，中频部 分和检波器和视频放大器部分。高频部分包括：接收机保护器、低噪声高频放大 器、混频器和本机振荡器：中频部分包括：匹配滤波器以及一系列放大器和a g c 电路：视频部分包括检波器、视频放大部分、视频检波、视频积累及自动检测等。 2 2 1 雷达接收机的高频部分 超外差式雷达接收机的高频部分主要由收发转换开关，高频放大器，混频器 和本机振荡器等部分组成，因为这些部件处于雷达接收机的前端，又通常称为接 收机“前端”。 图2 3 雷达接收机高频部分原理框幽 一收发开关和接收机保护器 脉冲雷达的天线是收发共用的，这时需要一个收发转换开关( 简称收发开关t r ) 的接收机保护器。在发射时，收发开关使天线与发射机接通，并与接收机断开， 以避免高功率的发射信号进入接收机把高频放大器或混频器烧毁：接收时，天线 与接收机接通，并与发射机断开，以免因发射机旁路而使微弱的接收信号受到损 失，收发开关通常由高频传输线和气体放电管组成，在现代雷达中，出现了由铁 氧体环行器( 或隔离器) 和接收机保护器构成的叛型收发开关。 二低噪声高频放大器 由雷达作用距离方程可知，当雷达其它参数不变时，为了增加雷达的作用距 离，提高接收机的灵敏度( 降低噪声系数) 与增加发射机功率是等效的。对比两 者的耗电，体积，重量和成本，显然提高接收机灵敏度更为有利。因此，人们重 视对低噪声高频放大器的研究，近几十年多年来不断研制出许多新型的低噪声高 第二章通川接收机建模 频放大器件，出现了许多适合雷达接收机的新型低噪声高频器件，例如超低噪声 的非制冷参量放大器( 简称参放) 、低噪声晶体管( 硅双极晶体管和砷化镣场效应 管) 放大器。 三混频器 混频器的作用是将高频信号与本振电压进行混频，并取出其差频，使信号在 中频( 一般为3 0m h z 至5 0 0m h z ) 上进行放大。一般来说，混频器用来把低功率的 信号同高功率的本振信号在非线性器件中混频后，将低功率信号频率变换成中频 ( 本振和信号的差频) 输出。但是非线性混频的过程将产生许多寄生的高次分量， 这些寄生响应将会影响雷达对目标的检测性能，尤其对相参雷达的检测性能影响 更为严重，例如，混频器的寄生效应将会使脉冲多普勒雷达的测距和测速精度下 降，使动目标显示雷达对地物杂波的相消性能变坏，使高分辨脉冲压缩系统输出 的压缩脉冲的副瓣电平增大。 混频器的非线性效应是产生各种寄生响应的主要原因。加在混频器上的电压 h ( f ) 为电“，e 。吖言号电压h ：e 埘之和 h ( f ) - u l e 扣+ + 2 e 。9 ( 2 - - 1 ) 混频器输出的非线性电流f ( f ) ，可用雎( f ) 的幂级数表示： f o ) 一口o + 口l u ( t ) + a z u 2 0 ) + + 口“4 ( f ) ( 2 2 ) 随着现代混频二极管噪声性能的不断提高，现在很多超外差雷达接收机直接 使用混频器作为高频前端。目前高性能的镜像抑制混频器在1 g i - i z 1 0 0 g h z 频率 范围内，可使噪声系数降至3 d b 5 d b 。 平衡混频器可以抑制偶次谐波产生的寄生响应，还可以抑制本振噪声的影响， 被广泛使用，由于采用了硅点接触二极管和砷化镓肖特基二极管作混频器，使平 衡混频器的噪声性能得到较大改善，工作频率和抗烧毁能力都有明显提高，在 0 3 g h z 4 0 g h z 频率范围内噪声系数为( 5 8 ) d b 。 采用镜像抑制技术和低变频损耗的砷化镓肖特基混频二级管，使混频器的噪 性能进一步得到改善，同相等幅的高频信号分别加至两个二极管混频器f 也可以是 平衡混频器) ，本振电压经9 0 。混合接头后分别加至两个混频器，两个混频器输出中 频信号加到具有9 0 。相移的中频混合接头。在中频输出端，使得镜像干扰相消，中 频信号相加。理论分析和实践证明，镜像抑制混频器的噪声系数比一般镜像匹配 混频器低2 d b 左右。 镜像抑制混频器具宵噪声系数低、动态范围大抗烧毁能力强和成本低等优 通川雷达接收机建模与实现技术 点。在0 5 g h z 2 0 g h z 频率范围，噪声系数为( 4 6 ) d b 。进一步采用计算机辅 助设计，高品质因素低分布电容的肖特基二极管和超低噪声系数( fsl a b ) 的中频 放大器，在1 g h z 1 0 0 g h z 频率范围内，可使噪声系数降低( 3 5 ) d b 。 四本机振荡器和自动频率控制( a f c ) 超外差式接收机利用本机振荡器和混频器把高频回波信号变换成便于滤波和 处理的中频信号。在理想情况，发射的高频信号频率f 。，和本振电压的频率，f 。都 是固定的，混频后二者之差额也为固定不变的“正确中频” 。当发射机频率变 化时，要求本振电压频率也相应变化，使其差额仍保持为正确中频，在中频放大 器中得到足够的放大和最佳滤波。但在实际工作中，常规雷达发射机磁控管振荡 器和接收机本机振荡器频率稳定度不高，容易随外界条件的改变而变化，使混频 后的实际中频 偏离正确中频，f 。其偏离误差为蛳。因此，必须采用自动频率 控制，以保证混频器输出为正确中频 。 根据其a f c 控制的对象不同，可以分为控制稳定本振的和控制磁控管的两类： 前者需用可调谐的稳定本振，后者采用的是可调谐的磁控管振荡器，采用固定频 率的稳定本振，用作相参标准的稳定本振，其稳定性要求很高。本机振荡器的频 率稳定性是影响动目标显示雷达性能的主要因素，通常要求其短期频率稳定度高 达1 0 。o 或更高的数量级。 五近程增益控制( s t c ) 近程增益控制的基本原理是：当发射机每次发射信号之后，接收机产生一个 与干扰功率随时间的变化规律相“匹配”的控制电压e ，控制接收机的增益使其 按照此规律变化。所以近程增益控制电路实际上是一个使接收机灵敏度随时间而 变化的控制电路，它可以使接收机不受近距离的杂波干扰而过载，它用来防止近 程杂波所引起的中频放大器过载。由于杂波干扰( 如海浪杂波和地物杂波干扰等) 主要出现在近距离，干扰功率随着距离的增加丽相对平滑地减小，如果把发射信 号时刻作为距离的起点，则横轴实际上是时问轴。根据试验，杂波干扰功率r 随 距离尺的变化规律为： 己；k r “ 式中，k 为比例常数，它与雷达的发射功率等因素有关。a 为由试验条件所确定 的系数，它与天线波瓣形状有关，一般口一2 7 4 7 。具体工程上的应用如下图所 示，一种是传统模式，另一种是数控式。图2 4 中的二极管一般用p i n 管，通过控 制p i n 管的导通电阻的大小，控制输出信号的大小，一般s t c 电路用在接收机的 前端，高频部分，把近距离大目标进行一定量的衰减，防【卜近程杂波二f 扰引起的 第二章通_ l l j 接收机建模 接收机过载。图2 5 数控s t c 可应用在搜索雷达中，为了能更清楚地观察距离段 上的目标，而抑伟近程杂波干扰，可采用一组距离可变的s t c 进行控制，此s t c 衰减可变，控制深度可变。 输出 幽2 4s t c 实现方案1l 璺| 2 , 5s t c 实现方案2 2 2 2 雷达接收机的中频部分 一、匹配滤波： 匹配滤波器的基本概念：匹配滤波器就是在白噪声背景中检测信号的最佳线 性滤波器，其输出信噪比在某个时刻可以达到最大。如果已知输入信号s o ) ，其频 谱为5 ( ) ，则可以证明匹配滤波器在频率域的特性为 日 ) 一k s ( j ) c x p ( - j o * o ) ( 2 - - 4 ) 式中s 扣) 为频谱s 扣) 的共轭值；k 为滤波器的增益常数；f o 是使滤波器实际上能 够实现所必须的延迟时间，在f 0 时刻将有信号的最大输出。 同样可以证明：匹配滤波器在时间域的函数，即其脉冲响应为 0 ) 一k s 0 。一f ) ( 2 5 ) 式中s ( f o t ) 为输入信号的镜像，它与输入信号s ( f ) 的波形相同，但从时问f 。开始 反转过来。在对匹配滤波器作理论研究时，延时f 0 和增益常数k 可以不予考虑，因 此匹配滤波： ( ) ，s ( c c ，) ( 2 6 ) | i l ( f ) - s ( 一f ) ( 2 7 ) 可以看出：匹配滤波器的传输函数是输入信号频谱的复共轭，匹配滤波器的脉冲 响应是输入信号的镜像函数。还可以进一步证明，匹配滤波器在输出端给出的最 通h 雷达接收机建模与实现技术 式中，n 。是输入噪声的谱密度- 它是匹配滤波器输入端单位频带内的噪声功率；e 是输入信号的能量： e - 阳) , i f 一) | 出 ( 2 9 ) 接收机带宽的选择：接收机带宽会影响接收机输出信噪比和波形失真。选用 最佳带宽时，灵敏度可以最高，但这时波形失真较大，会影响测距精度。因此， 接收机频带宽度的选择应该根据雷达的不同用途而定。 二自动增益控制( a g c ) 自动增益控制( a g c ) - 在跟踪雷达中，为了保证对目标的自动方向跟踪，要 求接收机的输出角误差信号强度只与目标偏离天线轴线的夹角有关，而与目标距 离的远近，目标反射面积的大小等因素无关。为了得到这种归一化的角误差信号， 使天线正确地跟踪运动目标，必须采用自动增益控制( a g c ) 。 简单的a g c 电路是由一级峰值检波器和低通滤波器组成，接收机输出的视频 脉冲信号，经过峰值检波，再由低通滤波去除高频成分之后，就得到自动增益控 制电压e 。g c ，将它加到被控中频放大器中去，就完成了增益的自动控制作用。当 输入信号减小时，则起相反作用，中频放大器的增益将要增加，所以自动增益控 制电路是一个负反馈系统。 瞬时自动增益控制( i a g c ) ：这是一种有效的中频放大器的抗过载电路，它 能够防止由于等幅波干扰，宽脉冲干扰和低频调幅波干扰等引起的中频放大器过 载，瞬时自动增益控制电路和一般的a g c 电路相似，也是利用负反馈原理将输出 电压检波后去控制中放级，自动地调整放大器的增益。瞬时自动增益控制的目的 是使干扰电压受到衰减( 即要求控制电压e ，能瞬时地随着干扰电压而变化) ，而维 持目标信号的增益尽量不变，因此，电路的时常数应这样选择：为了保证在干扰 电压的持续时间内能迅速建立起控制电压。，要求电路时常数r it r 。为了维 持目标回波的增益尽量不变，必须保证在目标信号的宽度r 内使控制电压来不及建 立，即t ) ) z ，为此，电路时常数一般选为- ( 5 2 0 归。干扰电压一般都很强， 所以中频放大器不仅有木级过载的危险，前几级也有可能发生过载。为了得到较 好的抗过载效果，增大允许的干扰电压范围，可以在中放的术级和相邻前几级， 都加上瞬时自动增益控制电路。 8 2 丝虮 茸 嗽 、i， s 一 ，-il- 为比噪迎里时瞬大 第二章通 j 接收机建模 醋2 6a g c 原理框圈 a g c 在工程上的实现，通常有两种方法：一是模拟式，用电控衰减器和其它 的模拟电路来实现；二是数字式，用数控衰减器来完成对电路增益的控制。下面 介绍两种a g c 电路： 圄2 7 模拟方式实现a g c 图2 7 是利用检波后的直流电压作为a g c 控制电压的具体应用框图。 所谓数字a g c ，指的就是利用数控衰减器，通过控制它的衰减量大小来调整 中放增益大小。它的应用有两种方式，一种是雷达接收机闭环，另外一种是通过 信号处理机送给a g c 控制信号，实现雷达系统的闭环。下面的方框图是接收机闭 环的a g c 应用举例，它是把检波后的信号放大、a d 采样保持，通过c p u 送给 数控衰减器作为控制数掘，用数据来控制数控衰减器，以达到控制增益的目的。 幽2 8数字方式实现a g c 框幽 第二种：由信号处理机送a g c 控制信号，组成框图见图2 9 。数控衰减器的控 通雷达接收机建模与实现技术 制由信号处理机来完成。在单目标跟踪雷达中，信号处理机将根据雷达需跟踪的 目标的信号幅值大小，发给数控衰减器所需控制的数据。这种控制方式已在多种 雷达系统中使用，控制精度高，反应时间也比较快。衰减器的步进根据需要有多 种类型可供选择，典型的为0 5 d b 、l d b 、1 0 d b 、2 0 d b 等，总的衰减量从十几d b 到6 3 d b ，插入损耗只有2 d b 左右，频率范围从d c 2 ( 3 ，很多公司都有这样的产品， 应用这种电路是目前的趋势。 兰笑匹i 信 号 处 理 嚣 图2 9 数字方式实现a g c 框隧 三中频放大器 中频放大器是放大由混频器输出的中频信号，使之达到检波器正常工作所需 要的数值，中放一般由多级放大器和带通滤波器组成，在工程上。带进滤波器的 带宽通常选用最佳通频带。一般接收机的放大增益主要是在中频电路体现，进行 多级放大，以保证整个接收机灵敏度的要求，并且要求其中具有可控增益放大器， 以满足a g c 控制的要求。 2 2 3 雷达接收机的视频部分 包括检波器和视频放大器：经过多级中频放大和匹配滤波后，可以有几种处 理方法。对于非相干检测，通常采用线性放大器和包络检波器来为检测电路和显 示设备提供信息。当要求有宽的瞬时动态范围时，可以采用对数放大器检波 器，对数放大器能提供大于8 0 r i b 的有效动态范围；而对于相干处理，中频放大和 滤波后有两种处理方法，第一种方法是经过线性放大器后进行同步检波，同步检 波输出的同相( d 和正交( q ) 的基带多谱勒信号提供了回波信号的振幅信息和 相位信息，第二种方法是经过硬限幅放大( 幅度恒定) 后进行相位检波，此时正 变相位检波器只能保留回波信号的相位信息。 视频放大器：是用来放大视频脉冲信号的，属于宽频带放大器范畴。在雷达 接收机中它介于检波器和显像管之问，用以放大视频脉冲，使其幅度满足显像管 显示目标回波信号的需要。在自动跟踪雷达中的跟踪支路中，视频放大器用来将 相位检波器检出的正，负极性脉冲放大，然后加给峰值检波器，以便提高跟踪精 第一二章通h | 接收机建模 度的互导特性曲线的斜率，从而提高跟踪精度。 2 3 雷达数字化接收机及软件无线电 2 3 1 雷达数字接收机简介 1 7 随着高速集成技术的快速发展，出现了高速a d 变换器及高速数字信号处理 器，a d 精度和采样率不断提高，信号处理器速度不断提高。雷达信号在射频端的 直接采样是数字化的前提，采样越靠近天线，数字化的程度就越高，所以采样技 术是实现数字接收机的关键技术，而数字接收机的载频和带宽直接影响到采样和 处理的形式。一般来讲，现在比较常见的是从中频开始采用数字技术，即中频数 字化接收机。下面介绍雷达数字化接收机的工作原理及组成，并与传统的雷达接收 机性能进行比较。 数字接收机一般原理框图如下图所示： 圈2 1 0 数字接收机原理框图 传统雷达接收系统采用了正交双通道的零中频处理技术，回波信号经中频放 大器放大后分别与正交的两路相参信号混频，然后经低通滤波器后得到l 、q 两路 基带信号，最后经过a d 变换，给出正交两路数字量。由于使用模拟器件进行相 位检波，限制了i 、q 两路信号的幅相一致性，相位芷交误差一般在2 。 3 。，幅 度误差o 5 d b 左右。当l 和q 之间存在相位不正交和增益不一致时，会产生与所 要的理想单边带谱对称