[硕士论文精品]c波段宽带信号产生技术研究

国防科学技术大学研究生院学位论文摘要宽带信号产生技术是现代雷达设计中的一项关键技术。本文以XXXC波段目标特性测量雷达的研制为背景，从雷达信号基本理论出发，介绍了宽带信号产生方法，宽带信号产生系统性能分析，系统设计与实现技术以及系统性能改善措施。论文主要包括以一F四部分第一部分主要介绍了雷达信号的基本理论、信号选取与产生方法。首先从雷达信号的基本理论出发，讨论了线性调频信号的特点研究分析了线性调频信号的产生方法，以此为基础，确定了本文的宽带信号产生系统的实现方案。第二部分主要是宽带信号产生系统的性能分析，在这部分里详细分析了各组成部分对系统性能的影响程度，为宽带信号产生系统的设计给出了理论依据。第三部分在理论分析的基础上对宽带信号产生系统的设计和实现技术进行研究，成功研制出了带宽为500MHZ的C波段宽带信号产生系统。第四部分是对宽带信号产生系统进行预失真分析与系统测试。针对该宽带信号产生系统存在的诸多失真环节以及系统的可预失真校正功能，提出了有效的预失真校正方法。最后通过系统测试，该C波段宽带信号产生系统达到了预期的效果。除此之外，本文还总结了宽带信号产生系统工程实现中遇到的一些实际问题及解决办法，讨论了对系统进一步完善的措施。关键词宽带信号线性调频数字波形存储直读脉冲压缩预失真校正第1页国防科学技术大学研究生院学位论文ABSTRACTWIDEBANDSIGNALGENERATIONISAKEYTECHNIQUEINMODEMRADARSYSTEMDESIGNACCORDINGTORADARSIGNALTHEORYANDTHEREQUIREMENTOFXXXCBANDOBJECTIVECHARACTERISTICMEASURERADAR,WIDEBANDSIGNALGENERATIONMETHOD,THESYSTEMICQUALITYANALYSISEVALUATION,SYSTEMDESIGNANDIMPLEMENTATIONANDSYSTEMOPTIMIZATIONWEREDISCUSSEDINTHISPAPERTHEPAPERISCOMPOSEDOFTHEFOLLOWFOURPARTSFIRST,THERADARSIGNALTHEORY,SIGNALFORMSELECTIONANDGENERATIONWERESTUDIEDBASEDONTHETHEORYOFRADAR,THECHARACTERISTICOFLFMLINEARFREQUENCYMODULATIONSIGNALWASINTRODUCEDMEANWHILESOMEMETHODSOFLFMSIGNALGENERATIONWEREPROVIDEDINTHISPART,THEREOUT,AFEASIBLEMETHODWASSELECTEDFORTHESYSTEMSECONDLY,WIDEBANDSIGNALQUALITYWASEVALUATEDALLPARTSAFFECTINSYSTEMQUALITYWEREANALYZEDINDETAILTHISANALYSISPROVIDEDTHEORETICBASISFORSYSTEMDESIGNTHIRD,THEDESIGNANDIMPLEMENTATIONOFWIDEBANDSIGNALGENERATIONSYSTEMWEREINTRODUCEDCBANDWIDEBANDSIGNALGENERATORWITH500MHZBANDWIDTHWASIMPLEMENTEDSUCCESSFULLYFOURTH,PREDISTORTIONCALIBRATIONANDSYSTEMTESTINGWEREANALYZEDSYSTEMDISTORTIONWASSERIOUSBEFOREPREDISTORTIONCALIBRATION,PREDISTORTIONCALIBRATIONMETHODWASPROVIDEDACCORDINGTOTHESYSTEMFUNCTIONOFPREDISTORTIONCALIBRATIONTHEFAVORABLETESTINGRESULTINDICATEDTHECBANDWIDEBANDSIGNALGENERATIONSYSTEMISEFFICIENCYINADDITION,THEPAPERSUMMARIZESSOMEPRACTICALPROBLEMSANDTHEIRSOLUTIONINTHECOURSEOFTHEDESIGN,ANDSYSTEMIMPROVEMENTMEASURESWEREPUTFORWARDATLASTKEYWORDSWIDEBANDSIGNALLFMDIRECTREADINGOFTHESTOREDDIGITALWAVEFORMPULSECOMPRESSIONPREDISTORTIONCALIBRATION第11负独创性声明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学位论文作者签名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。学位论文题目学位论文作者签名作者指导教师签名国防科学技术大学研究生院学位论文图表目录图2,1线性调频信号的时域波形与频域波形示意图一T，_一TT_1O图22波形存储直读法原理框图一T二一，12图23直接数字合成法原理框图二一，R，”，12图31正交调制模型”二，T二，_17图32系统误差模型，一，_卜，_价一18图33波形存储直读法简易原理框图二，二“，卜一，一，一一19图34波形存储直读法数学模型，_，二一卜一二加图35载漏和镜像对倍频信号频谱的影响价一23表31线性度与相位误差的关系二_二28表32倍频对信号的影响二二一，一，”、”，T二，一31图36载漏、镜像对于脉压的影响，二一，41一31图41宽带波形产生系统结构T，二，卜，一卜卜二二_二，二35图42基带产生中的双TTLSRAM并行结构，T一37图43基带产生系统框图，_，_T一，TT一，T_一卜一，38图44宽带倍频器实现框图，二，一T一T，一，40图45PC机并口时序图，一一，二，42图51含等效失真网络的双二倍须链接构,47图52正交调制器误差模型二一一”一，50图53SIR与幅度增益比及相位误差的关系T一，_51图54SIR与参数K和参数L的关系T一卜53图55系FC1,9ISCF_二，卜二“，“二，”，55图561路SQ路基带信号时域波形，二，一TTTT56图5,7中频信号波形及频谱，T一一一一一56图58中频信号的脉压结果二一卜，一，“56，一，一一一一一一一一第III页国防科学技术大学研究生院学位论文第一章绪论11研究背景目标特性测量雷达需要完成对高速运动目标的参数测量以及进行目标成像与识别，要求具有高分辨力、低截获概率、强抗干扰能力以及便于目标识别等特点。C波段宽带信号产生系统是XXXC波段目标特性测量雷达四个关键组成部分之一，其主要作用是产生宽带发射信号、本振以及模拟散射点回波信号。宽带信号产生系统作为XXXC波段宽带目标特性测量雷达的关键组成部分，它的指标及性能直接影响了整个雷达系统的性能。该测量雷达除了完成对目标位置、速度等信息的提取，而且要求对目标进行成像分析和识别。这要求该雷达在具有高的测速精度和速度分辨力的同时还要具有高的测距精度和距离分辨力。在实现最佳处理并保证一定信噪比的前提下，测距精度和距离分辨力主要取决于信号的频率结构为提高测距精度和距离分辨力，要求信号具有大的带宽。而测速精度和速度分辨力，则取决于信号的时间结构为提高测速精度和速度分辨力，要求信号具有大的时宽。除此之外，根据匹配滤波理论，在白噪声背景下匹配滤波器输出的最大信噪比为2E/NO，为了提高目标发现能力，要求信号具有大的能量。但在实际应用中，系统的发射和馈电设备峰值功率是受限的，大的信号能量只能靠加大信号的时宽来得到。常规雷达的单载频脉冲信号时宽和带宽B的乘积接近为1，大的时宽和带宽不可兼得，因此对这种信号来说，测距精度和距离分辨力与测速精度和速度分辨力以及作用距离之间存在着不可调和的矛盾。为了解决这一矛盾，在匹配滤波器理论的指导下提出脉冲压缩技术。脉冲压缩技术的实质是在宽脉冲内附加非线性调相以扩展信号的频带，从而提供T“B远大于1的信号。在接收信号时用匹配滤波器进行处理将宽脉冲压缩为1/B的窄脉冲。这样即可提高雷达的检测能力，又提高雷达的分辨能力，从而解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。具有大的时宽带宽积的脉冲压缩信号的形式有很多种，如脉内线性调频、脉内非线性调频、相位编码、频率编码等。脉内线性调频信号LFM体制发展历史长，理论研究透彻，技术成熟。因而我们选用脉内线性调频信号作为宽带信号产生系统的波形形式。12发展概况由于该C波段宽带信号产生系统主要是研究线性调频脉冲信号的产生，木文主要关注线性调频信号产生技术的研究现状。产生线性调频信号有两种基本方法，即模拟法和第1页国防科学技术大学研究生院学位论文数字法。模拟法是传统方法，它又可以分为有源和无源两类。有源法又称直接合成法，是通过线性锯齿波形电压控制压控振荡器VCO产生线性调频信号。这种方法结构简单，经过对压控振荡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性。但存在每个脉冲起始的射频相位不相参的问题，而且振荡器的稳定度差，振荡频率随温度变化会发生漂移，相位噪声较大，同时谐波分量也比较大。无源法，又称脉冲扩展法。一般采用声表面波器件SAWD来实现脉冲扩展。声表面波器件是六十年代发展起来的一种新颖的现代模拟信号处理器件，它利用压电材料来实现电声电的转换，从而达到信号延时的目的。这种方法虽然可以获得大的宽带特性，但很难获得大的时宽，因而产生线性调频信号的时宽带宽积有限，一般只能达到104的量级，还未见到能达到更高量级的公开报导。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调频信号的技术越来越受到重视，许多国家都积极进行宽带数字信号产生和处理的研究，由模拟系统完成的许多功能逐渐被数字系统所取代。数字技术由于具有稳定可靠、方便灵活、准确度高和失真补偿方便等诸多优点而越来越受到人们的青睐。复杂雷达信号的产生也基本上完成了由模拟技术到数字技术的质的转变。采用数字方法产生线性调频信号的方法主要有两种，即直接数字合成法和波形存储直读法。直接数字合成DIRECTDIGITALSYTHESIS,简称DDS是通过数控电路能对DDS输出波形和频率、幅度、相位实现精确控制。DDS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。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，写入高速内存中，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。相对于直接数字合成法，波形存储直读法具有原理简单、成本低廉、对器件依赖小等优点，并具有更好的谱质和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。近年来国外在设计、研制宽带信号产生系统方面技术较为成熟。国内对宽带信号产生的研究方兴未艾。除我校对宽带超宽带调频信号源有较深入的研究外，电子部14所等国内研究机构也正在从事宽带超宽带线性调频信号产生的研究。国外在上世纪九十年代己在宽带超宽带雷达中应用了多种宽带信号源，1990年，美国雷声公司就已经研制了带宽为524MHZ，基带带宽为164MHZ，基带采样率75MHZ，倍频次数16次的线性调频信号源国内也有不少单位在进行宽带信号源的研制，如我所“九五”期间研制了带宽为300MHZ，相对带宽为85，基带带宽为375MHZ，基带采样率200MHZ，倍频次数4次的线性调频信号源。本文设计的C波段宽带信号产生系统基带带宽为625MHZ，采用4倍频技术，带宽达到500MHZA第2页国防科学技术大学研究生院学位论文妊3本文的主要工作论文针对XXXC波段目标特性测量雷达信号产生系统提出的具体要求，研究与制定了宽带信号产生系统的实现方案，突破了方案中所涉及的关键技术研究了宽带信号的测试技术并对其进行测试研究了宽带信号产生系统的误差校正方法以实现高质量信号的产生。依照上述研究思路，并结合现有研究背景，本文主要进行了以下的工作1、宽带信号设计这一部分内容组成本文的第二章。主要是结合雷达信号基本理论研究了宽带信号的选形与方案设计问题。首先从信号理论基础出发，从前人的结论和实测结果出发，在分析、归纳各宽带信号形式的基础上为系统选择了具有实用价值的信号形式，并选择了宽带信号产生方案。2、宽带信号产生系统性能分析这部分主要是第三章，主要为研制高性能宽带信号产生系统制定实现方案并突破宽带信号产生的各项关键技术。为基于预失真校正思想的宽带信号产生系统制定了基带数字产生结合倍频扩展带宽的实现方案，并对产生方案中所涉及的各项关键技术进行了研究在对实现方案中可能的误差来源进行了分析的基础上，建立了系统的误差模型，并以此为基础研究了主要系统误差对宽带线性调频信号频谱质量的影响在匹配滤波方面深入分析了山于系统误差导致的信号失真对脉冲压缩性能的影响。3、宽带信号产生的实现及优化这部分主要是论文的第四章、第五章。成功研制出带宽500MHZ的高性能C波段宽带信号产生系统充分利用实现方案中基带采样波形存储技术的优势，对系统误差的数字预失真校正技术开展了系统深入的理论和实验研究，从理论上解决了含正交调制和倍频链环节的系统的校正问题，并针对宽带信号产生系统从频域上推导并提出了严格的系统误差校正方法，此外还从实验中总结并提出了一种具有实用价值的时域校正方法，并给出了理论分析。第3页国防科学技术大学研究生院学位论文第二章雷达信号的基本理论及宽带信号产生方案线性调频CHIRP信号是研究比较早、应用很广泛的一种脉冲压缩信号。它通过非线性相位调制获得了大时宽带宽积。在接收处理上，这种信号的突出优点是匹配滤波器对回波信号的多普勒频移不敏感，即使回波信号有较大的多普勒频移，原来的匹配滤波器仍能起到脉冲压缩的作用，这将大大简化信号处理系统。本章首先介绍雷达信号的基础理论，并在此基础上介绍了线性调频信号的一些相关结果。其中主要介绍以下几个方面的内容一般雷达信号的基本理论，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准，距离分辨力和速度分辨力与时宽和带宽的关系，脉冲压缩技术的重要意义同时给出基于脉冲压缩理论而产生的线性调频信号的基本概念和幅频特性最后简要介绍线性调频信号的产生方法。21雷达信号检测与参量估计雷达系统的首要任务是发现目标，估计目标的距离和速度精度和速度测量精度，它们与雷达发射信号的哪些参数有关，。如何获得高的距离测量这实际上就是在某种准则下的信号最佳检测问题及参数估计问题。设一线性滤波器的冲激响应为HT，其频率响应为HCO。滤波器的输入信号为XTSTNT211其中ST为己知信号，其频谱为SW厂ST。一，0“DT212信号能量为E上2厂FMJSCOJDCV213_，_、_。，、，_N_，、，。、，、，NT为零均值半穗日P2户，共目相天MJA为K句DLZ，则共1A平LQM,仪刀乙N0/2。由信号与系统基本理论可得，滤波器HCO对输入信号ST的输出响应SOT为SOT会LMHWSW一“214第4页国防科学技术大学研究生院学位论文对白噪声的输出响应为NO小其平均功率为NZT一玉上RIHCOL2D。干2L2NM一215则在T时刻滤波器输出信噪比为SNR嘿NO气，IFSWHO2Z一“。12M会鲁HCOI2DCO216由许瓦兹SCHWARTZ不等式可得土RISC1ZDCO_0170，2NJ“_LC口了V才、二一NOL2NO217可见滤波器输出信噪比的最大值SNR。一线。由许瓦兹SCHWARTZ不等式等号成立条件可得HCOKSCOE一翩。218式218为匹配滤波器的定义，同时也是滤波器有最大信噪比输出条件。由此可见，在平稳高斯白噪声背景下，采用匹配滤波器处理，对确知信号能获得最大的信噪比输出。这是由于匹配滤波器的实质是对输入信号完成一次相关运算。由于匹配滤波器传输函数HCO与输入信号T的强相关性，在TRA时刻，信号得到最大的输出，而输入噪声NT是随机的，各频率分量与匹配滤波器传输函数匆耐间没有确定关系，其输出只是统计平均结果。匹配滤波器的这种相关运算特性，决定了它对平稳白噪声中确知信号的检测能力。由式217可以得到这样的结论在白噪声环境下匹配滤波器输出的信噪比只与确知输入信号能量有关，而与输入信号波形形式无关。以上讨论了在白噪声环境下匹配滤波器输出信噪比与输入信号的关系，但在色噪声环境下，匹配滤波器输出的信噪比与输入信号关系又如何。文献【1指出对匹配滤波器而言，在色噪声背景下其频率特性HCO不仅与输入信号形式有关，而且与噪声功率谱密度有关HC二K兰COE一J2MURNO219其中NCO为色噪声功率谱密度配滤波器输出的最大信噪比为K为复常数，T。为可实现滤波的特定时刻。此时匹5入R_，IS。1ZEI”DCO二二N。2110第5页国防科学技术大学研究生院学位论文将2110式与217式相比较可见，匹配滤波器输出信噪比不仅与信号总能量有关，而且与信号和噪声的功率谱有关。匹配滤波器是雷达信号检测的中心环节，在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。可见，匹配滤波器理论为雷达信号设计和检测提供了理论基础。川检测到目标信号后，雷达系统将对目标进行参数测量，也就是对目标参数的估计的运算过程。目标参数是指目标的距离信息和速度信息，它们可通过对雷达的回波信号时移和频移的运算和估计来获得。假设观测目标为“点目标”，它以恒定速度的径向速度，从RO处接近雷达，则目标距离可表示为RT“R。一VI2111设发射信号的复表达式为STUTEL2FL2112则回波信号的数学表达式为S,TUT一，”一“，2113其中时延为时间函数，一般对于STVCC为光速条件下，有2RT2RT二二一洲一二二C十VC2RO一2VTC2114将其带入2113式中，可得2R2VLS八，ULR一一RLELCCI2喃V2CY“R,72II5其中2RO/C为目标回波时延下，点目标回波信号表达式可简化为2V/CF为目标回波多普勒频移。在通常情况S,TUT一EI2FO“SXST一W24一，2116理想的归一化信道模型脉冲响应为HT对应发射信号ST的目标回波观测信号为ST一REI2FJ2117RT二HTSTNTST一Z0EI2,0NT其中NT为零均值平稳白噪声过程，ROO分别为待估时移和待估频移滤波输出为YZO2118。对RT匹配，一FMRT，一E一，“，2119二厂一。，一。一“一“DT厂NTSTZE一”，第D页国防科学技术大学研究生院学位论文应用极大似然估计，对满足克拉美一罗CRAMERRAO下限的有效估计情况可以导出信号联合有效参数估计协方差矩阵WO,I0,21梦I，IL92IR22JTIALL01WJ2EW2T2NOA一,X22120其中W,TD分别为均方根带宽和均方根时宽，OJT是信号平均频率时间积的量度。在没有相位调制的情况下，0Z0。又由于TI和O的极大似然估计互不相关，可得时延和频移估计方差分别为,ELTO一02一鹤，场1O“2EWNO21210,2F一二F4一X02一0222122井TD2ENO由式2121及式2122可以看出，信噪比越大，对应的时移和频移估计的方差越小，也即对回波信号距离与速度等参数估计精度越高。此外，我们可以看到，信号的带宽越宽，时移估计的精度越高，则对目标的距离测量精度越高信号的时宽越大，频移估计的精度越高，对目标的速度测量精度越高。322模糊函数与分辨力雷达分辨力是指雷达区分多个目标的能力。设雷达同一方向上的两个点目标，目标A和目标B。目标A的回波信号相对于发射信号具有时延X和多普勒频移Y，则目标A的回波信号表达式为S,TS1一XEJ2九十YX一221如果目标B比目标A离雷达更远，而且径向速度更大，即目标B对于基准目标A具有时延4A多普勒频移参那么目标B的回波信号表达式将是S,ZTSLT一XR1R1ZSJO“RFLF一一，222于是，两个回波信号的均方差可以写为CIS,T一,ZTIDT2231，乙一一，占占第7页国防科学技术大学研究生院学位论文一F,一EJ2XF,Y，一，一T一XZK2XFOY1XRI2DTFLSTXIZDT厂ISTXAI2DT一REFSTXSTXSEJ2XG，一，一RRDT其中22勺222ISTXI2DT一2“FISIT一X】一2E令卜X十约T代入式223中，整理得45，一2一、EJ2XCJR厂STSTZEI2XF,DT文献3】定义模糊函数为XT,厂、，S，ZEJ24DT227其频域表达式为XZ,一FSF一SFENRDF228其物理意义为时间和频率得二维模糊函数。则，2E一REEJ2XFRXT,S229由式229可见，当信号的能量E一定得情况下，模糊函数卜阮酬能决定相邻目标距离一速度联合分辨力。IXT4I随着T,的增大而下降，则两个相邻目标回波信号的均方差2E越大，两个目标越容易分辨，雷达的分辨力就越高。由时间和频率得二维模糊函数IOI可分别求出距离模糊函数XZ,0I和频率模糊函数W04L。表达式如下XS,0一厂ST“STZDT2210X0,厂SF一SFDF2211为了能直观、全面的反映雷达分辨力与信号参数之间的关系，文献3引入了时延分辨常数A和多普勒分辨常数AG，并给出了如下数学关系A,FIXR,0IDR厂ISFIDFIX0,0HFISFLDF一W2212ALMIXO,IZD2213IX0,0I第S页国防科学技术大学研究生院学位论文其中WQ称为有效相关带宽，表示信号频谱成分所占的宽度总和。TQ为有效相关时间，表示信号的持续的时宽。由式2212和式2213可以得出结论雷达的距离分辨力与信号得带宽有关，带宽越宽，距离分辨力越高速度分辨力与信号的时宽有关，时宽越宽，速度分辨力越高。6123线性调频信号的数学表征及其频谱特性经过上面的讨论，我们己经发现，在实现最佳处理并保证一定信噪比的前提下，测距精度和距离分辨力主要取决于信号的频率结构，为了提高测距精度和距离分辨力，要求信号具有大的有效带宽测速精度和速度分辨力则取决于信号的时间结构，为获得高的测速精度和速度分辨力，要求信号具有大的时宽。单载频脉冲信号时宽带宽积接近1,大的时宽和带宽不可兼得。因此对这种信号来说，测距精度和距离分辨力与测速精度和速度分辨力之间存在不可调和的矛盾。为了解决上述矛盾，必须寻找具有大时宽带宽积的信号形式。在匹配滤波理论指导下，提出了线性调频脉冲压缩技术。这种技术是指在宽脉冲内附加线性调频以扩展信号的频带，从而产生大时宽带宽积信号。6线性调频脉冲信号是指在持续期间内脉内频率连续线性变化，时频关系为线性关系信号。本节主要给出它的概念及其特性。线信调频脉冲的幅度归一化复数表达式为L2内J内，。，、RECT厂TE2/ULK,T其中IYI_12I/I告IC钊厂LLEET咬ESEE|T一、LZRT一T2尹1|1、CRET为脉冲宽度，信号的瞬时频率可写成F一12TC景。，二FOTKT212其中KB/T为频率变化斜率，B为频率变化范围信号的频谱由232式求傅氏变换可得到FO十KT简称频偏。不考虑信号的载频SF赚EJ2RKDD,_1_一L/KFF727L1COS22DRJFSIN2DZ233其中积分上下限分别为第9页国防科学技术大学研究生院学位论文U,一2K2一KU2一2K2K采用非涅耳积分公式CU一FSU一F。5RATCOSDX5,ZX2SINDX并考虑以下对称关系CUSUCUSU信号频谱表达式可最后写成SF，一渝一1KFCUI，二U2JSU,，二U2L234其振幅频谱为ISFI揣CU,，二U22JSU,，二U,121/2235相位频谱为LLLWEESJOF一粤F入2ARCTGLSU,SU2CU,CU2O,F02F236其中01F，称为平方率相位项02F厂SU,十U,飞，、，T、人_。一“RCTGCUCU“JPLC刀930R,R日1119一侧理友毕倒界幼坦匕_一一持续时间伯号颐率图2，根据菲涅环积分的性质线性调频信号的时域波形与频域波形示意图当TB1时，菲涅耳波纹很小，信号能量95以上集中第10页国防科学技术大学研究生院学位论文在卜B/2,B/2范围内，振幅频谱接近于矩形，而且由于些一TSU2司CU,CU2残余相位项。2F粤斗。图21为线性调频信号及其频谱示意图。24线性调频信号的产生方法241线性调频信号产生方法概述ISI7L线性调频信号的产生方法可分为模拟方法和数字方法两类。模拟方法是传统方法。包括有源法和无源法。有源法又称直接合成法，即用线性锯齿形电压控制压控振荡器VCO产生线性调频信号。这种方法结构简单并可在宽频带内得到比较满意的线性度。但存在许多问题，如每个脉冲起始的射频振荡相位不相参、振荡器长期和短期稳定度差、振荡频率随温度漂移、相位噪声不佳，因而这种方法产生的线性调频信号相干性差。对于相干体制雷达，相干性是决定雷达性能的关键指表，所以在用有源法产生线性调频信号时，相关性的要求可以用锁相环来实现。在产生线性调频信号期间，锁相环失锁，VCO的调频电压随调制电压成比例变化。应当指出，锁相环的作用只是保证线性调频信号的起始点相位和基准信号同步，而在产生线性调频信号期间的载频相位完全靠时延的稳定性和调频斜率的稳定性保证。因为这种方法是通过锁相环保证线性调频信号和载波之间的相干性的，所以又称这种方法为间接合成法。另一利，是无源法。这种方法是利用某些器件或网络所具有的色散延迟特性将一窄脉冲变换为线性调频信号。用此法产生线性调频信号的关键是要有一个与所要求相频特性一致的全通网络，它基于如下原理，即任意一个信号都可以由一个形状合适的、具有零相位频谱的信号通过一个具有合适相频特性的全通网络产生。于是，为产生频谱特性为ISWLEXPFIGSW的线性调频信号，其中ARGSW一9141另外，波形存储直读法具有任意波形产生与预失真功能。下面讨论相位截断对输出信号频谱的影响。为了得到高的频率分辨率，相位累加器的位数L一般较大，而在DDS设计中，为了节省正弦表存储器容量，人们希望在不引入过多的干扰的情况下尽能的多截去相位累加器的低有效位。故相位累加器的L位输出中只有高M位元寻址存储器，从而产生相位截断误差EP设相位累加器的原输出相位序列为中N，经相位截断，舍去低D位后，输出的相位序列为0,N殊NNKMOD2一NKMOD2B241相位截断误差序列E,NON一0NNKMOD2B242根据模运算的性质知，T是一个严格的周期序列，其周期为2B廿二。、，。H凡，乡T甲D入MOUGCD20,B243再假设DAC具有理想特性且不考虑幅度量化误差的情况下，DDS的输出幅度序列为。卜一2S2二、一2R2二，一2R2二、一21R2二，一N21RNKJ244则，山相位截断引起的幅度误差序列为。卜2SEENZL二，SIN21A,NK2245则，SEAN对应的DDS输出的时间连续的周期幅度信号为SEVT，一艺SENGNT，OQI2区间内均匀分步，其橄化误差的方差为TZ_Q2/，叮一/12321由量化误差引起的噪声为限带白噪声，其平均功率ZQE均匀分布于【一2,12之间，量化噪声的功率谱密度为SELF二F12习簇刀2322正弦信号的幅度的均方值为3422ZN一，0/V二7厂，/心2则可得量化后的信噪比。602N1763对于杂散噪声，我们首先以正弦波为例对波形存储直读法产生信号的谐波和杂散作理论分析，然后将这些结论推广到线性调频信号。如图32所示，DAC的资料宽度为N,波形内存的地址位为M，对于一个周期的正弦波来说。一“、，采样后相位变化的步长为0325第19页国防科学技术大学研究生院学位论文设系统时钟的频率为F,，输出波形的频率为FO，则FO一协由于DAC可以看作阶梯重构器，所以可以把图33等效为如图34326所示的数学模型。其中SR为冲激函数，H,T为阶梯重构函数。即0T兀ELSE其中T1/F,327F月LES七一1占口T、夕人SIN2场T艺8TNT图34波形存储直读法数学模型由波形存储直读法数学模型可写出UOT的数学表达式一TSIN2RFOT艺S一NTH,T328UOT实际上是对正弦波的采样值的阶梯重构，因而它是周期函数，周期TO2气T,，因而可进行傅立叶级数展开，则有UOT艺ACOSNMOTBSINNOOT329其中A一TNCOO51明11NCO,T1SINSINK2K1“一NCOO2K1T2J3210B一4SINNCO,T,1宁SINK。SINFNROO2K1TSINT2少汀L23211TNCOO由式329、式3210、式3211，可求得UOT的基波分量为下叮月钾、R几一LESESJ145110TSLITTWO21瞥SINA1一，C2K1MOT2盲SINLR1、一，一砚2K1COO不2二次谐波分量为第20页国防科学技术大学研究生院学位论文。22SINTETLC叭L2IYSINKK1一一。2K一帆呼ZMT11ALYSINKK1一SIN2一呼Z0T,1同理，可以得到三次及三次以上的谐波分量。由此可见，经DAC后输出信号中含有丰富的谐波分量。各谐波分量的幅度大小与系统时钟关、输出信号频率FO、内存地址位数M有关。对AOL进行傅氏变换，得到其频谱。一、COALW一“艺9ROAGO一。01一D。一一NW,3212从式3212可以看到，谱线总是出现在FNF,1FON0,1,2,处，它们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近。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LFM信号来讲，采样所造成的相位变化步长B不在是常数，这是因为LFM信号的频率是线性变化的，对应于相位则是更快速的变化。经阶梯重构函数输出信号将不再是周期信号，不能形成固定的信号IQS波，也就无法用傅立叶级数展开。因此，输出信号频谱中不再存在信号和时钟谐波混频谐波，而是频谱更丰富、更复杂的杂散分量。它们将在输出信号的频谱中形成粗糙的杂散基底噪声。322采样率对波形存储直读法的谱质影响对321节，的信号XT进行过采样和NH位量化，其过采样频率为FH,L“F4声。经M次倍频后，相位噪声的输出为B0TMOT3226经M次倍频后的输出为、，。VOCOSMCOTMBTVOCOSMCO,TCOSMBTSINMRO,TSINMBT3227NM“6T很小时，VOW可近似为VOTVOCOSMC,TMOTSINMCOT对输出相位噪声求相关函数3228RTLIM土R8TZT8,TRDRM2LIM券F,BTBT”一M2“，3229由自相关函数与功率谱密度的关系，可得相位噪声BOLT的双边功率谱密度S,。一丘ROT。一，“DR1RBRE“D一M2SB0O3230、。_、。二、S1P一一_、，。、二、。_，、_、，、。，。、_谈物八1舀愣比刀二I片二井兵甲，R,刀枷八月用情亏叨平RP刀WIT八相仪嵘P叨N饰率。由功率和功率谱密度的关系，可得输出信噪比FSPEA_共F助NOP,OOMN3231用DB表示即为。DBN,S，一，DBN,，一OIGM,3232式3232倍频K会导致相位噪声的倍增，从而引起信噪比恶化。“F计算出第24页国防科学技术大学研究生院学位论文四倍频链将导致信噪比恶化12DB此外，载漏和镜像分量经倍频后有一定的影响，由前面的论述，我们知道载漏和镜像分量是由于I,Q两路幅相不平衡引起的，本面将进一步分析载漏和镜像分量倍频后对输出信号的谱质的影响。将正交调制的输出重写为下式STASINWOT沪一S3233其中当“、AZ1二刀，2ACOS2A2刀1ACOS沪TGOASIN2必声SIN必Q很小时，参数A,LASIN2沪刀SIN沪B可简化为护一ZADA1BXASIN2介PSIN必3234则倍频器的输出为S“T二SINMWOT0一BIMEJMWORQEJUE留IM1一JMBEJM,ML3235代入式3234得S,1“5111MWO，十。十粤SINMWATM2R0RSINMWBTM一20SINMWOT“10一SINMROOTM一1O3236在式323611A，载漏引起的分量为MWOTM士1O，镜像引起的分量为MRODM士2“。可见经倍频后载漏和镜像对信号频谱的影响得到了倍增，使倍频后的输出信号谱质进一步恶化。33调频线性度分析调频线性度是衡量线性调频信号产生质量的重要指标之一。尤其对于XXX雷达，线性度校正是关键技术之一，因为它对雷达分辨率与测距精度有着一定程度的影响。对调频线性度的分ELI7改善是宽带信号产生系统不可忽略的环节之一。线性调频信号的调频线性度就是针对频率偏移函数FT0而言的，它反映了实际信号第25页国防科学技术大学研究生院学位论文频率偏移理想线性频率的程度。调频线性度采用下面两种定义LIJFTJ_/B、一仃IFTLAT小。L，为最大吩时线性度，L、为均方根线性度。对于脉冲线性调频信号雷达来说，由于信号产生方法的差异，使得调频线性度主要体现在脉压后产生较高的旁瓣。因此，调频线性度主要从下面两方面分析相位误1脉压后产2仁成对回波根据成对一回波理论，相位误差可以分为两种快变化的相位误差和慢变化的相位误差。以下我们从这两方面分析。331快变化的相位误差若相位误差波动的周期远小于回波延迟时间R，则可将其视为快变化的相位误差。由于这种误差大多由数字元部分的幅度量化引起，故可认为其变化频率为数字电路的时钟频率。设快变化的相位误差为OTOPSINCOCLKT331则山于2ZIC,K得差频信号为万，厂是有第27页国防科学技术大学研究生院学位论文、LTCOSURTCOORURZL2扮0T3310一COSFLRTCOOR/URZL2一。POPSINWPTCOSURT沪一刀SINCPT其中夕RFV,叭为调制指数，砂气二十URZ/2为常数相位项。率偏差函数为从3310式可以看出频FTDO里2ZDT“，汽SINCOPT3311根据339式和3311式，结合我们实际方案，假定T75US,150US和300USOP1，鲜为1OMHZ又105175娜3X10515X10503X105150娜15X10一075X105015X10一，300US075X10503X10501X105表3，线性度与相位误差的关系从表3州，以看出，在2GLCOP条件下，10一，的调频线性度基本上可以达到。34线性调频脉冲压缩系统失真分析本节接土节继续分析宽带线性调频信号的失真，主要是量化相位误差、正交调制的载漏和镜像、及模拟环节引入的幅相失真等对匹配滤波脉冲压缩性能的影响。341幅相失真对匹配滤波的影响此处仍采旧寸域调制模型来分析线性调频信号的幅相失真对匹配滤波脉冲压缩峰值旁瓣的影响。设线性调频F号为STEL“0，一1，、。卜2VJ341第28页国防科学技术大学研究生院学位论文当信号存在幅相失真时，不失一般性，可将其写为S,T一FLA，COSAO,TLEJB0IN,LSW342其中A,。，B1口，分别为信号幅度和相位调制的振幅和角频率。将EJB,V,按贝1尔函数展开，并取小相位BY_2BTO又设幅相校正函数分别为AN和ON因而不失一般性，可将校正放在I路进行，考虑到幅相不平衡的校正对两路是等效的，则预失真基带为IN二ANCOSIRBTNIN一05Z0N5110QNQN5111为了获得校正函数，通常首先采用单边带测试法测出带内的镜像，然后再依此估计出幅度和相位修正函数AN和ONA按上述方法经反复试验最终可以取得满意效果。其不足之处在于校正函数的获取具有很大的估计性，不具普遍意义，通常只适用于两路幅相不平衡不可测的情况。2、频域校正方法M频域校正则是通过用频域校正函数对基带频谱修正后，再经傅立叶反变换得到预失真基带。类似地，设校正放在I路进行，并设校正函数为C,劝，则预失真基带为PNFCWIWL5112QNQN5113其中，1T为IN的傅立叶变换。频域校正需要对IQ正交两路的幅相不平衡性作出精确测量，这通常相当困难。随着数字元测量仪器性能的提高，使得我们有可能通过测量直接得到正交两路不平衡的资料。针对目前所研制的正交调制部分的输出可测的特点，本文提出了一种通过测量获得校正函数的方法，具体过程为首先产生I路基带资料I的同时令QN二0，直接录取正交调制的输出IFN，再利用数字信号处理，即可得I路传输特性HWIFW1WI,。一。类似地，可得Q路传输特性H4W，于是Q两路的幅相不平衡为HCUIHWW则对I路校正而言，校正函数C佃二HYM/H。下面就正交调制部分固定的幅度与相位误差做预失真分析，并给出具体时域算法及第49页国防科学技术大学研究生院学位论文仿真结果。从原理上来说，正交调制器应该具有工信道与Q信道相位上的正交性与幅度增益的一致性。然而，实际上，很难严格的保证相位正交与幅度增益一致性。这种相位误差与幅度不一致性将导致我们所不希望的镜像分量的产生，而且这种镜像分量一般情况下位于信号带宽之内，很难在后端处理中将其去除。通过对镜像产生的根源上的分析可以发现通过对输入的工、Q信号的调整预失真很好的抑制镜像。通常的硬件实现方法是外加两个特殊的控制器来控制正交调制器的幅度调整与相位调整，这种方法比较通用，但是加大了硬件的复杂度。本节提出了一种简单的预失真算法，这种算法可以较为简单通过硬件实现，针对不同的应用，还可以不需要增加任何硬件只对输入信号资料或生成资料算法进行调整。本节针对可软件调整正交输入的调制部分进行分析与仿真，达到了较好的效果。叫频帅载图52正交调制器误差模49正交调制用以完成两路基带到中频带通信号的合成，其数学模型如图31所示，这里在不考虑载漏的情况下再一次对正交调制失真进行建模，其输入输出关系为犷TITCOSCOOT一QTSINWOT5114当调制器输入信号为IICOSOM,QT二SINCAR时，有梦TCOSCOOTCOT5115即将基频口搬至以COO为中心频率处。正交输入信号的不平衡和调制器件性能的非理想特性都将导致载频镜像分量，下面就这两种情况分别予以分析。1为和两路输入信号不平衡导致镜像分量。假设工、Q两路输入信号相对幅度为G，相差，二者反映工、Q两路偏离正交的程度，不失一般性，可设1,Q两路的不平衡由Q路信号造成，则输入信号可表示为ITCOSAQTGSINCOTP5116第50页国防科学技术大学研究生院学位论文设调制的本振频率为山。，则犷RCOSUXCOSWOT一GSINWTSINWOT一月GCOSCOOTOX4P形COSWOT“一月GCOSWO卜，月COS、卜、5117由5117式可见，调制输出中除包含期望信号外，还出现了由于正交两路的幅相不平衡造成镜像分量等式右边后两项。2正交调制器非理想特性导致镜像的产生。正交调制器中，由于90度相移误差以及两个信道的增益不一致性同样也可导致正交调制中镜像的出现，我们不妨设相移误差为8度，信道增益比为H将一路归一化，其误差模型如图52所示。不难证明，当HG,BQ时，1和2具有同样的结果，因此正交调制器相移与幅度增益误差可以等效到1Q输入信号的幅度与相位失真上去。并且，不难得出信号分量与镜像分量能量之间的关系，其关系式为二DB一，。，。9IG22GCOSVLL0LOGL,2,LU一VCOSCP1J5118中G为工、Q两路幅度增益比，尹为其相位误差。信号与镜像比5工R对幅度增益误差与相位误差的关系如图53所示。、一、一矛么丈柑住资挂碑李图53松，。币万一墉SIR与幅度增益比及相位误差的关系根据上面的分析，既然调制器所造成的幅相误差可以等效到输入调制器的工、Q两路信号幅相误差上去，我们就可以只考虑输入调制器工、Q信号幅相误差。亦即只要考虑正交两路输入不平衡导致镜像分量的情况，我们定义新的调制信号为RT与QTO第51页国防科学技术大学研究生院学位论文令ITITCOSWT,QTGSIN“十0，为了能使另外一路与其对称，则必须使QTGCOSRPQTSMOCOS价IT。其中IT与QT为两路原始调制信号，TT与QT为替代IT与QT的新的调制信号。这样，便可以得出调制输出可表示为护TCOSCOOTPTSINWOTQTCOSCOOT一CWT5119这样，调制器便有理想的信号输出，但是实际应用时，由于事先并不知道幅度增益比例及相位误差的大小，可以采用逐次逼近的叠代算法，令ITIT二KQT一1IT5120协其中K和1为两个可调参数，很显然，只有当K一上一1GCOSTPSINSOCOS沪5121时，便可消除镜像。根据上面的算法，调制信号预失真算法既可软件实现，也可以硬件实现。考虑到硬件实现需要额外的器件，一般时优先考虑软件实现。如果正交调制信号是通过DSP软件产生的话，只要将预失真部分加到调制信号产生软件上去即可。如果软件不能实现的话，就需要增加硬件实现该算法。这里，我们对软件可调整系统进行分析与仿真。将5120式代入5119式可得了TCOSWOTPTSINWOTQTCOS00TCOSWTSINWOTGKSINWT9一1COSROT上1、KG。，COSWOT2CWT工KG2SINTP一/SINWOT一。TKG一，COSCOOTCA合KGSIN，一SINWOT“5122口几了气12十因此不难得出SIRDB101O邵1K2G22GKCOSRP12一2KLGSIN1K2G2一2GKCOSP12一2KLGSINRP5123对于一个固定的系统，CP都为确定的常数，因此，5123式中影响可调整SIR的因素在于K和1。图54表示了G09,9二50的情况下SIR与K和1的关系，从图中可看出在一定的范围内可搜索出适当的K与1使得SIR达到最佳值可以采用二维搜索，也可第52页国防科学技术大学研究生院学位论文以通过两个一维搜索实现，具体算法这里不详叙。肇狱刁2CA今数K图54SIR与参数K和参数的关系本算法从理论推导上证明了正交调制器所造成的相位与幅度的失真能够等效到输入调制器的1Q两路输入信号的失真上去，这样就可以提出一种简洁的预失真算法来抑制镜像。理论上证明该