【《雷达信号接收机的基本结构分析》4500字】

雷达信号接收机的基本结构分析目录TOC\o"1-3"\h\u22400雷达信号接收机的基本结构分析 1136381.1超外差式接收机 1234881.2零中频式接收机 4214101.3镜像抑制式接收机 5271341.4数字中频式接收机 7115391.5接收机性能特点对比 8接收器是一种能够从杂波中探测微弱无线电信号的装置，因为有用的信号常常淹没在噪声和噪音中，而且它的能量非常小（通常为负的几十dBm），所以接收器必须有一个放大过程，并在过程中检测出有用的信号，最终设由终端备显示出记录。接收机具有高频放大器、衰减器和视频检波器等[6]。本节介绍了几种比较典型的接收机类型，包括超外差式、零中频式、镜像抑制式和数字中频式接收机等，并对每一种的优缺点进行讨论分析。1.1超外差式接收机超外差射频接收机滤波是一种通过使用本地信号振荡器滤波和本地输入输出信号滤波进行射频混合，并将各种不同输入输出信号的预定频率误差转化后成为一个预定输出频率的一种射频接收机的方法。1918年6月，阿姆斯特朗首次提出了超外差接收的数学原理，该接收方法的主要功能是在传统无线通信技术中高频外差接收原理的基础上发展起来的。以便于满足传统电信中对高频微弱载波信号的高频接收。外差法主要的就是把一个音频输入声音信号转化成了一个音频，而超声阿姆斯特朗法主要的就是把一个音频输入声音信号转化成了一个超音频，所以我们叫做声音超外差。1919年，利用高频超外差信号原则设计制造了一台新型的高频超外差信号接收机。这种高频接收放大模式的高频性能明显地要优于目前传统的高频(直接)信号放大式的高频接收，所以至今还被广泛地作为应用于测量遥感和远程控制信号的高频接收，并且正被广泛推广应用于遥感测量和远程控制通信技术中。超外差式接收机的构成示意图2-1所示。图2-1超外差式接收机原理框图结合框图、按照雷达接收机中回波的频率变换过程，可以将超外差式接收机分为高频、中频、视频三个部分。高频部分主要是接收机前端，当发射机工作正常时，T/R和保护器通过短路连接到接收机的另一个输入端，对大信号限幅保护；混频器的主要功能是确保本振频率和传输频率是频率转换的中间频率。其中频部分指中频信号放大器、匹配滤波器。其中主要应用到AGC（AutomaticGainControl）和匹配滤波。匹配滤波技术就是为了使得信噪比达到最大值，AGC是一种反馈技术，可以使接收机在不同的环境下具有不同的增益，以便于在雷达系统跟踪的各个环路里保持合理的信号增益。视频部分为检波器和视频放大器。检波器主要作用是包络检波，同步检波（同频，正交两路）；视频放大包括线性放大，对数放大等。结合方框图可以得出结论，超外差式接收机就是将高频小信号下变频，在经过一系列处理（如放大）之后[7]，该中频信号实际上易于处理，通过对奈奎斯特采样位置的分析，可以降低后续滤波器的Q值，有利于信号的获取和处理，但这种结构最大的缺点是寄生频率干扰严重。因为微波混频器的主要特点之一是信号具有非线性，其信号干扰处理方式主要依据可以详细划分为以下四种：组合波道频率干扰、副波道频率干扰、交叉调制频率干扰以及互调式干扰。其中一种所谓的内部组合寄生频率信号干扰也被我们称之为外部寄生组合频率信号干扰，它主要指的是在应用于一种泛化外部信号和本振时所直接产生的自身一种组合频率干扰；副波道干扰是指由外来干扰和本振产生的组合干扰。交叉调制干扰是指信号和外来干扰信号形成的干扰。互调干扰是指外来干扰组合的干扰。对于超外差接收器来说，寄生频率干扰是最严重的[6]。如果射频信号fRF、本振信号fLO、以及噪声和干扰信号f1、f2一起通过该部件时，便会产生这几个信号的组合频率镜像干扰，是超外差式接收机众多干扰中的一种。镜像频率定义是，从中心频率点开始两倍中频的频率点，可以用如下式子表示：fIM=fRF±2fIF，其中f超外差式接收机的优点[9]：输出的是较低的中频信号，信道选择相对容易，因为中频信道选择滤波器对Q值的要求低；增益等级也同样可以合理化的进行增益分配，中频功率放大器也应该是主要采用增益级的等级，因为中频功率放大器的结构设计更容易，性能稳定；易于实现对两个固定低中频率信号同时进行解频解调或者AD变换。超外差式接收机的缺点[9]：组合干扰频率多[9]。因为混频器是非线性器件，当有用信号fRF、本振信号fLO以及干扰信号同时进入时，便会产生这几个信号的组合频率pf电路结构复杂，元器件数量较多，体积大，功耗高[10]。不能适应多通信标准。超外差接收机中的中频放大器和中频滤波器的可调性差、信号带宽要求和其他通信标准也不一样[11]。1.2零中频式接收机在超外差式接收机诞生以后，使得对其的研究不断深入，不久之后零中频式接收机便被提了出来。超外差式接收机通过将本振信号修改为与射频信号同频，便得到了零中频式接收机[12]。其原理框图如图2-2所示。图2-2零中频式接收机原理框图结合这个框图我们其实可以简单地分析其中的工作原理它就是将从天线两端输入的射频信号经过一个滤波器然后用一个低噪声射频放大器对信号进行放大，该信号放大后的电子射频本地信号通常与在相位同步环境中生成的正交本振频率信号混合，得到I、Q的正交相位同步电子射频基带的本地信号。由于零中频信号接收机的本振信号与它的射频本振信号之间的发射频率几乎完全是一样的，所以得到的正交信号均在接近于基带频率[13]。零中频式接收机的优点有如下几点：无镜频干扰，也就是不需要集成一个高Q值的滤波器，信号经过再一次放大以后传输出给I/Q下变频器，然后变换成一个两路正交基带信号。正交基带信号被可变增益放大器（VGA）放大且相位差不变，经低通滤波器后可直接进入模数转换器变换成数字信号进行处理[14]，可以有效解决超外差结构中接入多个滤波器的问题。结构简单，耗能低。零中频接收器的中频信号的频率为零，且无镜频干扰，因此接收器结构简单对于集成接收机来讲无需设计其他器件，特别是复杂的滤波器结构，大大减少了成本；另一方面零中频系统仅存在部分简易的射频信号调理模块和基带模块，直接降低了接收机的功耗，外部信号带来的干扰也更少。可适应不同的通信标准。因为通过改变本振信号的频率可以很容易的将不同频率的射频信号均下变频为基带信号，而基带信号滤波器可以很容易的设计成可编程的，从而利用处理器进行控制，从而适应不同通信标准。同时零中频式接收机也存在一些缺点：直流偏移。直流偏移源于混频。因为混频器输出之间的隔离度有限，本振信号就会泄漏到混频器的输入端，然后和自身混频，在输出端造成一定的直流偏置。该直流偏置会使得基带信号电平整体抬高，使得后续的ADC的低位失效。另一方面，直流偏移分量的能量比有用信号强，且有用信号而浸没，后者模块饱和，且接收器的灵敏度可降低。本振信号泄露。由于混频器的间隙分离程度有限，所以从本地天线发送的信号很可能经由混频器泄漏到射频端口，进而经由射频滤波器或低噪声放大器等从天线进入天线端口进行发送。从而影响其他通信系统。I、Q失调。由于锁相环产生的本振信号不能完全正交又或者混频器支路的增益不相同等一系列原因，会使混频所用的一对正交信号实际上并不严格正交，从而会造成I、Q信号失配。偶数阶次成像失真。在超外差式接收机中，我们主要是考虑奇数阶段的失真。对于一台零中频的接收机而言，我们也需要充分考虑偶数阶段的失真。由于元件的非线性，会使其产生两个频率之间的差异。对于一个理想的混频器，这个输出的信号可能会被转换为较高频率，从而使信号受到干扰。闪烁噪声。1f1.3镜像抑制式接收机镜像干扰一直是接收机设计中存在的一个比较棘手的问题。超外差式接收机和零中频式接收机均具备各自解决镜像干扰问题的方法。另外还有一种对于遏制和消除接收机镜像干扰有比较好的效果，从设计原理上就不存在镜像信号干扰的问题，那就是镜像抑制式接收机。主要有Hartley和Weaver[15,16]两种，分别如图2-3，图2-4所示。图2-3Hartley镜像抑制接收机结构框图图2-4Weaver镜像抑制接收机结构框图两种镜像抑制式接收机都去除了应对镜像干扰而设计的复杂的镜像抑制滤波器，而是从原理上增加了其他器件来达到抑制镜像抑制信号的目的。在Hartley结构中只发生一次混频，整个电路中只需要一个本振源和正交功分器即可，本振信号通过90度的相移来生成两个正交本振信号，射频信号分别与这两个信号混合而得到两个中频信号，将一个中频信号相移90度，与另一本机振荡器信号相加而得到中频输出[17]。在Weaver结构中产生两次混合，信号代替Hartley结构的90度移相器而重叠，在结构上需要两个不同的本地信号，正交功分给四个混频器。总体上二者均是通过频谱的搬移和频谱的叠加来实现镜频信号抑制功能。Hartley接收机电路结构简单，射频功分后的两路信号混频增益与相位失配较小，但是电路存在中频正交耦合器或者移相器，此类器件通常为窄带工作，限制了中频带宽。Weaver接收机结构混频器较多，存在更多的杂散分量，电路结构也更为复杂。该接收机的优点是从原理上完全消除了镜频干扰，即在理想条件下，完全不会有镜频干扰存在。但是实际当中的电路不可能是完全理想的电路，而且精准的90°移相很难做到，特别是在比较高的频率。因此限制了该结构接收机的应用。因为实际应用中，RC移相网络对失配很敏感，I、Q这两条路存在振幅和相位不一致的问题，由于此时的镜像信号仅通过简单的重叠来抑制，所以上述两者通常只能实现25～40dB的镜像信号抑制率[13]。1.4数字中频式接收机数字化中频式接收机是近些年来我国通讯技术领域的研究发展热点。近年来，数字中频式直流接收机迅速进步和发展，在技术研究和生产设计上已经取得了一些重要的成果[18-21]，在射频前端，其结构与超外差式接收机很相似，具体结构图2-5所示。图2-5数字中频式接收机结构框图数字中频接收机是射频信号通过数字滤波器、混频、放大、后进入高速高精度ADC、最后送到FPGA和DSP等模块，在中频段对信号进行采样处理，实现信道功能。数字中频接收机适用于接收处理多模式，多载波信号，具有极高的灵活性和准确性。它不需要将信号变换到基带或者低频段，避免了非线性失真和噪声影响，并且I、Q路镜像抑制比高，解决了传统模拟接收机的瓶颈问题。并且在中频就可以对信号进行数字化处理，可以方便的采用程序实现各种各