數(shù)字信號處理在雷達(dá)相噪測量中的應(yīng)用

宗惠慶

(羅德與施瓦茨(中國)科技有限公司， 北京 100012)

·信號處理·

數(shù)字信號處理在雷達(dá)相噪測量中的應(yīng)用

宗惠慶

(羅德與施瓦茨(中國)科技有限公司， 北京 100012)

隨著通信和雷達(dá)的發(fā)展，脈沖信號的相位噪聲成了影響整個(gè)系統(tǒng)性能的重要因素之一,采用傳統(tǒng)模擬相位檢波法測量脈沖信號相位噪聲是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@樣的測試系統(tǒng)非常復(fù)雜，并且在測量相位噪聲之前需要非常繁瑣的校準(zhǔn)程序，先進(jìn)的正交數(shù)字相位解調(diào)和幅度解調(diào)技術(shù)能很好地解決這個(gè)問題。采用正交數(shù)字相位解調(diào)和幅度解調(diào)技術(shù)的系統(tǒng)不需要相位檢波器和復(fù)雜的校準(zhǔn)程序，利用極低噪聲的參考源和互相關(guān)技術(shù)，提高了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍和測量靈敏度，實(shí)現(xiàn)了一鍵式精密測量脈沖相位噪聲和調(diào)幅噪聲。

雷達(dá)；脈沖相位噪聲；相位檢波器；互相關(guān)；數(shù)字 I/Q相位解調(diào)

0 引 言

雷達(dá)從字面上表示無線電監(jiān)測和預(yù)警，現(xiàn)代雷達(dá)則盡量從目標(biāo)上提取更多的信息，比如：目標(biāo)的方位、移動(dòng)速度和目標(biāo)的大小等，雷達(dá)通過向目標(biāo)發(fā)射電磁波，電磁波在遇到目標(biāo)后會產(chǎn)生反射信號，這個(gè)反射信號被雷達(dá)接收，利用發(fā)射和反射的時(shí)間差可以得出目標(biāo)的距離信息；雷達(dá)測速則是通過比較發(fā)射信號和回波信號的多普勒頻移得到，通常情況下，雷達(dá)照射目標(biāo)產(chǎn)生回波信號的多普勒頻移基本上在音頻范圍之內(nèi)，距離載波信號非常近，因此雷達(dá)系統(tǒng)對載波信號的質(zhì)量有一定的要求。雷達(dá)信號相位噪聲越低，意味著空間分辨率越好，對移動(dòng)物體的速度讀取也就越準(zhǔn)確。

1 雷達(dá)工作原理

1.1 雷達(dá)測速

雷達(dá)測述[1-3]不僅對預(yù)測目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡非常重要，在很多情況下對需要把移動(dòng)的目標(biāo)和精制物體區(qū)分開來也同樣重要,動(dòng)目標(biāo)指示雷達(dá)(MTI)用來區(qū)分移動(dòng)目標(biāo)和靜止物體，雷達(dá)測速主要通過計(jì)算從目標(biāo)反射信號的多普勒頻移來實(shí)現(xiàn)。圖1是一個(gè)簡化雷達(dá)工作原理圖。

圖1 雷達(dá)工作原理圖

(1)

式中：fd為多普勒頻移；f0為雷達(dá)發(fā)射頻率；c為光傳播速度。

例1：機(jī)場的監(jiān)視雷達(dá)工作頻率為2.7 GHz，機(jī)場中正在滑行飛機(jī)的速度為80 km/h，所產(chǎn)生的多普勒頻移為

(2)

例2：戰(zhàn)斗機(jī)火控雷達(dá)工作頻率為10 GHz，加入用它來照射正在超音速飛行的飛機(jī)的速度為1 800 km/h，所產(chǎn)生的多普勒頻移為

(3)

以上兩個(gè)例子說明對大多數(shù)的雷達(dá)而言，所產(chǎn)生的多普勒頻移距離載波都非常的近，如果雷達(dá)本振相位噪聲太大，這些回波信號就會淹沒在雷達(dá)本身的相躁當(dāng)中，降低了雷達(dá)探測目標(biāo)的靈敏度?，F(xiàn)行的雷達(dá)多為脈沖體制，發(fā)射信號多為突發(fā)形式的脈沖信號，這就要求在脈沖調(diào)制狀態(tài)下測量頻率源的相位噪聲。

2 脈沖調(diào)制信號

2.1 脈沖調(diào)制信號相位噪聲[4-5]

當(dāng)信號被脈沖調(diào)制后，頻率譜密度會發(fā)生變化，圖1為經(jīng)脈沖調(diào)制后的頻率譜。頻率譜特性按脈沖重復(fù)頻率(PRF)為等間隔的離散頻譜， 頻譜形狀為sinx/x函數(shù)。脈寬的倒數(shù)為過零點(diǎn)的位置，如圖2所示。

圖2 連續(xù)波經(jīng)脈沖調(diào)制后的頻率譜

理想的連續(xù)波頻率的頻譜為一條線，實(shí)際的頻譜如圖3所示，帶有相位噪聲邊帶，同時(shí)帶有相位噪聲邊帶的脈沖調(diào)制信號的頻譜如圖4所示，連續(xù)波的相位噪聲反映在頻譜上為偏離載波的噪聲邊帶，通常用單邊帶相位噪聲指標(biāo)來對該參數(shù)定量描述。

圖3 帶有相位噪聲邊帶fc頻譜

圖4 帶有相位噪聲邊帶脈沖調(diào)制波的fc頻譜

由于脈沖調(diào)制頻譜是由無窮多譜線組成，每根譜線都有相位噪聲，從而產(chǎn)生頻譜混疊，使得fc的相位噪聲增加并產(chǎn)生頻譜擴(kuò)展。

2.2 傳統(tǒng)脈沖相位噪聲測量方法[6-7]

由于脈沖的相位噪聲是多個(gè)梳狀譜的疊加，所以很難用傳統(tǒng)的頻譜儀法去直接測量每個(gè)譜線的相位噪聲。目前脈沖調(diào)制波的相位噪聲主要用鑒相器法進(jìn)行測量，圖5是用鑒相器法測量脈沖相位噪聲的原理框圖。

圖5 脈沖相位噪聲測試原理框圖

由圖4可知，在測量脈沖相位噪聲中需要相位檢波器、脈沖調(diào)制器、PRF濾波器、低噪聲放大器等重要的部件，測試系統(tǒng)顯得非常復(fù)雜和昂貴。由于脈沖調(diào)制信號的頻譜相位是由無窮多根PRF譜線組成，并且每根譜線都帶有相位噪聲，從而產(chǎn)生頻譜混疊，PRF脈沖重復(fù)頻率濾波器顯得尤為重要。不同的脈沖重復(fù)頻率需要不同的脈沖重復(fù)頻率濾波器，脈沖重復(fù)頻率濾波器必須是窄帶的，只通過中心譜線的中心頻率，其余的譜線將會被濾除掉，現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)這樣的脈沖重復(fù)頻率濾波器非常困難。

根據(jù)脈沖調(diào)制波的頻譜分析可知，其已調(diào)載頻的幅度比未調(diào)載頻的幅度降低Δd

Δd = -20 lg(duty cycle)

(4)

即載波的功率降低了Δd，因此脈沖調(diào)制信號加到檢相器時(shí)，相位檢波常數(shù)Kφ常數(shù)也下降了Δd，從而系統(tǒng)測試脈沖信號相位噪聲的動(dòng)態(tài)范圍降低Δd。在使用鑒相器法測量脈沖信號相位噪聲過程中，根據(jù)參考源的不同又分為連續(xù)波參考源法和脈沖參考源法。

2.3 連續(xù)波參考源法

連續(xù)波參考源法測量脈沖相位噪聲系統(tǒng)中用的參考源是一個(gè)連續(xù)波信號發(fā)生器，如圖6所示。

圖6 連續(xù)波參考源法測量脈沖相位噪聲原理

從圖6可以看到，連續(xù)波參考源法最大的問題就是在脈沖信號處于OFF時(shí)相位檢波器器會輸出一個(gè)直流電壓，這個(gè)直流電壓導(dǎo)致后面高增益放大器的飽和，并且對鎖相環(huán)(PLL)而言，這個(gè)直流電壓看上去像是頻率誤差，從而導(dǎo)致PLL失鎖，另外參考源的脈沖調(diào)制源必須和被測脈沖源保持同步。

2.4 脈沖源參考源法[8]

脈沖參考源法解決了連續(xù)波參考源法測量脈沖相位噪聲過程中相位檢波器輸出直流電壓問題，如圖7所示。

圖7 脈沖參考源法測量脈沖相位噪聲原理框圖

從圖7可知，脈沖源參考源法消除了脈沖處于OFF時(shí)的直流電壓，前提是必須使得脈沖參考源與脈沖被測源保持同步。但是，由于參考源和被測源振蕩器的漂移，非常微小的脈沖沿不同步導(dǎo)致瞬態(tài)干擾，對測試結(jié)果造成比較大的影響。

3 基于數(shù)字相位解調(diào)技術(shù)的脈沖相位噪聲測量方法[9]

隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，基于先進(jìn)的數(shù)字相位解調(diào)和幅度解調(diào)技術(shù)來測量脈沖信號的相位噪聲得到了越來越廣泛的應(yīng)用，相比傳統(tǒng)的相位檢波法具有更低的相位噪聲靈敏度、更快的測試速度和更強(qiáng)大的功能，數(shù)字相位解調(diào)法測量脈沖相位噪聲的原理如圖8所示。由于采用了先進(jìn)的數(shù)字相位解調(diào)技術(shù)，無需相位檢波器，無需使用PLL，更不需要對參考源進(jìn)行脈沖調(diào)制和同步。輸入雷達(dá)脈沖信號直接和本振信號進(jìn)行模擬IQ混頻，混頻后的I路Q路信號經(jīng)濾波放大后由A/D進(jìn)行數(shù)字采集，從而保留幅度和相位信息。脈沖重復(fù)頻率濾波器和脈沖門均在數(shù)字信號處理中完成，非常容易處理不同的脈沖重復(fù)頻率。極低噪聲的參考源和高速互相關(guān)運(yùn)算很容易測量脈沖相位噪聲和脈沖附加相位噪聲，并且沒有復(fù)雜的校準(zhǔn)過程，從而提高了測試速度和擁有極高的系統(tǒng)靈敏度。主要采用的關(guān)鍵技術(shù)如下。

圖8 數(shù)字相位解調(diào)和幅度解調(diào)技術(shù)原理圖

3.1 數(shù)字處理和脈沖信號的自動(dòng)檢測技術(shù)提高測試速度和靈敏度

脈沖信號處理模塊原理圖如圖9所示，通過脈沖檢測模塊能夠自動(dòng)檢測脈沖信號，在脈沖開始時(shí)產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)記并產(chǎn)生一個(gè)脈沖門反饋給脈內(nèi)保持測量模塊，在脈沖處于OFF狀態(tài)時(shí)脈內(nèi)保持測量模塊將會鎖住脈內(nèi)信號，從而消除了在脈沖關(guān)斷期所有板塊的噪聲，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。接下來是數(shù)字濾波模塊，它是現(xiàn)場可編程門陣列中的一個(gè)數(shù)字低通濾波器，其功能是濾除頻率大于PRF/2的成分，和傳統(tǒng)方法相比這是相位噪聲測試儀(FSWP)測量脈沖相位噪聲的一個(gè)主要優(yōu)勢，傳統(tǒng)相位檢波法測量脈沖相位噪聲中，由于沒有合適的PRF濾波器，通常需要手動(dòng)外接不同的PRF濾波器來測量脈沖信號的相位噪聲，基于全數(shù)字的處理技術(shù)卻能夠自動(dòng)構(gòu)建合適的濾波器來大大簡化測量過程。

圖9 FSWP脈沖信號處理圖

3.2 利用脈沖門避免瞬態(tài)干擾

基于數(shù)字信號的脈沖檢測和處理技術(shù)另外一大優(yōu)勢是避免了脈沖開關(guān)產(chǎn)生的瞬態(tài)干擾，在脈沖開始的時(shí)后會產(chǎn)生一個(gè)脈沖門，真正測量開始是在靠近脈沖中心位置一個(gè)非常干凈的區(qū)域。脈沖信號的設(shè)置如圖10所示，脈沖信號下面藍(lán)色的條狀區(qū)域表示的是從脈沖門開始的延時(shí)時(shí)間，脈沖門用紫色條狀區(qū)域來表示，這是真正開始測量的脈沖相位噪聲的區(qū)域，通常情況下脈沖門的寬度為自動(dòng)檢測整個(gè)脈沖寬度的75%，高級用戶可以通過調(diào)整脈沖門的寬度和延時(shí)來測試特定脈沖區(qū)域的脈沖相位噪聲。

圖10 FSWP脈沖門設(shè)置

4 測試結(jié)果

設(shè)置脈沖源的載波頻率1 GHz，脈沖重復(fù)周期100 μs，脈沖寬度10 μs。

4.1 雷達(dá)脈沖信號相位噪聲測量結(jié)果

在脈沖信號相位噪聲測量模式下，F(xiàn)SWP自動(dòng)檢測到脈沖信號的載波頻率，脈寬等信息。無需任何設(shè)置，很快給出測量結(jié)果如圖11所示，由于脈沖重復(fù)頻率為10 kHz，脈沖信號相位噪聲的最大測試頻偏被自動(dòng)限制到5 kHz。

圖11 FSWP測量脈沖相位噪聲曲線

4.2 連續(xù)波相位噪聲VS脈沖信號相位噪聲

圖12比較了連續(xù)波相位噪聲測試曲線和脈沖相位噪聲的測試曲線，從圖中可以看到，在測量頻偏小于PRF/2,脈沖信號相位噪聲和連續(xù)波的相位噪聲基本相同，在測量頻偏等于PRF/2處, 脈沖信號相位噪聲比連續(xù)波的相位噪聲高5dB左右，這正是由于脈沖調(diào)制波的相鄰譜線相位噪聲互相疊加的結(jié)果。

圖12 FSWP測量脈沖相位噪聲曲線

5 結(jié)束語

本文主要研究雷達(dá)工作原理和雷達(dá)信號的主要參數(shù)和特點(diǎn)，以及雷達(dá)脈沖信號相位噪聲對傳統(tǒng)相位測試系統(tǒng)帶來的挑戰(zhàn)，提出了先進(jìn)的數(shù)字相位解調(diào)方法。這種方法能夠非常方便測量雷達(dá)脈沖信號的相位噪聲，不需要PLL 或?qū)LL環(huán)路抑制造成的補(bǔ)償，沒有復(fù)雜的校準(zhǔn)過程，比其他的方法更快速 (同樣的靈敏度)，同時(shí)具有一鍵式測量附加脈沖調(diào)制信號相位噪聲和調(diào)幅噪聲的能力?？梢灶A(yù)料，這種技術(shù)將會在雷達(dá)制造和OXCO晶體研發(fā)中發(fā)揮越來越重要的作用。

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宗惠慶 男，1978年生，碩士。研究方向?yàn)橄辔辉肼曄到y(tǒng)、太赫茲系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)測試測量。

Application of DSP in Radar Phase Noise Measurement

ZONG Huiqing

(Rohde & Schwarz (China) Technology Co., Ltd., Beijing 100012, China)

With the development of communication and radar, pulse phase noise is becoming one of an important factors which can influence the whole system performance .how to measure pulse phase noise at present is a big challenge because the measurement system is very complicated by using traditional analog phase detector method. Also Complex calibration procedure is needed before pulse noise measurement. The new technique based on digital I/Q phase demodulation can solve this problem which does not need phase detector, pulse phase noise measurement can be done easily and accurately by using digital I/Q phase demodulation and cross without complex calibration procedure. High dynamitic range and sensitivity is achieved by using cross-correlation technique and ultralow noise reference signal generator. Pulse phase noise and AM noise measurement can be done by pushing a button.

radar; pulse phase noise; phase detector; cross-correlation; digital I/Q phase demodulation

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.12.013

宗惠慶 Email：14533531@qq.com

2016-09-20

2016-11-18

TN957

A

1004-7859(2016)12-0065-04