一種零中頻二次雷達(dá)直流偏置補(bǔ)償算法

劉永剛 楊見 鄒亮

【摘要】? ? 基于零中頻架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)以及隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展帶來的新工藝的突破，零中頻方案的應(yīng)用也越來越成熟，但是，其存在的一些問題并沒有隨著技術(shù)的發(fā)展而消除，本文針對(duì)零中頻架構(gòu)存在的直流偏置問題提出一種處理方法，并通過實(shí)際的工程應(yīng)用進(jìn)行驗(yàn)證。

【關(guān)鍵詞】? ? 零中頻技術(shù)? ? 直流偏置? ? 二次雷達(dá)

引言：

零中頻（ZIF）架構(gòu)自無線電初期即已出現(xiàn)，該架構(gòu)具有最低的成本、最低的功耗和最小的尺寸等優(yōu)勢(shì)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，通過工藝、設(shè)計(jì)、分區(qū)和算法的組合可以解決零中頻架構(gòu)早期存在的諸多普遍性缺陷，帶來的新產(chǎn)品取得了性能上的突破，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)技術(shù)望塵莫及的新型應(yīng)用，不可避免的，零中頻架構(gòu)也存在一些問題，包括閃爍噪聲（1/f）、直流偏置（DC-offset）、I/Q不平衡、偶次諧波等。

零中頻接收機(jī)轉(zhuǎn)換射頻信號(hào)到零中頻，大量的偏置電壓會(huì)惡化信號(hào)，更嚴(yán)重的是，直流偏置信號(hào)會(huì)使混頻后級(jí)飽和、信號(hào)失真等。

一、本振泄露

本振泄漏在I或Q信號(hào)路徑中表現(xiàn)為增大的直流失調(diào)。其原因是LO直接耦合至射頻信號(hào)路徑中，并被以相干方式下變頻至輸出。結(jié)果產(chǎn)生混頻器積，表現(xiàn)為直流失調(diào)，加入信號(hào)鏈里存在的任何殘余直流失調(diào)中，如圖1所示。

本振口、混頻器口與LNA之間的隔離度不好，本振信號(hào)、環(huán)境電磁干擾信號(hào)等可以直接通過LNA和混頻器，這種現(xiàn)象即本振泄露，是由于芯片內(nèi)部的電容及基底耦合的，耦合的本振信號(hào)、干擾信號(hào)經(jīng)過LNA到達(dá)混頻器，和輸入的本振信號(hào)混頻（自混頻），這樣會(huì)在低通濾波器之后產(chǎn)生直流成分;

近似的情況如（b），從LNA出來的信號(hào)、干擾信號(hào)耦合到混頻器的本振輸入口，從而產(chǎn)生了直流分量。

二、傳統(tǒng)的直流偏置處理方案

消除直流偏置的方法包括通過算法校準(zhǔn)、利用解調(diào)芯片校準(zhǔn)補(bǔ)償接口對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆绞揭约皟烧呦嘟Y(jié)合的方式等。

2.1盲校法

具有代表性的，TI公司的盲校法如下：

直流累加：

更新直流偏置：

直流偏置更新統(tǒng)計(jì)：

直流偏置補(bǔ)償：

2.2解調(diào)芯片自校準(zhǔn)

利用解調(diào)芯片自校準(zhǔn)接口進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆绞饺鐖D2所示。

基帶信號(hào)中攜帶的直流偏置可以通過在時(shí)域上對(duì)數(shù)據(jù)求均值獲得，輸入數(shù)據(jù)與均值相減即完成消直流的過程。有一點(diǎn)不可忽略的是數(shù)據(jù)中會(huì)存在大量信號(hào)，包括有用信號(hào)以及干擾信號(hào)，其功率會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過噪聲的功率，若不將輸入數(shù)據(jù)中的信號(hào)進(jìn)行剔除，全部當(dāng)作噪聲處理求直流偏置，輸出數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)失真等問題。

三、基于FPGA的實(shí)時(shí)補(bǔ)償

本文主要應(yīng)用與二次雷達(dá)系統(tǒng)，故根據(jù)二次雷達(dá)系統(tǒng)中噪聲、信號(hào)的特性，建立相應(yīng)的模型。

設(shè)計(jì)一種數(shù)據(jù)甄別滑窗，對(duì)輸入數(shù)據(jù)的類型（噪聲、信號(hào)）進(jìn)行識(shí)別，準(zhǔn)確提取出基帶數(shù)據(jù)中I/Q路攜帶的直流偏置并實(shí)時(shí)消除，提升設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性。

二次雷達(dá)系統(tǒng)接收通道基帶數(shù)據(jù)中噪聲模型：

加性高斯白噪聲可定義為二次雷達(dá)設(shè)備接收通道基帶信號(hào)中噪聲的數(shù)學(xué)模型，其正交分量nI（t）和nQ（t）是不相關(guān)的零均值高斯噪聲，具有相等的方差。

二次雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)答信號(hào)模型：

根據(jù)國際民航附件十的要求，二次雷達(dá)應(yīng)答信號(hào)序列（如圖所示）中每個(gè)脈沖標(biāo)準(zhǔn)脈寬為0.45us（如圖4所示），相鄰兩個(gè)脈沖間隔最小為1us，而當(dāng)4組應(yīng)答信號(hào)交織時(shí)，會(huì)形成相鄰脈沖之間無間隔的情況進(jìn)而合成一個(gè)寬脈沖，考慮到二次雷達(dá)應(yīng)答信號(hào)編碼規(guī)則，脈沖序列會(huì)存在部分位置編碼為“0”的情況，同時(shí)考慮FPGA資源的問題，故將二次雷達(dá)應(yīng)答信號(hào)有效脈寬設(shè)置為10us，根據(jù)切線靈敏度的定義，目前二次雷達(dá)設(shè)備僅需識(shí)別出功率大于噪聲的信號(hào)。

攜帶直流偏置的噪聲模型：

直流偏置與信號(hào)在時(shí)域上通過正反偏置特性以及保持時(shí)間即可進(jìn)行甄別，信號(hào)的脈寬基本是固定的，可預(yù)測(cè)的，而直流偏置則保持時(shí)間更長(zhǎng)，在設(shè)備每次上電或進(jìn)行收發(fā)切換完成后不會(huì)存在劇烈變化的現(xiàn)象。

據(jù)此，可認(rèn)為，若數(shù)據(jù)幅度超出噪聲判定門限且保持時(shí)間超過有效信號(hào)脈寬門限，就可認(rèn)定通道上存在直流偏置，進(jìn)而進(jìn)行消除。

據(jù)上述三種模型，建立數(shù)據(jù)類型甄別滑窗模型：

滑窗寬度同應(yīng)答信號(hào)有效脈寬最大值，輸入數(shù)據(jù)依次移入滑窗，當(dāng)滑窗內(nèi)所有數(shù)據(jù)均正偏（或負(fù)偏）時(shí)，則判定輸入數(shù)據(jù)為直流偏置，通過求滑窗內(nèi)數(shù)據(jù)的均值即得到直流偏置值，輸入數(shù)據(jù)與直流偏置值相減即實(shí)現(xiàn)直流偏置消除的目的。

為了準(zhǔn)確還原信號(hào)的幅相，當(dāng)數(shù)據(jù)為信號(hào)時(shí)，則不能將數(shù)據(jù)當(dāng)作移入噪聲緩存進(jìn)行求均值處理，已緩存噪聲數(shù)據(jù)求得的均值作為替代數(shù)據(jù)，移入噪聲緩存進(jìn)行實(shí)時(shí)噪聲均值運(yùn)算。

處理流程如圖所示：

按照上述數(shù)據(jù)模型展開算法設(shè)計(jì)：

1.通過統(tǒng)計(jì)特性獲取噪聲初始化參數(shù)，接收通道無信號(hào)輸入狀態(tài)采集10次上電后各4096組數(shù)據(jù)xS（t），通過運(yùn)算分別獲得算數(shù)平均值A(chǔ)VAnoise、最大值MAXnoise及最小值MINnoise，以及間接運(yùn)算獲得無直流偏置時(shí)的噪聲最大正偏值NMPOinit，最大負(fù)偏值的初始值NMNOinit;

AVAnoise=? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

NMPOinit=MAXnoise-AVAnoise? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

NMNOinit=MINnoise-AVAnoise? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

2.由于直流偏置值是根據(jù)實(shí)時(shí)的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，接下來確定噪聲數(shù)據(jù)xN（t）的表達(dá)式。

首先定義輸入數(shù)據(jù)為xI（t），定義噪聲均值為mN（t），定義xMPO（t）為噪聲（含攜帶直流偏置時(shí)的噪聲）最大正偏值，xMNO（t）為噪聲最大負(fù)偏置，定義xT（t）來標(biāo)記輸入數(shù)據(jù)xI（t）的正反偏置類型。

噪聲最大正偏值表達(dá)式如下：

（4）

噪聲最大負(fù)偏置表達(dá)式如下：

（5）

輸入數(shù)據(jù)正反偏置類型表達(dá)式如下：

（6）

輸入數(shù)據(jù)類型（信號(hào)或噪聲）通過連續(xù)256組數(shù)據(jù)的正反偏置屬性來識(shí)別：

1）xT（t）、xT（t-1）、...、xT（t-255）的值同時(shí)為1，即連續(xù)256組數(shù)據(jù)同時(shí)正偏，表示連續(xù)256組數(shù)據(jù)為攜帶直流偏置（相對(duì)當(dāng)前偏置值存在正向偏移量）的噪聲數(shù)據(jù);

2）xT（t）、xT（t-1）、...、xT（t-255）的值同時(shí)為2，即連續(xù)256組數(shù)據(jù)同時(shí)負(fù)偏，表示連續(xù)256組數(shù)據(jù)為攜帶直流偏置（相對(duì)當(dāng)前偏置值存在反相偏移量）的噪聲數(shù)據(jù);

3）xT（t）、xT（t-1）、...、xT（t-255）的值全為0即數(shù)據(jù)既未正偏也未負(fù)偏，表示256組數(shù)據(jù)全為未攜帶噪聲偏置（相對(duì)當(dāng)前偏置值無偏移量）的噪聲數(shù)據(jù);

4）xT（t）、xT（t-1）、...、xT（t-255）的值有部分為1或?yàn)?，其余為0，表明數(shù)據(jù)中存在部分信號(hào)（偏置類型不為0的部分，無需判定其為有效信號(hào)或干擾信號(hào)），此時(shí)噪聲數(shù)據(jù)用實(shí)時(shí)的噪聲均值進(jìn)行替代。

在消除直流的過程中，由于噪聲均值的變化，256組連續(xù)數(shù)據(jù)的正反偏置特性會(huì)逐個(gè)由1（或2）變化為0，為保證整個(gè)過程的完整，必須在識(shí)別出直流偏置后設(shè)置一個(gè)消除標(biāo)志xflag（t），指示直流消除過程的狀態(tài)。

據(jù)此，得到：

（7）

進(jìn)一步得到噪聲數(shù)據(jù)xN（t）：

（8）

噪聲均值mN（t） 表達(dá)式為：

（9）

對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償后輸出，得到xO（t）：

xO（t）=xI（t）-mN（t）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（10）

四、仿真及驗(yàn)證

從輸入的基帶數(shù)據(jù)中準(zhǔn)確提取出噪聲的處理過程如圖5所示。

當(dāng)基帶數(shù)據(jù)中存在直流偏置時(shí)，經(jīng)過補(bǔ)償算法處理，可以在一定時(shí)間后將直流偏置消除。

當(dāng)基帶數(shù)據(jù)中存在直流偏置且攜帶有用信號(hào)時(shí)，經(jīng)過補(bǔ)償算法處理，可以在一定時(shí)間后將直流偏置消除，且有用信號(hào)的特征信息能夠保持。

補(bǔ)償算法在實(shí)際工程中應(yīng)用效果如圖8所示。

作者簡(jiǎn)介

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]國際民用航空公約 附件10 國際民用航空組織

[2]二次雷達(dá)原理 張尉 國防工業(yè)出版社

劉永剛（1980-），男，山西省平遙縣人，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要從事雷達(dá)系統(tǒng)及信號(hào)處理算法等方面的研究。

楊見（1984-），男，湖北利川市人，本科生，高級(jí)工程師，主要從事雷達(dá)系統(tǒng)及信號(hào)處理算法等方面的研究。

鄒亮（1985-），男，江西省宜春市人，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要從事雷達(dá)系統(tǒng)及信號(hào)處理算法等方面的研究。