宗惠慶

(羅德與施瓦茨(中國)科技有限公司， 北京 100012)

·信號處理·

數字信號處理在雷達相噪測量中的應用

宗惠慶

(羅德與施瓦茨(中國)科技有限公司， 北京 100012)

隨著通信和雷達的發(fā)展，脈沖信號的相位噪聲成了影響整個系統性能的重要因素之一,采用傳統模擬相位檢波法測量脈沖信號相位噪聲是一個非常大的挑戰(zhàn)，因為這樣的測試系統非常復雜，并且在測量相位噪聲之前需要非常繁瑣的校準程序，先進的正交數字相位解調和幅度解調技術能很好地解決這個問題。采用正交數字相位解調和幅度解調技術的系統不需要相位檢波器和復雜的校準程序，利用極低噪聲的參考源和互相關技術，提高了系統動態(tài)范圍和測量靈敏度，實現了一鍵式精密測量脈沖相位噪聲和調幅噪聲。

雷達；脈沖相位噪聲；相位檢波器；互相關；數字 I/Q相位解調

0 引 言

雷達從字面上表示無線電監(jiān)測和預警，現代雷達則盡量從目標上提取更多的信息，比如：目標的方位、移動速度和目標的大小等，雷達通過向目標發(fā)射電磁波，電磁波在遇到目標后會產生反射信號，這個反射信號被雷達接收，利用發(fā)射和反射的時間差可以得出目標的距離信息；雷達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，雷達照射目標產生回波信號的多普勒頻移基本上在音頻范圍之內，距離載波信號非常近，因此雷達系統對載波信號的質量有一定的要求。雷達信號相位噪聲越低，意味著空間分辨率越好，對移動物體的速度讀取也就越準確。

1 雷達工作原理

1.1 雷達測速

雷達測述[1-3]不僅對預測目標的運動軌跡非常重要，在很多情況下對需要把移動的目標和精制物體區(qū)分開來也同樣重要,動目標指示雷達(MTI)用來區(qū)分移動目標和靜止物體，雷達測速主要通過計算從目標反射信號的多普勒頻移來實現。圖1是一個簡化雷達工作原理圖。

圖1 雷達工作原理圖

(1)

式中：fd為多普勒頻移；f0為雷達發(fā)射頻率；c為光傳播速度。

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

(2)

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

(3)

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

2 脈沖調制信號

2.1 脈沖調制信號相位噪聲[4-5]

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

圖2 連續(xù)波經脈沖調制后的頻率譜

理想的連續(xù)波頻率的頻譜為一條線，實際的頻譜如圖3所示，帶有相位噪聲邊帶，同時帶有相位噪聲邊帶的脈沖調制信號的頻譜如圖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來對該參數定量描述。

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制波的fc頻譜

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

2.2 傳統脈沖相位噪聲測量方法[6-7]

由于脈沖的相位噪聲是多個梳狀譜的疊加，所以很難用傳統的頻譜儀法去直接測量每個譜線的相位噪聲。目前脈沖調制波的相位噪聲主要用鑒相器法進行測量，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、脈沖調制器、PRF濾波器、低噪聲放大器等重要的部件，測試系統顯得非常復雜和昂貴。由于脈沖調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，從而產生頻譜混疊，PRF脈沖重復頻率濾波器顯得尤為重要。不同的脈沖重復頻率需要不同的脈沖重復頻率濾波器，脈沖重復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，現實中實現這樣的脈沖重復頻率濾波器非常困難。

根據脈沖調制波的頻譜分析可知，其已調載頻的幅度比未調載頻的幅度降低Δd

Δd = -20 lg(duty cycle)

(4)

即載波的功率降低了Δd，因此脈沖調制信號加到檢相器時，相位檢波常數Kφ常數也下降了Δd，從而系統測試脈沖信號相位噪聲的動態(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中用的參考源是一個連續(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時相位檢波器器會輸出一個直流電壓，這個直流電壓導致后面高增益放大器的飽和，并且對鎖相環(huán)(PLL)而言，這個直流電壓看上去像是頻率誤差，從而導致PLL失鎖，另外參考源的脈沖調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致瞬態(tài)干擾，對測試結果造成比較大的影響。

3 基于數字相位解調技術的脈沖相位噪聲測量方法[9]

隨著數字信號處理技術的發(fā)展，基于先進的數字相位解調和幅度解調技術來測量脈沖信號的相位噪聲得到了越來越廣泛的應用，相比傳統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大的功能，數字相位解調法測量脈沖相位噪聲的原理如圖8所示。由于采用了先進的數字相位解調技術，無需相位檢波器，無需使用PLL，更不需要對參考源進行脈沖調制和同步。輸入雷達脈沖信號直接和本振信號進行模擬IQ混頻，混頻后的I路Q路信號經濾波放大后由A/D進行數字采集，從而保留幅度和相位信息。脈沖重復頻率濾波器和脈沖門均在數字信號處理中完成，非常容易處理不同的脈沖重復頻率。極低噪聲的參考源和高速互相關運算很容易測量脈沖相位噪聲和脈沖附加相位噪聲，并且沒有復雜的校準過程，從而提高了測試速度和擁有極高的系統靈敏度。主要采用的關鍵技術如下。

圖8 數字相位解調和幅度解調技術原理圖

3.1 數字處理和脈沖信號的自動檢測技術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檢測脈沖信號，在脈沖開始時產生一個標記并產生一個脈沖門反饋給脈內保持測量模塊，在脈沖處于OFF狀態(tài)時脈內保持測量模塊將會鎖住脈內信號，從而消除了在脈沖關斷期所有板塊的噪聲，提高了系統的動態(tài)范圍。接下來是數字濾波模塊，它是現場可編程門陣列中的一個數字低通濾波器，其功能是濾除頻率大于PRF/2的成分，和傳統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主要優(yōu)勢，傳統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，基于全數字的處理技術卻能夠自動構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

基于數字信號的脈沖檢測和處理技術另外一大優(yōu)勢是避免了脈沖開關產生的瞬態(tài)干擾，在脈沖開始的時后會產生一個脈沖門，真正測量開始是在靠近脈沖中心位置一個非常干凈的區(qū)域。脈沖信號的設置如圖10所示，脈沖信號下面藍色的條狀區(qū)域表示的是從脈沖門開始的延時時間，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檢測整個脈沖寬度的75%，高級用戶可以通過調整脈沖門的寬度和延時來測試特定脈沖區(qū)域的脈沖相位噪聲。

圖10 FSWP脈沖門設置

4 測試結果

設置脈沖源的載波頻率1 GHz，脈沖重復周期100 μs，脈沖寬度10 μs。

4.1 雷達脈沖信號相位噪聲測量結果

在脈沖信號相位噪聲測量模式下，FSWP自動檢測到脈沖信號的載波頻率，脈寬等信息。無需任何設置，很快給出測量結果如圖11所示，由于脈沖重復頻率為10 kHz，脈沖信號相位噪聲的最大測試頻偏被自動限制到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，這正是由于脈沖調制波的相鄰譜線相位噪聲互相疊加的結果。

圖12 FSWP測量脈沖相位噪聲曲線

5 結束語

本文主要研究雷達工作原理和雷達信號的主要參數和特點，以及雷達脈沖信號相位噪聲對傳統相位測試系統帶來的挑戰(zhàn)，提出了先進的數字相位解調方法。這種方法能夠非常方便測量雷達脈沖信號的相位噪聲，不需要PLL 或對PLL環(huán)路抑制造成的補償，沒有復雜的校準過程，比其他的方法更快速 (同樣的靈敏度)，同時具有一鍵式測量附加脈沖調制信號相位噪聲和調幅噪聲的能力?？梢灶A料，這種技術將會在雷達制造和OXCO晶體研發(fā)中發(fā)揮越來越重要的作用。

[1] CHEN V C. Micro-Doppler effect in radar phenomenon, model and simulation study[J]. IEEE transactions on Aero-space and Electronic System, 2006,42(1): 2-21.

[2] CHEN V C. The micro-Doppler effect in radar[M]. Boston: Artech House, 2011.

[3] SCHULTZ K, DAVIDSON S, STEIN K. Range Doppler laser radar for midcourse discrimination: the firefly experiments[C]// AIAA & SDIO Interceptor Technology Conference [S.l.]. AIAA Press, 1993.

[4] NELSON C W, HATI A, HOWE D A. A collapse of the cross-spectral function in phase noise metrology[J]. Review of Scientific Instruments, 2014, 85(2): 319-341.

[5] 張升康，楊汝良. 振蕩器相位噪聲對雙站SAR成像影響分析[J]. 測試技術學報，2008, 22(1): 7-12. ZHANG Shenkang, YANG Ruliang. Analysis of oscillator phase noise effects on bistatic SAR imaging[J]. Journal of Test and Measurement Technology, 2008, 22(1): 7-12.

[6] KRIEGER G, YOUNIS M. Impact of oscillator noise in bistantic and multistatic SAR[J]. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 2006, 3(3): 424-428.

[7] 李宗揚. 時間頻率計量[M]. 北京,原子能出版社，2002. LI Zongyang. Time and frequency metrology[M]. Beijing: Atomic Press, 2002.

[8] Rohde & Schwarz. New high end spectrum and signal analyzer[J]. Microwave Journal, 2011, 54(11): 1-44.

[9] 劉 剛，王春陽.一種超寬帶運動目標檢測雷達[J]. 現代雷達，2000, 22(5): 1-4. LIU Gang, WANG Chunyang. A kind of ultra-wide-band moving target radar[J]. Modern Radar, 2000, 22(5): 1-4.

宗惠慶 男，1978年生，碩士。研究方向為相位噪聲系統、太赫茲系統、非線性系統測試測量。

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