郁金華
(南京電子技術(shù)研究所,江蘇南京 210039)
目前機(jī)載脈沖多普勒雷達(dá)的接收機(jī)通常采用超外差式直接數(shù)字中頻采樣接收機(jī)框架,其通過一次及以上模擬變頻濾波將輸入信號(hào)頻率變到一個(gè)比較合適的中頻上進(jìn)行中頻采樣,具有中頻規(guī)劃性好、抗干擾能力強(qiáng)、鏡像抑制高的特點(diǎn),并且通過數(shù)字下變頻后的同相和正交兩路數(shù)據(jù)的幅度和相位一致性指標(biāo)高,鏡像抑制指標(biāo)高,因此該接收機(jī)結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中具有很大的優(yōu)勢(shì)。
但實(shí)際工程設(shè)計(jì)過程中,綜合考慮A/D位數(shù)及采樣率、模擬中頻濾波器的可實(shí)現(xiàn)性,A/D 采樣往往采用帶通采樣方式,即采樣速率大于兩倍的信號(hào)帶寬,但小于信號(hào)的中心頻率。而帶通采樣對(duì)雷達(dá)中頻信號(hào)頻率帶寬及中頻抗混疊濾波器的設(shè)計(jì)要求很高,特別是濾波器的指標(biāo)一般是連續(xù)波輸入信號(hào)的狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試的,當(dāng)輸入雷達(dá)信號(hào)為脈沖信號(hào)時(shí),其鏡像抑制性能會(huì)變差[1]。
本文首先介紹了超外差式直接數(shù)字中頻采樣接收機(jī)的基本原理,分析得出了帶通采樣折疊引入鏡像干擾的原因,最后給出了對(duì)應(yīng)解決措施。通過實(shí)際接收機(jī)改進(jìn)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明:該解決措施可以有效抑制帶通采樣折疊引入鏡像干擾,具有較大的工程應(yīng)用價(jià)值。
常規(guī)超外差式數(shù)字中頻采樣接收機(jī)的結(jié)構(gòu)框架如圖1所示[2]。
回波信號(hào)由天線經(jīng)低噪聲放大(LNA)、與本振(LO)混頻(MIXER)、中頻濾波(IF BPF)后的中頻信號(hào)可以表示為
式中,2A(t)為周期調(diào)制脈沖信號(hào)幅度,ωIF為輸入脈沖信號(hào)的角頻率。
A/D采樣后的信號(hào)可以表示為
式中,A(nTs)表示信號(hào)幅度,Ts表示采樣周期,n表示采樣時(shí)刻。
數(shù)字I/Q混頻之后的信號(hào)表示為
用復(fù)數(shù)形式可以將I/Q兩支路的數(shù)據(jù)表示為
當(dāng)A/D 采樣后數(shù)字信號(hào)通過FIR 濾波器時(shí),為簡(jiǎn)化分析,假設(shè)數(shù)字低通濾波器的階數(shù)為4,且令濾波器系數(shù)h0=h1=h2=h3=1/4。當(dāng)上述混頻之后的脈沖信號(hào)經(jīng)過數(shù)字低通濾波器時(shí):
1)當(dāng)脈沖信號(hào)只有一個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)入到濾波器時(shí),忽略噪聲的影響,輸出為
可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)輸出信號(hào)中的高頻部分沒有被抑制掉,相對(duì)于脈沖信號(hào)幅度,高頻信號(hào)的抑制度為
2)當(dāng)脈沖信號(hào)有兩個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)入到濾波器時(shí),忽略噪聲的影響,輸出為
可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)輸出信號(hào)中的高頻部分也沒有被抑制掉,相對(duì)于脈沖信號(hào)幅度,高頻信號(hào)的抑制度為
3)當(dāng)脈沖信號(hào)有3 個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)入到濾波器時(shí),忽略噪聲的影響,輸出為
高頻信號(hào)的抑制度為
4)當(dāng)脈沖信號(hào)有4 個(gè)及以上采樣點(diǎn)進(jìn)入到濾波器時(shí),此時(shí)濾波器完全濾波,忽略噪聲的影響,輸出為
數(shù)字低通濾波器能完全正常工作,對(duì)高頻信號(hào)的抑制度為
通過上述簡(jiǎn)單系數(shù)分析計(jì)算的定性分析,對(duì)于常規(guī)超外差直接數(shù)字中頻采樣接收機(jī),當(dāng)脈沖信號(hào)邊沿進(jìn)行數(shù)字濾波時(shí),高頻信號(hào)抑制度有限。只有當(dāng)脈沖信號(hào)完全進(jìn)行數(shù)字濾波時(shí),此時(shí)對(duì)高頻信號(hào)的抑制度才足夠大[3-4]。
利用Matlab 對(duì)普通脈沖調(diào)制信號(hào)進(jìn)行仿真,其中信號(hào)周期為8 μs、脈寬為2 μs、中頻頻率為130 MHz。其頻譜圖如圖2所示。
圖2 普通脈沖調(diào)制信號(hào)的頻譜特性圖
通過仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),連續(xù)波信號(hào)經(jīng)過脈沖調(diào)制后,其頻譜分量被擴(kuò)展,離中心頻率40 MHz處的調(diào)制信號(hào)與主信號(hào)功率差約-48 dBc/-52 dBc。
中頻模擬信號(hào)經(jīng)過中頻帶通濾波器后,其遠(yuǎn)端濾波器帶外的調(diào)制擴(kuò)展頻率被抑制掉,但由于模擬濾波器存在過渡帶,同時(shí)考慮濾波器對(duì)脈沖信號(hào)前后沿抑制能力有限,因此實(shí)際輸入到A/D采樣電路的信號(hào)帶寬不應(yīng)只考慮濾波器帶寬,而應(yīng)該考慮矩形系數(shù)內(nèi)的整個(gè)帶寬[5]。
脈沖調(diào)制信號(hào)經(jīng)過帶通采樣后的頻域特性如下式所示:
式中,ω為角頻率范圍,Ts為采樣周期??梢园l(fā)現(xiàn)經(jīng)過帶通采樣后,信號(hào)頻譜特性主要有兩個(gè)特點(diǎn):1)信號(hào)頻譜以采樣率為周期擴(kuò)展;2)信號(hào)頻譜關(guān)于零頻對(duì)稱。如果采樣頻率fs=1/Ts為100 MHz,中頻頻率為130 MHz 的脈沖調(diào)制信號(hào)經(jīng)過脈沖調(diào)制后的特性如圖3所示。
圖3 帶通采樣對(duì)頻譜折疊影響的特性圖
通過圖3 可以發(fā)現(xiàn):當(dāng)輸入信號(hào)為130 MHz 的普通脈沖調(diào)制信號(hào)時(shí),其采樣折疊引入最近的鏡像干擾位于170 MHz 和70 MHz 處,而130 MHz 的脈沖調(diào)制信號(hào)自身對(duì)170 MHz 頻偏處的抑制度只有48 dBc,對(duì)70 MHz頻偏處的抑制度只有52 dBc。如果模擬帶通濾波器對(duì)170 MHz和70 MHz處的抑制度不夠,170 MHz 和70 MHz 處的鏡像干擾信號(hào)很容易落入帶內(nèi)(主要是脈沖信號(hào)的前后沿)。根據(jù)前文的分析,數(shù)字濾波器對(duì)脈沖邊沿的高頻信號(hào)并不能產(chǎn)生較高的抑制度,所以經(jīng)過采樣數(shù)字下變頻處理后便存在一個(gè)與基帶信號(hào)頻率相反的鏡像干擾信號(hào),嚴(yán)重影響雷達(dá)對(duì)弱目標(biāo)的檢測(cè)。
當(dāng)機(jī)載脈沖多普勒雷達(dá)的回波信號(hào)的幅度起伏明顯時(shí),輸入信號(hào)類似脈沖信號(hào)特性,信號(hào)的頻譜被調(diào)制擴(kuò)展。當(dāng)PD 體制雷達(dá)采用普通脈沖調(diào)制時(shí),此鏡像干擾可通過信號(hào)處理強(qiáng)制剔除,但如果采用脈間多斜率等其他波形時(shí),鏡像干擾的斜率與有用信號(hào)相反,導(dǎo)致鏡像干擾的頻譜被展寬,嚴(yán)重影響目標(biāo)檢測(cè)。
根據(jù)第2節(jié)的分析,脈沖調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生的脈沖邊沿鏡像干擾主要原因是脈沖調(diào)制信號(hào)在帶通采樣后,鏡像頻率落入數(shù)字濾波器帶內(nèi)產(chǎn)生,其幅度與進(jìn)入A/D 前的脈沖調(diào)制信號(hào)在最近鏡像頻率處的幅度成正比。此類鏡像干擾產(chǎn)生的機(jī)制是在模擬域和數(shù)字域共同作用下產(chǎn)生的。在數(shù)字域,如果要提高鏡頻抑制度應(yīng)盡可能提高中頻采樣頻率。但在某些雷達(dá)應(yīng)用場(chǎng)景,高采樣頻率意味著AD 的器件選型受限較大,往往達(dá)不到系統(tǒng)的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)需求。因此,在提高中頻采樣頻率的方法不能保證鏡頻抑制效果時(shí),遂提出在模擬域利用中頻帶通濾波器降低此類鏡像干擾的措施。
對(duì)于典型的超外差接收機(jī),中頻帶通濾波器主要作用是抑制混頻器產(chǎn)生的各種不需要的變頻頻率分量。此外在現(xiàn)代雷達(dá)接收機(jī)中,信號(hào)波形形式常常設(shè)計(jì)成線性調(diào)頻、非線性調(diào)頻或編碼形式的大時(shí)寬-帶寬積信號(hào),然后在接收機(jī)或信號(hào)處理中用脈沖壓縮濾波器的方式使信號(hào)達(dá)到最佳匹配。因此中頻濾波器往往設(shè)計(jì)成比信號(hào)帶寬寬一些的矩形響應(yīng)濾波器,為了防止信號(hào)失真,帶通濾波器必須具有良好的線性特性[6]。
因此通常在雷達(dá)接收機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)中頻帶通濾波器技術(shù)指標(biāo)的考慮主要集中在1 dB 帶寬、帶內(nèi)線性度、混頻雜散帶外抑制度等方面,忽略了對(duì)帶通采樣鏡像頻點(diǎn)抑制度的相關(guān)指標(biāo)需求。以某雷達(dá)接收機(jī)樣機(jī)為例,中頻為130 MHz,最大信號(hào)帶寬為20 MHz,根據(jù)接收機(jī)鏈路設(shè)計(jì)初步選取了如表1所示的中頻濾波器。
表1 原選型中頻濾波器需求參數(shù)
利用該接收機(jī)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)際信號(hào)采樣仿真,參數(shù)配置如下:輸入信號(hào)為中頻130 MHz+10 kHz,采樣頻率為100 MHz,Tr周期為8 μs,脈寬為1.2 μs,噪聲只考慮通道熱噪聲,數(shù)據(jù)抽取率到20 MHz,根據(jù)距離門進(jìn)行累加,距離門寬度為0.8 μs。圖4 為接收機(jī)A/D 采樣預(yù)處理后得到的時(shí)頻譜。由于表1 選型的中頻濾波器只對(duì)遠(yuǎn)端的帶外抑制度提出了較高需求,而忽略了鏡像頻點(diǎn)處的抑制需求,可以發(fā)現(xiàn)預(yù)處理后在脈沖信號(hào)的兩個(gè)邊沿明顯出現(xiàn)鏡像干擾,鏡像抑制度只有50 dBc 左右。在實(shí)際雷達(dá)使用中,對(duì)于采用多斜率波形時(shí),由于鏡像干擾與主信號(hào)的斜率相反,在信號(hào)處理進(jìn)行去斜處理時(shí)會(huì)導(dǎo)致鏡像干擾無(wú)法去除,反而進(jìn)行了展寬,對(duì)雷達(dá)檢測(cè)清晰區(qū)造成污染,降低了信噪比,嚴(yán)重影響雷達(dá)弱目標(biāo)檢測(cè)能力。因此,理論上必須將此鏡像干擾幅度抑制到通道熱噪聲平均幅度以下,才能對(duì)雷達(dá)弱目標(biāo)檢測(cè)不構(gòu)成明顯影響。
圖4 常規(guī)數(shù)字中頻接收機(jī)預(yù)處理后的時(shí)頻譜
根據(jù)之前的分析,鏡像干擾抑制的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)可在中頻濾波器的鏡像頻點(diǎn)抑制度處提升。遂通過對(duì)中頻濾波器各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)衡,在保證信號(hào)帶寬和線性相位度的前提下,著重提升濾波器鏡像頻點(diǎn)處的抑制度。如表2 和圖5 所示,著重提升兩個(gè)鏡像頻點(diǎn)處的抑制能力(達(dá)60 dBc以上)。
表2 新選型中頻濾波器需求參數(shù)
圖5 新選型中頻濾波器S參數(shù)測(cè)試圖
繼續(xù)利用原先的雷達(dá)接收機(jī)樣機(jī)進(jìn)行采樣仿真,相關(guān)參數(shù)保持不變,圖6 為中頻濾波器改進(jìn)過的接收機(jī)A/D采樣后預(yù)處理完成得到的時(shí)頻譜,可以發(fā)現(xiàn)鏡像干擾已經(jīng)被完全抑制到通道熱噪聲以下,說(shuō)明中頻濾波器的改進(jìn)方案完全有效。
本文介紹和分析了常規(guī)數(shù)字中頻接收機(jī)在處理脈沖信號(hào)時(shí)脈沖邊沿鏡像干擾產(chǎn)生的原因。一般可通過選用高采樣頻率的A/D 器件在數(shù)字域得到優(yōu)化改善。但在一些對(duì)瞬時(shí)動(dòng)態(tài)要求較高的機(jī)載雷達(dá)應(yīng)用場(chǎng)景中,對(duì)A/D器件的選型要求較為局限,位數(shù)較多的A/D器件往往采樣頻率并不能設(shè)置很高。于是提出了在設(shè)計(jì)數(shù)字中頻接收機(jī)鏈路時(shí),著重對(duì)中頻帶通濾波器的設(shè)計(jì)需求提出新的關(guān)注點(diǎn)。通過某型接收機(jī)樣機(jī)的實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比表明:在采用了帶通采樣鏡像頻率抑制中頻帶通濾波器后,很好地抑制了信號(hào)脈沖邊沿鏡像干擾的問題,具有較高的工程應(yīng)用意義。