關(guān)于數(shù)字信號處理在雷達(dá)相噪測量中的應(yīng)用分析和介紹

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系統(tǒng)性能的重要的因素之一,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非常大的挑戰(zhàn)，因為這樣的測試系統(tǒng)非常復(fù)雜，校準(zhǔn)程序非常繁瑣。R&S FSWP相位噪聲測試儀采用先進(jìn)的數(shù)字相位解調(diào)和幅度解調(diào)技術(shù)，利用極低噪聲的參考源和互相關(guān)技術(shù)，提高了系統(tǒng)動態(tài)范圍和測量靈敏度，實現(xiàn)了一鍵式精密測量脈沖相位噪聲和調(diào)幅。

1 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、移動速度和目標(biāo)的大小等，圖1是一個簡化雷達(dá)工作原理圖，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，這個反射信號被雷達(dá)接收，利用發(fā)射和反射的時間差可以得出目標(biāo)的距離信息。

圖1 連續(xù)波經(jīng)脈沖調(diào)制后的頻率譜

1.1 雷達(dá)測速

雷達(dá)測度不僅對預(yù)測目標(biāo)的運動軌跡非常重要，在很多情況下對需要把移動的目標(biāo)和精制物體區(qū)分開來也同樣重要,動目標(biāo)指示雷達(dá)(MTI)用來區(qū)分移動目標(biāo)和靜止物體，雷達(dá)測速主要通過計算從目標(biāo)反射信號的多普勒頻移來實現(xiàn)。

公式中：

fd = 多普勒頻移

f0 = 雷達(dá)發(fā)射頻率

c = 光傳播速度

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

例子2：戰(zhàn)斗機(jī)火控雷達(dá)工作頻率為10GHz，加入用它來照射正在超音速飛行的飛機(jī)的速度為每小時1800km，所產(chǎn)生的多普勒頻移為

以上兩個例子說明對大多數(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

當(dāng)信號被脈沖調(diào)制后，信號的頻率譜密度會發(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(pulse Repetition Frequency)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)為過零點的位置，如下面圖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，實際的頻譜如圖2所示，帶有相位噪聲邊帶，同時帶有相位噪聲邊帶的脈沖調(diào)制信號的頻譜如圖3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)（SSB phase noise）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[1-2]

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(tǒng)的頻譜儀法去直接測量每個譜線的相位噪聲。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4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，由于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)實中實現(xiàn)這樣的脈沖重復(fù)頻率濾波器非常地困難。

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 log(duty cycle)

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，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

從上圖可以看到連續(xù)波參考源法最大的問題就是在脈沖信號處于OFF時鑒相器會輸出一個直流電壓，這個直流電壓導(dǎo)致后面高增益放大器的飽和，并且對鎖相環(huán)而言，這個直流電壓看上去像是頻率誤差，從而導(dǎo)致鎖相環(huán)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

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鑒相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

從圖中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(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

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。

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

由上圖可知，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，無需使用鎖相環(huán)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ＤＳＰ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：

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

圖9 FSWP脈沖信號處理圖

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(chǎn)生一個標(biāo)記并產(chǎn)生一個脈沖門反饋給脈內(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)的動態(tài)范圍。接下來是數(shù)字濾波模塊，它是FPGA中的一個數(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FSWP測量脈沖相位噪聲的一個主要優(yōu)勢，傳統(tǒng)鑒相器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(shù)字的處理技術(shù)卻能夠自動構(gòu)建合適的濾波器來大大簡化測量過程。

3.3 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，在脈沖開始的時后會產(chǎn)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。

圖10 FSWP脈沖門設(shè)置

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(diào)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。

4 測試結(jié)果

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

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10kHz，脈沖信號相位噪聲的最大測試頻偏被自動限制到5kHz。

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13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13 FSWP測量脈沖相位噪聲曲線

5 結(jié)論

綜上所述，基于先進(jìn)的數(shù)字相位解調(diào)方法能夠非常方便測量雷達(dá)脈沖信號的相位噪聲，不需要鎖相環(huán) PLL 或?qū)LL環(huán)路抑制造成的補償，沒有復(fù)雜的校準(zhǔn)過程，比其它的方法更快速 (同樣的靈敏度)，同時具有一鍵式測量附加脈沖調(diào)制信號相位噪聲和調(diào)幅噪聲的能力，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。