基于幅相檢測與移頻相消融合的載波泄漏抑制技術

馬月紅， 張曉林， 劉秋生， 于志堅

(1.北京航空航天大學 電子信息工程學院，北京 100191；2.軍械工程學院，河北，石家莊 050003；3.太原衛(wèi)星發(fā)射中心，山西，太原 030027)

基于幅相檢測與移頻相消融合的載波泄漏抑制技術

馬月紅1，2， 張曉林1， 劉秋生2， 于志堅3

(1.北京航空航天大學 電子信息工程學院，北京 100191；2.軍械工程學院，河北，石家莊 050003；3.太原衛(wèi)星發(fā)射中心，山西，太原 030027)

針對單天線小型無線電收發(fā)信機載波泄漏問題，提出了一種基于幅相檢測與移頻相消融合的載波泄漏抑制方法.該方法采用微帶電路自適應閉環(huán)載波泄漏幅相檢測技術和直流頻偏移頻相消技術相融合，對單天線無線電收發(fā)信機載波泄漏和直流頻偏進行抑制.無線電收發(fā)信機發(fā)射中心頻率為4.3 GHz時，ADS軟件仿真與樣機測試結(jié)果表明，載波泄漏抑制后輸出波形無明顯失真，消除了載波泄漏直流頻偏分量，接收機輸出功率為-79 dBm，載波泄漏對消比可達56，降低了載波泄漏對單天線收發(fā)信機影響，提高了接收機的靈敏度和檢測概率.

調(diào)頻連續(xù)波；載波泄漏；直流頻偏；載波泄漏對消技術

單天線小型調(diào)頻連續(xù)波[1]無線電收發(fā)信機已廣泛應用于無人機蔽障定高控制、彈載引信、電子標簽諸多領域，但是收發(fā)信機載波泄漏問題一直是影響其應用的關鍵技術瓶頸[2]. 小型無線電收發(fā)信機探測目標信息時，發(fā)射機和目標之間往往存在墻壁、樹林等靜止障礙物，會對發(fā)射波束產(chǎn)生很強的反射回波，稱為強雜波干擾. 強雜波干擾頻率往往與發(fā)射波頻率相同，且遠大于目標回波信號幅度. 同時，對于單天線小型調(diào)頻連續(xù)波收發(fā)信機，由于發(fā)射機和接收機的直接藕合，發(fā)射機信號及其噪聲邊帶不可避免地直接泄漏進入接收機，這部分載波泄漏干擾與強雜波回波相同均不攜帶任何回波信息，且與載波具有相同頻率，若不加任何處理直接引入接收機，直接干擾接收機的接收效果，影響接收機的正常工作，例如降低接收機的靈敏度、阻塞接收機前端、產(chǎn)生虛假信號并且淹沒目標回波信號等[2]. 因此，解決載波泄漏及近物同頻雜波干擾問題是調(diào)頻連續(xù)波雷達最值得研究的關鍵技術.

目前解決射頻載波泄漏主要方法有：基于硬件系統(tǒng)架構(gòu)的射頻對消技術[4]，基于微波自適應的對消技術[4]，基于收發(fā)波形控制的隔離技術[5]，基于數(shù)字信號處理的雜波抑制技術[6-7].其中對消[8-9]是基于接收信號算法上的處理，隔離是基于收發(fā)信號通道上的處理，均通過軟件和算法上的改進達到消除干擾的目的，此類方法存在載波泄漏對消比低、對消方法復雜等問題；而抑制[10-11]則是通過硬件上的增加或者是改進，實現(xiàn)對載波泄漏干擾信號的消除，此類方法存在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、體積大、造價高等問題.基于以上分析，本文采用幅相檢測與移頻相消融合載波泄漏抑制的方法，硬件抑制和軟件對消智能融合，消除同頻雜波干擾和直流頻偏的干擾，增加接收機對回波信號檢測的靈敏度和檢測概率.

1 載波泄漏抑制技術原理與數(shù)學模型

影響小型單天線FMCW無線電收發(fā)信機通信質(zhì)量和性能的一個重要因素是環(huán)行器的隔離度問題.實際應用時由于電路板的布線阻抗及天線的失配，環(huán)行器端口之間的隔離度口不易做到很高.首先是接收端的線性度問題，接收機接收目標回波信息時射頻信號從環(huán)行器天線端口至接收端口，環(huán)行器天線端口存在較大功率的射頻信號，發(fā)射信號通過天線端口直接泄漏到接收端口. 同時從環(huán)行器的發(fā)射端口泄漏到接收端口.由于環(huán)行器端口之間隔離度較低，泄漏到接收端口的發(fā)射信號功率遠大于接收到的反射信號功率，造成接收機前端電路不能正常工作，甚至損壞器件. 另一個問題就是零中頻接收機直流偏移問題[7]，零中頻接收機的特點是將射頻信號下變頻到基帶.其下變頻器的本振信號為不加調(diào)制的連續(xù)波信號，與發(fā)射信號和目標回波信號同頻，其中本振信號與目標回波信號下變頻的輸出就是基帶信號，而本振信號與泄漏到接收端口的發(fā)射信號下變頻的輸出則是個較大的直流頻偏電壓，使得接收機檢測性能飽和甚至損壞.

本文采用的對消抑制技術原理是在數(shù)字信號處理電路控制下對消系統(tǒng)產(chǎn)生幅度相同，相位相反的載波泄漏信號，對載波泄漏信號進行抑制對消.同時，直流頻偏檢測器檢測直流頻偏分量，在數(shù)字信號處理電路控制下由直流頻偏數(shù)字對消器完成直流頻偏分量移位、濾波處理.

設接收通道接收到同頻率的干擾信號模型為

(1)

式中：ω為信號頻率；A1為干擾信號幅度；φ1為干擾信號相位；B1為直流頻偏分量.

參考信號通道從發(fā)射機耦合的對消抑制信號為

(2)

式中：A2為抑制干擾信號幅度；φ2為抑制干擾信號相位；B2為抑制干擾信號直流頻偏分量.

干擾信號和抑制參考信號分別經(jīng)過功分耦合器、正交混頻、直流放大、幅度控制器、相位控制器、直流頻偏數(shù)字對消后，殘留干擾信號輸出為

(3)

式中：A為殘留干擾信號幅度；a(t)為殘留干擾信號擾動幅度分量；φ(t)殘留干擾信號相位；ΔB為殘留直流頻偏分量a0，a1，a2，a3抑制對消系數(shù)，取值取決于載波泄漏對消比值.

載波泄漏對消比為

(4)

2 載波泄漏抑制技術方案

2.1 系統(tǒng)構(gòu)架

采用基于幅相檢測與移頻相消融合載波泄漏抑制方法，同時對同頻干擾雜波和直流頻偏分量進行抑制消除. 原理框圖如圖1所示.

圖1中射頻泄漏抑制電路包括功分器、幅值控制器、相位控制器、合路器、數(shù)字信號處理控制電路等組成. 數(shù)字信號處理控制電路檢測出中頻信號中泄漏信號大小，通過采用微帶線延時方式以及控制幅值控制器和相位控制器來調(diào)節(jié)同頻相消信號的幅度與相位，使其與同頻干擾信號幅度相同，相位差180°，之后送入合路器進行載波泄漏對消.為了達到理想的對消目的，數(shù)字信號處理控制電路根據(jù)對消效果控制幅值控制器和相位控制器的參數(shù)，通過數(shù)字對消算法產(chǎn)生控制信號，此控制信號再對幅值控制器和相位控制器的參數(shù)進行調(diào)整，以達到最理想的對消效果，因此射頻對消環(huán)路系統(tǒng)是一個反饋閉環(huán)調(diào)整系統(tǒng).同時，采用直流偏移頻對消技術，由預定頻偏本振產(chǎn)生本振信號，與正交混頻后信號進行移頻變換，將預定的頻偏分量移至零頻附近，同時將收發(fā)泄漏零頻直流分量移至預定頻偏分量附近.然后將預定頻偏變換后的信號進行數(shù)字低通濾波器處理，濾波器時域?qū)挾仁穷A定差拍頻率頻率倒數(shù)整數(shù)倍，保證頻移后的直流分量被濾除掉.

2.2 電路設計

幅值控制器用于改變對消信號的幅度，相位控制器用于改變對消信號的相位，為了達到理想的對消效果，需要對幅值控制器、相位控制器的參數(shù)進行控制，通過數(shù)字對消算法產(chǎn)生控制信號，幅值控制器、相位控制器的參數(shù)，同時，數(shù)字信號控制電路控制直流頻偏移位、對消，達到消除直流頻偏分量效果.具體電路原理圖如圖2所示.

3 仿真分析與實驗對比

3.1 仿真分析

本文采用ADS仿真軟件對幅相檢測與移頻相消融合載波泄漏抑制的方法進行仿真，幅度控制器用于調(diào)節(jié)對消支路信號功率，以便與泄漏信號對消達到最理想的效果.仿真原理框圖如圖3所示. 圖中標識的PWR2的中心頻率為4.3 GHz，環(huán)形器隔離端口(FS)和移相器輸出端口(FK)幅度相等，相位相差180°，相位相消移頻仿真圖如圖4所示.經(jīng)過合路器(PWR2)輸出對消后的仿真數(shù)據(jù)如圖5所示.

由圖5可知，頻率在4.3 GHz時，原理框圖中標識的DX是合路器輸出仿真采樣點，DX采樣點對消了60.147 dB.發(fā)射信號功率為5 dBm，在增加射頻泄漏抑制電路前，泄漏到接收端的信號功率為-3 dB，增加射頻泄漏抑制后，泄漏到接收端的信號功率小于-18 dBm. 由ADS軟件仿真結(jié)果可知，采用載波泄漏抑制技術后，對消效果比較理想.

在數(shù)信號處理電路控制下，預定頻偏本振產(chǎn)生與差拍頻率相同的本振信號，經(jīng)過移頻變換器，將直流頻偏分量移至零頻分量，設差拍頻率為fb=500 kHz，直流頻偏分量取值與差拍頻率相同，經(jīng)過預定頻偏變頻后，直流干擾頻率分量移至500 kHz頻偏處，差拍頻率移至零頻處.預定頻偏變頻后信號時域、頻域圖如圖6所示.

對預定頻偏移位后的回波信號，進行直流頻偏數(shù)字對消、低通濾波處理后回波差拍信號時頻波形如圖7所示.

由仿真圖7可知，差拍頻率fb=500 kHz時，載波泄漏直流頻偏分量被完全消除，對濾波后回波信號進行檢波，信號檢波幅度與地面高度成反比，距離地面越近檢波幅度越大，當檢波幅度大于設定門限時，系統(tǒng)就可以給出距離警示信號，通過對消直流頻偏分量提高目標回波信號檢測概率.

3.2 實驗對比

載波泄漏抑制電路圖如圖2所示.對載波泄漏抑制電路進行實際測試，對消效果圖如圖8所示.

根據(jù)圖8實際測試結(jié)果可以得出，采用對消技術前后輸入信號、輸出信號及對消比取值如表1所示. 由表1可知，發(fā)射機在4.15～4.45 GHz調(diào)制頻率帶寬內(nèi)，載波泄漏對消比以4.3 GHz為中心呈正態(tài)分布，輸出信號功率范圍為[-79 dBm，-25 dBm]，對消比分布范圍為[30，56]，當發(fā)射頻率為中心頻率4.3 GHz時，載波泄漏抑制對消效果最優(yōu)，對消比可達到56，可以滿足FMCW收發(fā)信機的工程指標需求，以 “十二五”武器裝備預研項目研制的某型彈載FMCW定高控制系統(tǒng)為例， 本技術要求的載波泄漏抑制對消比為30，本論文提出載波泄漏抑制技術達到對消比可以滿足工程應用需求.

表1 測試內(nèi)容及數(shù)值

由圖8和表1可知，發(fā)射中心頻率為4.3 GHz，載波泄漏功率降低為-79 dBm，對消效果最好，同時抑制直流頻偏分量，與ADS軟件仿真結(jié)果基本一致. 仿真結(jié)果和試驗測試結(jié)果表明. 采用本技術方案，消除了直流頻偏分量，降低了載波泄漏信號功率，提高了對消比，保證了接收機的線性度、靈敏度，提高收發(fā)信機通信距離與通信質(zhì)量.

4 結(jié) 論

論文研究了無線電收發(fā)信機載波泄漏抑制問題，提出了一種基于幅相檢測與移頻相消融合的載波泄漏抑制方法.創(chuàng)建了載波泄漏同頻對消的數(shù)學模型，給出了硬件電路實現(xiàn)載波泄漏抑制的技術方案，采用硬件抑制和軟件對消智能融合，消除同頻雜波干擾和直流頻偏的干擾. 較好地解決了載波泄漏的抑制問題. 建立了對消抑制電路的仿真模型，計算分析了電路模型的載波抑制性能. 搭建實驗系統(tǒng)，對比分析了仿真設計和實驗結(jié)果.為無線收發(fā)信機載波泄漏的抑制提供了一種簡單有效的實現(xiàn)方法.

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(責任編輯：劉雨)

Carrier-Leakage Suppression Techniques Based on Mixing Magnitude-Phase Inspection and Frequency Shift Cancellation

MA Yue-hong1，2， ZHANG Xiao-lin1， LIU Qiu-sheng2， YU Zhi-jian3

(1.School of Electronic and Information Engineering， Beihang University， Beijing 100191， China;2.Ordnance Engineering College， Shijiazhuang, Hebei 050003，China;3.Taiyuan Satellite Launch Center， Taiyuan, Shanxi 030027， China)

In view of the carrier leakage problem for small single-antenna radio transceiver， the carrier-leakage suppression techniques were proposed based on mixing magnitude-phase shift with frequency shift cancellation. Carrier leakage and DC frequency was cancellated by the carrier-leakage suppression integration techniques， which was merged together the adaptive closed-loop offset technology and frequency offset cancellation technology. The ADS software experimental results and testing indicate that the output power is -79 dBm and the carrier leakage cancellation is up to 56 with 4.3 GHz transmitting center frequency. The carrier leak on single-antenna transceiver is reduced without obvious distortion in the output wave shape and the DC offset component is eliminated. The receiver sensitivity and detection probability are improved by the carrier-leakage suppression techniques.

frequency modulated continuous wave(FMCW); carrier leakage; DC offset; carrier leakage cancellation technology

2016-04-25

國家“八六三”計劃項目(2013AA7034055A)；國家部委預研重點項目(51306040401)

馬月紅(1979—)，女，博士生，講師，E-mail：sunmyh@163.com.

TN 925

A

1001-0645(2016)12-1298-06

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.12.017