毫米波雷達(dá)數(shù)字復(fù)數(shù)下變頻正交采樣方法研究

趙 博

(解放軍92941部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125001)

毫米波雷達(dá)數(shù)字復(fù)數(shù)下變頻正交采樣方法研究

趙 博

(解放軍92941部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125001)

運(yùn)用數(shù)字化的直接下變頻技術(shù)，在進(jìn)行濾波器采樣的同時(shí)，達(dá)到了信號(hào)下變頻目的，從工程實(shí)踐的層面降低了難度。通過推導(dǎo)和計(jì)算，將得出的最優(yōu)化采樣頻率應(yīng)用到毫米波雷達(dá)中頻信號(hào)采樣過程中，僅用一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和相關(guān)器件完成了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，降低了施工成本，提高了信號(hào)處理的速度和準(zhǔn)確率。

毫米波雷達(dá)；數(shù)字下變頻；正交采樣

0 引 言

電子技術(shù)的飛速發(fā)展,使得毫米波雷達(dá)技術(shù)也進(jìn)入了飛速發(fā)展的時(shí)期,新技術(shù)層出不窮,如高分辨毫米波雷達(dá)技術(shù)、毫米波成像雷達(dá)技術(shù)[1]、毫米波雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)[2]、自適應(yīng)毫米波雷達(dá)技術(shù)[3]、多功能毫米波雷達(dá)導(dǎo)引頭技術(shù)[4]等等。同時(shí),隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步,數(shù)模轉(zhuǎn)換器采樣的速度也越來越高,毫米波雷達(dá)數(shù)字化程度也變得越來越高,如直接數(shù)字頻率合成技術(shù)等[5],數(shù)字變頻技術(shù)更是在毫米波高分辨雷達(dá)上得到了大范圍的拓展和使用[6]。直接運(yùn)用數(shù)字化頻率可以做到雷達(dá)波形數(shù)字化產(chǎn)生[7],雷達(dá)的相關(guān)參數(shù)可在程序中進(jìn)行實(shí)時(shí)更改,以達(dá)到優(yōu)化雷達(dá)性能的目的。

1 直接模擬下變頻法

數(shù)字下變頻的基礎(chǔ)是奈奎斯特采樣定理：一個(gè)頻譜位于0～B的帶限信號(hào)，其頻譜不混疊的最低采樣率為2B，該采樣率稱為奈奎斯特率，對(duì)應(yīng)于1/2奈奎斯特率的頻率稱為奈奎斯特頻率[8]，奈奎斯特頻率到零之間覆蓋的帶寬稱為奈奎斯特帶寬，采樣信號(hào)的頻譜在頻域上被分割為無數(shù)個(gè)奈奎斯特區(qū)，每個(gè)奈奎斯特區(qū)的寬度即奈奎斯特帶寬的寬度[9]。

直接模擬下變頻，又稱為模擬復(fù)數(shù)下變頻的正交采樣方法，從理論角度上來講，該方法具有很好的工作性，是目前此領(lǐng)域經(jīng)常使用的方法，該方法的原理圖如圖1所示[10]。

圖1 模擬復(fù)數(shù)下變頻的正交采樣方法

但是，在工程實(shí)踐中由于硬件的精度和穩(wěn)定性等條件制約，十分準(zhǔn)確地保持毫米波信號(hào)的垂直相位關(guān)系是非常困難的，或者說是不現(xiàn)實(shí)的。在實(shí)踐中，1°～2°的相位誤差是經(jīng)常出現(xiàn)的情況，在理論上，需要匹配精確的同軸電纜，同時(shí)還必須使用2個(gè)精確振蕩器(相差90°)和2個(gè)具有相同特性的混頻器，當(dāng)然，這也是不現(xiàn)實(shí)的。要找到1對(duì)工作特性相同的模擬低通濾波器和1對(duì)工作特性完全相同的ADC，對(duì)工程實(shí)踐來說要求是非常高的。

2 數(shù)字復(fù)數(shù)下變頻正交采樣方法

采用數(shù)字復(fù)數(shù)下變頻正交采樣方法可以很好地降低模擬復(fù)數(shù)下變頻的正交采樣方法帶來的諸多苛刻要求。如圖2所示，模擬信號(hào)Xp(t)經(jīng)過ADC后，再經(jīng)數(shù)字混頻器和帶通濾波器，就可以得到想要的信號(hào)，這種方法在理論和實(shí)踐上都改善了信號(hào)采樣過程中存在的各種限制條件過多的問題，這種方法與模擬體制下的復(fù)數(shù)下變頻正交采樣方法存在很大不同，因?yàn)樗恼w設(shè)計(jì)中只用到了1個(gè)ADC，大大降低了工程實(shí)踐的難度。

圖2 用數(shù)字混頻方法的復(fù)數(shù)正交采樣

圖2中:

Xc(n)=I(n)+jQ(n)

(1)

當(dāng)fs=4fc時(shí)，上述采樣方法的優(yōu)點(diǎn)就顯得非常突出，其原因如下：cos(2πn)=1,0,-1,0,…;-sin(πn)=0,-1,0,1,…。

帶通采樣又被稱作為中頻(IF)采樣、調(diào)和采樣或下奈奎斯特采樣等。并且，由于在帶通采樣的整體過程中，頻率轉(zhuǎn)換和采樣過程是緊密相關(guān)的2個(gè)過程，它可以在完成信號(hào)數(shù)字化的同時(shí)達(dá)到對(duì)信號(hào)頻率進(jìn)行變換的目的，因此，采樣變換是帶通采樣的又一個(gè)理論名稱。

為了滿足信號(hào)采樣系統(tǒng)的需求，在采樣之前輸入的信號(hào)必須是帶限信號(hào)。而對(duì)于帶限信號(hào)來講，它符合帶通采樣定理的相關(guān)要求和特性。

下面給出帶通采樣定理:對(duì)于一個(gè)帶寬為B、頻率范圍為從fL到(fL+B)的典型帶限信號(hào)，設(shè)定以采樣速率fs對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，之后根據(jù)上述理論，就可以將采樣得到的信號(hào)進(jìn)行重建，所以fs必須滿足下面的關(guān)系式：

(2)

假定fL=8.3 MHz，B=6.4 MHz，就可以計(jì)算出fs≥14.7 MHz。進(jìn)一步進(jìn)行理論分析[10]，得到適合帶通采樣定理計(jì)算采樣值需要的公式：

(3)

而避免混疊的最小采樣頻率公式為：

(4)

將fc=35 GHz、B=31.25 MHz代入計(jì)算得fs=63 MHz。從理論層面講，ADC在技術(shù)層面可以無限接近天線端口，但是在實(shí)際工程實(shí)踐過程中，ADC的帶寬是有限的，不同廠家的ADC均無法對(duì)高頻或者超高頻的信號(hào)進(jìn)行采樣。要完成模擬帶限信號(hào)數(shù)字化的過程，就需要在初始階段將高頻的信號(hào)下變頻到中頻段。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，這種下變頻方法的應(yīng)用對(duì)信號(hào)中的有用信息是無損失的，因此可以使用這種下變頻的方法使其降頻為100 MHz的中頻信號(hào)。此時(shí)fc=100 MHz，B=31.25 MHz，經(jīng)過計(jì)算后可得到：m=1時(shí)，fs=142 187 500 Hz；m=2時(shí)，fs=80 729 166.67。通過對(duì)m取1～1 000內(nèi)所有整數(shù)值的計(jì)算，可得到最佳采樣頻率為80 729 166.67 Hz。根據(jù)其相關(guān)的數(shù)據(jù)采樣要求，結(jié)合工程實(shí)踐成本以及當(dāng)前市場(chǎng)上電子器件的可靠度，最優(yōu)中頻采樣系統(tǒng)組合可以由AD8041、AD9057和AD6624A構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 中頻采樣系統(tǒng)框圖

由原理框圖可以清楚地看到，Xp(t)經(jīng)過器件AD8041進(jìn)行放大之后，由8位轉(zhuǎn)換器AD9057進(jìn)行轉(zhuǎn)換，之后再送入數(shù)字下變頻器AD6624A進(jìn)行下變頻處理，最終得到需要的信號(hào)形式。

3 結(jié)束語

本文運(yùn)用數(shù)字化的直接下變頻技術(shù),在進(jìn)行濾波器采樣的同時(shí),達(dá)到了信號(hào)下變頻的目的,從工程實(shí)踐的層面降低了難度。通過推導(dǎo)和計(jì)算,將得出的最優(yōu)化采樣頻率應(yīng)用到了毫米波雷達(dá)中頻信號(hào)的采樣過程中,使用當(dāng)前市場(chǎng)成熟的產(chǎn)品技術(shù)對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行設(shè)計(jì),僅用一個(gè)ADC和相關(guān)器件,完成了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì),降低了施工成本,提高了信號(hào)處理的速度和準(zhǔn)確率。

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ResearchintoQuadratureSamplingMethodofDigitalPluralDown-conversionforMillimeterWaveRadar

ZHAO Bo

(Unit 92941 of PLA,Huludao 125001,China)

This paper uses the digital direct down-conversion technology to achieve the purpose of signal down-conversion while the process of filter sampling,decreases the difficulty from engineering practice aspect,applies the obtained optimization sampling frequency into the sampling process of intermediate frequency signals of millimeter wave radar through deduction and calculation,only uses an A/D converter and relative devices to complete the whole system design,which reduces the construction cost and increases the speed and accuracy of signal processing.

millimeter wave radar;digital down-conversion;quadrature sampling

TP391

A

CN32-1413(2017)05-0090-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.05.020

2017-04-22