雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)通道隔離度提升方法與分析*

耿籍

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng) 471009)

雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)通道隔離度提升方法與分析*

耿籍

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng) 471009)

脈沖多普勒雷達(dá)在進(jìn)行目標(biāo)角度測(cè)量時(shí)，尤其是在小信號(hào)小角度的情況下，和差差采樣通道隔離度指標(biāo)的惡化會(huì)影響到雷達(dá)測(cè)角精度。詳細(xì)分析了通道間隔離度指標(biāo)的主要影響因素并找到了具體的提升方法和竅門，從而有效地保障和提升了雷達(dá)測(cè)角精度。

脈沖多普勒雷達(dá)；隔離度；小信號(hào)；小角度；測(cè)角精度；多通道采樣

0 引言

鑒于脈沖多普勒雷達(dá)的比相測(cè)角體制，天線和差器所輸出的和路、俯仰路、方位路3路中頻回波信號(hào)的能量間接的反映了目標(biāo)的失調(diào)角信息，中頻采樣通道隔離度指標(biāo)的惡化就意味著不能真實(shí)獲取和差差3路信號(hào)的回波能量，不能精確地計(jì)算出失調(diào)角信息。因此，雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)3路A/D中頻采樣通道間的隔離度指標(biāo)的提高就顯得至關(guān)重要[1-3]。

傳統(tǒng)文獻(xiàn)對(duì)于ADC通道隔離度的研究?jī)H限于調(diào)理電路模擬傳輸部分的耦合、串?dāng)_以及輻射研究，改善隔離度的方法也僅為針對(duì)性的地平面分割、通道屏蔽等方法，但對(duì)數(shù)字部分的影響以及改善措施卻鮮有提及。

本案詳細(xì)并全面闡明了信號(hào)處理機(jī)采樣通道隔離度指標(biāo)惡化的深層原因和機(jī)理，真正從理論上分析了信號(hào)處理機(jī)隔離度指標(biāo)隨中頻信號(hào)輸入能量的變化趨勢(shì)，并通過(guò)仿真和試驗(yàn)進(jìn)行了佐證。同時(shí)也找到了影響隔離度指標(biāo)的關(guān)鍵因素，并由此提出了提升隔離度指標(biāo)的具體方法，從而保障了小信號(hào)小角度下的測(cè)角精度問(wèn)題。

1 隔離度惡化時(shí)和差通道檢測(cè)變化趨勢(shì)初步分析

本節(jié)結(jié)合隔離度惡化情況下的具體測(cè)試案例進(jìn)行回波檢測(cè)能量變化趨勢(shì)的描述與分析，表1為隔離度指標(biāo)惡化情況下的3通道檢測(cè)能量的測(cè)試數(shù)據(jù)，從該數(shù)據(jù)得到方位和俯仰路的檢出幅度變化趨勢(shì)如圖1所示，該趨勢(shì)可以明顯看到3個(gè)變化階段。

表1 3路AD通道檢出幅度數(shù)據(jù)表Table 1 Amplitude table of three A/D channels

圖1 和路不同功率情況下，方位/俯仰路 檢出幅度趨勢(shì)圖Fig.1 Amplitude figure of azimuth and pitch channel as the different input power of sum channel

第1階段：輸入信號(hào)功率+5～-10 dBm，此時(shí)串?dāng)_到其他通道的信號(hào)功率隨輸入信號(hào)的功率下降而下降，此時(shí)可以肯定該串?dāng)_信號(hào)主要來(lái)自于中頻輸入信號(hào)；第2階段：輸入信號(hào)功率從-10 dBm下降到-30 dBm時(shí),串?dāng)_到未加信號(hào)通道端的信號(hào)檢測(cè)幅度會(huì)緩慢上升；第3階段：輸入信號(hào)小到-30 dBm之后又迅速下降。

由于第2，3階段的串?dāng)_幅度變化趨勢(shì)與輸入中頻信號(hào)幅度變化趨勢(shì)不一致，可以初步排除中頻輸入信號(hào)引起的直接串?dāng)_。相應(yīng)地，初步懷疑小信號(hào)輸入時(shí)的串?dāng)_來(lái)主要自于AD的數(shù)字部分，且該因素在第2，3階段起主導(dǎo)作用。

2 影響隔離度指標(biāo)的具體技術(shù)分析過(guò)程

本節(jié)結(jié)合信號(hào)處理機(jī)3通道隔離度測(cè)試數(shù)據(jù)(表1)和隔離度耦合趨勢(shì)圖(圖1)，從“A/D芯片輸出數(shù)據(jù)位及符號(hào)位所造成的同頻串?dāng)_”，“輸出數(shù)據(jù)格式符號(hào)位數(shù)的多少所造成的趨勢(shì)的變化”，“A/D本身的直流大小對(duì)隔離度惡化趨勢(shì)的影響”等3個(gè)方面詳細(xì)分析闡明了3通道隔離度指標(biāo)惡化的原因，并據(jù)此提出了合理的提升隔離度指標(biāo)的具體方法和技術(shù)竅門，措施切實(shí)有效，指標(biāo)改善顯著。

2.1A/D數(shù)字輸出部分同頻信號(hào)來(lái)源分析

信號(hào)處理機(jī)采用的AD芯片的輸出為二進(jìn)制碼的CMOS電平輸出。CMOS輸出的特點(diǎn)是單端輸出，需要地線作為其信號(hào)回線，其數(shù)據(jù)線容易對(duì)外產(chǎn)生干擾。

二進(jìn)制碼的特點(diǎn)是：符號(hào)位為0表示正數(shù)，用原碼表示；符號(hào)位1為表示負(fù)數(shù)，并用補(bǔ)碼表示。以14位二進(jìn)制碼為例，+1二進(jìn)制碼為0000000000001，-1二進(jìn)制碼為1111111111111，這2個(gè)數(shù)有13個(gè)符號(hào)位；+8 191二進(jìn)制碼為01111111111111，而-8 192二進(jìn)制碼為10000000000000，這2個(gè)數(shù)只有1個(gè)符號(hào)位。因此，可以得到規(guī)律，信號(hào)越小，其符號(hào)位數(shù)越多，其同步翻轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的干擾越大[4-5]。

本案假設(shè)中頻模擬信號(hào)頻率59.997 8 MHz、功率-25 dBm，采樣頻率為48 MHz，AD采集數(shù)據(jù)如圖2所示[6-7]，從圖2可知bit8～bit13都是信號(hào)的符號(hào)位；取出AD采集數(shù)據(jù)中的符號(hào)位bit13，用Matlab進(jìn)行的FFT處理，結(jié)果見圖3[8-10]，其峰值對(duì)應(yīng)的輸出頻率為11.997 8 MHz。根據(jù)采樣定律，對(duì)48 MHz的采樣系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，該頻點(diǎn)信號(hào)波形、頻譜與59.997 8 MHz信號(hào)完全相同，下稱同頻串?dāng)_信號(hào)。

圖2 AD采樣數(shù)據(jù)Fig.2 Sampled data of A/D

圖3 AD采樣數(shù)據(jù)符號(hào)位的FFT結(jié)果(零均值)Fig.3 FFT result of the sign bit of A/D sampled data (zero-mean)

由以上仿真結(jié)果可知，AD輸出數(shù)據(jù)碼中的符號(hào)位數(shù)據(jù)線的同步翻轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生與輸入信號(hào)相同頻率的同頻串?dāng)_信號(hào)。

2.2同頻串?dāng)_信號(hào)功率變化趨勢(shì)分析

由二進(jìn)制編碼的特征可知：

(1) 大信號(hào)的采樣數(shù)據(jù)，其同步翻轉(zhuǎn)的符號(hào)位較少，其發(fā)出的串?dāng)_信號(hào)功率比較小，此時(shí)中頻輸入信號(hào)的串?dāng)_是AD通道間串?dāng)_的主要貢獻(xiàn)者；

(2) 對(duì)-10～-30 dBm之間的小信號(hào)采樣數(shù)據(jù)，其二進(jìn)制編碼中的符號(hào)位較多，在正負(fù)切換的時(shí)候，所有符號(hào)位同步進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，如圖2中-25 dBm信號(hào)的符號(hào)位為6位同步翻轉(zhuǎn)。

若沒有噪聲的影響，信號(hào)越小，同步變化的符號(hào)位數(shù)越多，其輸出同頻串?dāng)_信號(hào)因幅度疊加而增強(qiáng)。

圖1中的中頻輸入信號(hào)功率在-10～-30 dBm之間時(shí)串?dāng)_檢出幅度的曲線，可以印證上述分析。

2.3AD直流偏移影響分析[11-12]

在理想情況下，從中頻輸入口輸入交流信號(hào)時(shí)，AD應(yīng)輸出零均值的采樣數(shù)據(jù)。而實(shí)際上，由于運(yùn)放電路和AD自身芯片特性等因素影響，AD輸出的采樣數(shù)據(jù)均值總是不等于0。本文稱這個(gè)非零的均值為直流偏移。

不可避免地，每一個(gè)AD采樣通道的輸出數(shù)據(jù)里總是存在或大或小的直流偏移量。由于這個(gè)偏移量的存在，在輸入信號(hào)功率小到一定程度之后，AD輸出數(shù)據(jù)碼就會(huì)恒為正數(shù)或負(fù)數(shù)；此時(shí)的符號(hào)位不再翻轉(zhuǎn)，由符號(hào)位翻轉(zhuǎn)而產(chǎn)生同頻串?dāng)_信號(hào)就會(huì)消失。例如鑒定件和路AD輸出碼中直流偏移為73，若信號(hào)采樣幅度峰峰值一直小于146，同步翻轉(zhuǎn)的符號(hào)位為0位(恒為正數(shù)，符號(hào)位不翻轉(zhuǎn))，此時(shí)不會(huì)發(fā)出同頻串?dāng)_信號(hào)。

圖4是輸入信號(hào)功率為-30 dBm時(shí)和路采集結(jié)果，此時(shí)符號(hào)位還存在切換，會(huì)輸出同頻串?dāng)_信號(hào)。而采集-35 dBm信號(hào)時(shí)，AD所得數(shù)據(jù)均為正數(shù)，見圖5，此時(shí)符號(hào)位不存在翻轉(zhuǎn)，就不會(huì)輸出的同頻串?dāng)_信號(hào)。

圖4 輸入信號(hào)-30 dBm 時(shí)AD采集結(jié)果Fig.4 A/D sampled data -30 dBm power input

圖5 輸入信號(hào)-35 dBm 時(shí)AD采集結(jié)果Fig.5 A/D sampled data -35 dBm power input

另外，因各AD通道直流偏移值不同，使同頻串?dāng)_信號(hào)消失所對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)功率點(diǎn)也不相同(下文將該輸入信號(hào)功率值稱為臨界功率點(diǎn))。本案直流偏移值與臨界功率點(diǎn)大致對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2。

表2 各AD通道直流偏移值及對(duì)應(yīng)的臨界功率值Table 2 Critical power value vs different channel DC-offset

以本案和路AD為例，在和路信號(hào)變小到-31 dBm以下時(shí)，因數(shù)據(jù)全部變成正數(shù)，泄露到其他通道的同頻串?dāng)_信號(hào)迅速消失。而對(duì)俯仰和方位路AD來(lái)說(shuō)，該臨界功率點(diǎn)分別為-27 dBm和-28 dBm，這在圖1測(cè)試數(shù)據(jù)中得到印證。

若考慮噪聲影響，對(duì)功率過(guò)小(比如小于-35，-40 dBm)且功率還沒有達(dá)到臨界功率點(diǎn)的小信號(hào)，其符號(hào)位翻轉(zhuǎn)會(huì)受噪聲的影響而出現(xiàn)隨機(jī)特性，輸出的同頻串?dāng)_信號(hào)功率也會(huì)隨信噪比下降而緩慢下降。

3 提升隔離度指標(biāo)的具體方法

由以上分析過(guò)程可知，影響隔離度指標(biāo)的因素是多方面的，若要提升隔離度指標(biāo)必須針對(duì)每個(gè)影響因素均采取抑制措施，以下為本項(xiàng)目提出的提升隔離度指標(biāo)的具體方法。

3.1對(duì)AD輸出的數(shù)據(jù)位進(jìn)行編碼輸出

由第2節(jié)分析可知，在小信號(hào)時(shí)符號(hào)位過(guò)多，符號(hào)位的同步翻轉(zhuǎn)會(huì)帶來(lái)較強(qiáng)的與輸入信號(hào)同頻的干擾，為了抑制這個(gè)干擾，采取措施如下：利用AD數(shù)據(jù)輸出的最低位與其他位進(jìn)行異或編碼操作，由于最低位的隨機(jī)性，其頻譜也必然沒有固定雜散，因此符號(hào)位與最低位異或后也變得隨機(jī)，從而打亂了原有的周期性，抑制了同頻干擾，在FPGA內(nèi)部接收數(shù)據(jù)時(shí)將數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼利用即可。

3.2改變AD輸出的數(shù)據(jù)電平形式

由第2節(jié)分析可知，由于AD輸出采用的是CMOS電平單端輸出，信號(hào)的只有通過(guò)地平面才能回流到驅(qū)動(dòng)端，這樣信號(hào)在回流時(shí)就會(huì)因?yàn)榈仄矫娑鴰?lái)串?dāng)_，因此將AD的數(shù)據(jù)輸出方式改為L(zhǎng)VDS電平差分輸出，由于LVDS的低擺幅和部分回流自閉環(huán)特性，對(duì)地平面的干擾顯著降低，從而很大程度上抑制了同頻信號(hào)的串?dāng)_。

3.3對(duì)地平面進(jìn)行合理的分割和分布[13-15]

AD的模擬通道部分(信號(hào)調(diào)理電路部分)通過(guò)的為模擬信號(hào)，在小體積多通道的情況下，通道間的串?dāng)_難以避免，為了抑制模擬通道間的串?dāng)_需要采取以下措施：在AD的采樣通道的上下方向盡量多的分配地平面，每個(gè)通道的左右方向也交錯(cuò)的打雙過(guò)孔(地屬性)進(jìn)行隔離，使得串?dāng)_的幾率降到最低。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合具體案例對(duì)A/D采樣通道間隔離度惡化趨勢(shì)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和論證，并針對(duì)不同的影響因素找到了針對(duì)地解決方法，通過(guò)多項(xiàng)解決措施地共同實(shí)施，本案例最終的隔離度指標(biāo)在全溫度范圍及全動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)提升到50 dB以上，使得小信號(hào)情況下的目標(biāo)失調(diào)角的測(cè)量更加穩(wěn)定和精確。

[1] 林茂庸，柯有安.雷達(dá)信號(hào)理論[M].西安：西北電訊工程學(xué)院出版社，1984.

LIN Mao-yong，KE You-an.Theory of Radar Signal[M].Xi’an：Northwestern Telecommunication Engineering Institute Press ，1984.

[2] 黃槐，齊潤(rùn)東，文樹梁.制導(dǎo)雷達(dá)技術(shù)[M].上海：電子工業(yè)出版社，2006.

HUANG Huai，QI Run-dong，WEN Shu-liang.Technology of Radar Guidance[M].Shanghai：Electronic Industry Publishing Company，2006.

[3] 高烽.多普勒雷達(dá)導(dǎo)引頭信號(hào)處理技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2001.

GAO Feng.Signal Processing Technology of PD Radar Guidance[M].Beijing：National Defense Industry Press，2001.

[4] 王俊，張守宏.集成A/D和D/A轉(zhuǎn)換器應(yīng)用技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1989.

WANG Jun，ZHANG Shou-hong.Application Technology of A/D and D/A[M].Beijing：National Defense Industry Press,1989.

[5] 王秀玲，趙雅南，劉植楨.微型計(jì)算機(jī)A/D、D/A轉(zhuǎn)換接口技術(shù)及數(shù)據(jù)采集[M].北京：清華大學(xué)出版社，1984.

WANG Xiu-ling，ZHAO Ya-nan，LIU Zhi-zhen.Data Acquisition of Microcomputer’s A/D and D/A[M].Beijing：Tsinghua University Publishing Company，1984.

[6] 劉皖，何道君，譚明.FPGA設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

LIU Wan，HE Dao-jun，TAN Ming.The Design and Application of FPGA[M].Beijing：Tsinghua University Press，2006.

[7] 湯琦.Xilinx FPGA 高級(jí)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].上海：電子工業(yè)出版社，2012.

TANG Qi.The Advanced Design and Application of Xilinx FPGA[M].Shanghai：Electronic Industry Press，2012.

[8] 樓順天.Matlab程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1997.

LOU Shun-tian.The Programming Language of Matlab[M].Xi’an：Xidian University Press，1997.

[9] 董長(zhǎng)虹.Matlab信號(hào)處理與應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005.

DONG Chang-hong.The Signal Processing and Application of Matlab[M].Beijing：National Defense Industry Press，2001.

[10] 張明照，劉政波，劉斌.應(yīng)用Matlab實(shí)現(xiàn)信號(hào)分析和處理[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

ZHANG Ming-zhao，LIU Zheng-bo，LIU Bin.The Signal Analysis and Processing by Using Matlab[M].Beijing：Science Press，2006.

[11] 陳曉勇.高速高分辨率ADC的測(cè)試研究[D].上海：復(fù)旦大學(xué)，2014.

CHEN Xiao-yong.Research of High Speed and High Resolution ADC Test[D].Shanghai：Fudan University，2014.

[12] 袁博群.流水線型ADC中采樣保持電路研究與設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)，2015.

YUAN Bo-qun.The Design of Sample and Hold Circuit for Pipelined ADC[D].Chengdu：University of Electronic Science and Technology，2015.

[13] 周潤(rùn)景.高速電路板設(shè)計(jì)[M].上海：電子工業(yè)出版社，2006.

ZHOU Run-jing.The High Speed PCB Design by Using Mentor WG[M].Shanghai：Electronic Industry Press，2006.

[14] 姜培安.高速電路PCB設(shè)計(jì)方法與技巧[M].北京：中國(guó)電力出版社 ，2010.

JIANG Pei-an.The Design Technique and Tactics of High Speed PCB[M].Beijing：China Electric Power Press，2010.

[15] 姜雪松，王鷹.電磁兼容與PCB設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

JIANG Xue-song，WANG Ying.The EMC and Design of PCB[M].Beijing：Machinery Industry Press，2008.

InfluencingFactorandPromotingMethodofRadarSignalProcessor

GENG Ji

(The Air to Air Missile Academy of China，Henan Luoyang 471009，China)

Whenever PD radar measures a target's angle, especially at the situation of small-angle and small-signal, the worsening of multichannel isolation indicator can influence angle measure precision of radar. The primary influencing factor of interchannel isolation is analyzed and a specific promoting method is found. Thereby, the angle measure precision of radar is effectively guaranteed and promoted.

PD radar；isolation；small-signal；small-angle；angle measure precision；multichannel sample

2016-12-15；

2017-02-14

耿籍(1974-)，男，遼寧本溪人。高工，碩士，主要從事雷達(dá)導(dǎo)引頭嵌入式計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)。

通信地址：471009 河南省洛陽(yáng)市030信箱7分箱E-mail：ji_geng@sina.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2017.05.019

TN958.2;TN957.51

A

1009-086X(2017)-05-0120-05