單站無源定位系統(tǒng)對(duì)消電路設(shè)計(jì)

趙巖

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所四川成都610036）

單站無源定位系統(tǒng)對(duì)消電路設(shè)計(jì)

趙巖

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所四川成都610036）

針對(duì)單站無源定位系統(tǒng)中偵收通道內(nèi)直達(dá)波干擾信號(hào)的影響問題，設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)對(duì)消電路方案。通過對(duì)對(duì)消電路的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析結(jié)合仿真驗(yàn)證，提出一種相位、幅度分步驟調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)方案。該方案控制邏輯簡(jiǎn)單、電路易于實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)行了電路實(shí)際測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，電路可實(shí)現(xiàn)31 dB的對(duì)消比。

無源定位；射頻對(duì)消；自適應(yīng)；對(duì)消比

無源相干定位PCL（Passive Coherent Location）系統(tǒng)，其本身不輻射電磁波，而是利用外部已知信號(hào)作為輻射源，如廣播電臺(tái)、電視臺(tái)等信號(hào)對(duì)飛機(jī)、導(dǎo)彈等空中機(jī)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)[1]。由于其自身不主動(dòng)輻射電磁波，其隱身性較好[2-4]，戰(zhàn)場(chǎng)生存能力強(qiáng)。另外，由于其無需發(fā)射裝置，所以系統(tǒng)體積小、成本相對(duì)較低[5]。此外，由于其定位所采用的輻射源具有頻率低的特點(diǎn)，其對(duì)隱身目標(biāo)具有很好的探測(cè)效果[6]。

對(duì)于利用調(diào)頻廣播信號(hào)的無源相干定位系統(tǒng)，由于廣播信號(hào)多使用全向天線，接收機(jī)接收的目標(biāo)回波信號(hào)遠(yuǎn)小于直達(dá)波干擾信號(hào)[7-8]，這對(duì)數(shù)據(jù)處理部分的ADC芯片動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)壓力很大。因此，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的對(duì)消電路削弱直達(dá)波干擾信號(hào)，進(jìn)而降低ADC芯片的動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)要求，減小數(shù)據(jù)處理壓力[9]。

1 對(duì)消電路數(shù)學(xué)原理分析

理想情況下的對(duì)消是通過對(duì)消電路產(chǎn)生和干擾信號(hào)幅度相同、相位相反的對(duì)消信號(hào)，并將其與干擾信號(hào)矢量相加，達(dá)到消除干擾的目的。實(shí)際情況下，對(duì)消電路產(chǎn)生的對(duì)消信號(hào)同理想對(duì)消信號(hào)之間存在一定的幅度差和相位差。如圖1所示。

圖1 對(duì)消矢量圖

在實(shí)際電路中，假設(shè)干擾信號(hào)U1，實(shí)際對(duì)消信號(hào)為同理想的對(duì)消信號(hào)的誤差相位為Δθ，因此其不能完全消除干擾信號(hào)，與干擾信號(hào)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)對(duì)消剩余矢量Ue，評(píng)價(jià)對(duì)消電路對(duì)消效果的指標(biāo)為對(duì)消比，dB形式的對(duì)消比公式為:

根據(jù)圖1所示，可以得出Ue同的關(guān)系為:

將式（2）帶入式（1），則對(duì)消比和對(duì)消信號(hào)和誤差相位之間的數(shù)學(xué)關(guān)系如下式:

由式（4）得出對(duì)消比同幅度誤差ΔA及相位誤差Δθ之間的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 幅度誤差、相位誤差與對(duì)消比之間關(guān)系

因此，從上圖可以看出，對(duì)消比受相位誤差與幅度誤差綜合因素影響。根據(jù)式（4）計(jì)算，若要達(dá)到30 dB的對(duì)消比，當(dāng)幅度一致時(shí)，即ΔA=0時(shí)，相位誤差要控制在以內(nèi)。當(dāng)相位一致時(shí)，即Δθ=0時(shí)，幅度誤差要控制在±0.4 dB之內(nèi)。實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，無論是幅度或者相位都無法做到誤差為0，因此實(shí)際的對(duì)消比要根據(jù)器件的準(zhǔn)確度進(jìn)行具體仿真計(jì)算。

2 對(duì)消方案對(duì)比

基本的開環(huán)對(duì)消電路思路很簡(jiǎn)單，先測(cè)得偵收通道干擾信號(hào)和參考通道的直達(dá)波信號(hào)之間的幅度差和相位差，根據(jù)測(cè)試結(jié)果，選定衰減器和移相器的衰減值和移相值，再將調(diào)節(jié)后的信號(hào)通過合成器與偵收通道的干擾信號(hào)進(jìn)行合成，達(dá)到對(duì)消的目的。由于此對(duì)消電路不具備自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能，不利于多站批量生產(chǎn)裝配。且即使在同一定位站，受天氣因素等外部環(huán)境的影響，到達(dá)對(duì)消電路偵收通道和參考通道的信號(hào)幅度和相位差都會(huì)有一定的波動(dòng)，因此多應(yīng)用于直達(dá)波干擾路徑且不受外部環(huán)境影響的主動(dòng)雷達(dá)系統(tǒng)[10]。

在單站無源定位系統(tǒng)中，一般采用閉環(huán)自適應(yīng)對(duì)消系統(tǒng)，一種典型的自適應(yīng)對(duì)消電路如圖所示[11]。

圖3 一種自適應(yīng)對(duì)消電路

這種對(duì)消電路包含兩個(gè)自適應(yīng)對(duì)消環(huán)路。一個(gè)是幅度對(duì)消環(huán)，一個(gè)是相位對(duì)消環(huán)。由于在調(diào)節(jié)壓控衰減器及壓控移相器過程中，信號(hào)的相位、幅度信息還會(huì)產(chǎn)生變化，因此對(duì)消環(huán)路要經(jīng)過多個(gè)遞歸過程，才能達(dá)到對(duì)消比要求。圖3中的對(duì)消電路是純模擬電路的對(duì)消電路，隨著軟件無線電技術(shù)、DSP、FPGA技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字處理芯片被引入到對(duì)消電路中，可以采用數(shù)字-模擬結(jié)合的方式[12]，或純數(shù)字的方式[13]達(dá)到更加好的對(duì)消效果，也減小了設(shè)備體積，但是由于DSP、FPGA等器件的引入，提高了對(duì)消設(shè)備的成本。

通過對(duì)式（4）分別對(duì)Δθ及ΔA求偏導(dǎo)，得

令式（5）為0，可知，對(duì)消比D在 Δθ位于[0，360）區(qū)間內(nèi)內(nèi)有且僅有一個(gè)極值點(diǎn)，即當(dāng)Δθ=0時(shí)，D處于極值，與無ΔA關(guān)。令式（6）為0，可知，對(duì)消比D在 ΔA=20lg(cosΔθ)時(shí)，處于極值點(diǎn)，但是當(dāng) Δθ位于[180，360）區(qū)間內(nèi)時(shí)，ΔA=20lg(cosΔθ)為負(fù)值。但是無源定位體制中，由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)上均認(rèn)為參考通道的直達(dá)波信號(hào)大于偵收通道的干擾信號(hào)，故ΔA肯定為大于0的某值，即此時(shí)無論如何調(diào)節(jié)ΔA，均無法達(dá)到對(duì)消比D的極值點(diǎn)。通過上述分析可以得出如下結(jié)論:在對(duì)消電路中，無論初始相位差值和幅度差值是多少，在[0，360）區(qū)間內(nèi)調(diào)節(jié)移相器，總會(huì)找到一個(gè)最佳的Δθ，此時(shí)對(duì)消比最大。但當(dāng)初始相位差Δθ不確定的前提下，調(diào)節(jié)數(shù)控衰減器，不一定能找到對(duì)消比最大的衰減值，僅當(dāng)Δθ位于[0，180]區(qū)間內(nèi)時(shí)，調(diào)節(jié)數(shù)控衰減器可以找打?qū)ο茸畲蟮狞c(diǎn)。應(yīng)此，在實(shí)際設(shè)計(jì)電路過程中，根據(jù)上述分析結(jié)論，在對(duì)消電路調(diào)節(jié)過程中，應(yīng)先調(diào)節(jié)數(shù)控移相器，再調(diào)節(jié)數(shù)控衰減器。

3 電路設(shè)計(jì)

通過上述分析可知，為提高對(duì)消電路的對(duì)消能力，對(duì)幅度和相位的控制調(diào)節(jié)應(yīng)當(dāng)按一定的順序進(jìn)行，否則在某些初始相位差條件下，可能導(dǎo)致對(duì)消失敗?；诖?，提出一種控制邏輯簡(jiǎn)單、不需要DSP、FPGA等芯片的對(duì)消電路，如圖4所示。在對(duì)消的過程中，通過判斷對(duì)消比的變化趨勢(shì)，檢測(cè)對(duì)消后輸出信號(hào)幅度，找到對(duì)消比極值點(diǎn)的方法，按照首先調(diào)節(jié)對(duì)消信號(hào)和干擾信號(hào)相位差，然后再來調(diào)節(jié)對(duì)消信號(hào)的幅度差的方式，最終達(dá)到對(duì)消的目的。

圖4 對(duì)消方案框圖

如圖4所示，參考通道的信號(hào)，經(jīng)過數(shù)控衰減器和數(shù)控移相器后，同偵收通道的信號(hào)通過合成器進(jìn)行合成。合成后的信號(hào)經(jīng)過包絡(luò)檢波器后輸出，記包絡(luò)檢波器輸出為A路，對(duì)A路的電壓信號(hào)經(jīng)AD采樣采集信號(hào)的電壓信息，此電壓信息的大小直接反應(yīng)對(duì)消比的大小，電壓越小，說明輸出信號(hào)功率越小，對(duì)消比越大。再經(jīng)過單片機(jī)簡(jiǎn)單的判斷比較，根據(jù)一定的控制邏輯對(duì)數(shù)控衰減器和數(shù)控移相器進(jìn)行控制。

A路電壓信號(hào)的數(shù)據(jù)處理過程如下:

1）初始狀態(tài)下數(shù)控衰減器的衰減值設(shè)為0 dB，數(shù)控移相器的移相值設(shè)為0°。采集A路信號(hào)的電壓信息，作為電壓初值。

2）調(diào)節(jié)數(shù)控移相器，按移相器最小步進(jìn)增加移相值，調(diào)節(jié)數(shù)控移相器從0°到360°變化，在調(diào)節(jié)過程中，采集并記錄A路信號(hào)的輸出電壓值。遍歷調(diào)節(jié)完成后，將移相器的移相值調(diào)節(jié)至A路輸出電壓值最小的位置。

3）調(diào)節(jié)數(shù)控衰減器，從0 dB開始依衰減步進(jìn)增加，在增加過程中采集并記錄A路信號(hào)的輸出電壓值。遍歷調(diào)節(jié)完成后，將衰減器的衰減值調(diào)節(jié)至A路輸出電壓值最小的位置。

經(jīng)過上述調(diào)節(jié)后，對(duì)消比應(yīng)當(dāng)已經(jīng)達(dá)到極值點(diǎn)。但是實(shí)際電路中，根據(jù)移相器和衰減器的實(shí)現(xiàn)原理[14-15]，在移相器、衰減器調(diào)節(jié)過程中會(huì)引入損耗及相位的變化，應(yīng)進(jìn)行修正。

4）在當(dāng)前移相值和衰減值處，按最小步進(jìn)增大和減小衰減值，取A路電壓值最小值固定移相值和衰減值此時(shí)對(duì)消完成，達(dá)到最佳對(duì)消效果。

4 仿真分析

結(jié)合目前數(shù)控衰減器及數(shù)控移相器器件能力，比較常見的30 dB動(dòng)態(tài)范圍的數(shù)控衰減器的最小步進(jìn)為0.5 dB，8位數(shù)控移相器移相精度為1.4°。根據(jù)這些器件實(shí)際情況，并隨機(jī)設(shè)置參考通道輸入信號(hào)為0 dBm，偵收通道信號(hào)為-20 dbm。兩路信號(hào)初始相位差為143.5°建立仿真模型。通過ADS軟件的tune調(diào)諧功能，按照上文分析的對(duì)消調(diào)節(jié)步驟移相器和衰減器進(jìn)行控制。對(duì)消結(jié)果仿真如下圖所示，可以看出，最終對(duì)消比為45.9。由仿真結(jié)果可以看出，按照本方案設(shè)計(jì)，選用目前常見器件，可以達(dá)到30 dB以上對(duì)消比。

5 實(shí)際電路測(cè)試

根據(jù)上述分析及仿真結(jié)果，設(shè)計(jì)加工對(duì)消電路。電路由數(shù)控移相器、數(shù)控衰減器、單片機(jī)、檢波器、合成器等主要器件構(gòu)成，制成后的對(duì)消電路單元大小為19寸1U標(biāo)準(zhǔn)插箱。電路上電后，自動(dòng)開始對(duì)消過程，可通過CAN總線對(duì)對(duì)消狀態(tài)進(jìn)行實(shí)施監(jiān)控。實(shí)際電路測(cè)試結(jié)果如下。

6 結(jié)束語(yǔ)

單站無源定位技術(shù)具有巨大的應(yīng)用前景，而與之相應(yīng)的對(duì)消技術(shù)的發(fā)展對(duì)其影響巨大。本文從對(duì)消電路的基本數(shù)學(xué)原理入手，提出了相位、幅度分步驟調(diào)節(jié)的對(duì)消電路實(shí)現(xiàn)方式。通過電路實(shí)際測(cè)試，驗(yàn)證了方案的正確性，為對(duì)消電路的實(shí)現(xiàn)方式，提供了一種自適應(yīng)、易實(shí)現(xiàn)、低成本的解決方案。

圖5 分步調(diào)節(jié)對(duì)消比仿真結(jié)果對(duì)消比

圖6 對(duì)消前、后干擾信號(hào)和回波信號(hào)對(duì)比

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Cancellation circuit design of single station passive location system

ZHAO Yan
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu610036，China）

In order to suppress the direct path interference of surveillance channel on passive radar，an automatic self-adaptive cancellation solution circuit is brought forward.Base on the mathematical models and result of simulation，phase and amplitude should adjust in steps.The control logic is simple and the circuit is easy to realize.Measurement results show that the actual circuit can achieve 31 dB cancellation ratio.

passive locating；RF cancellation；self-adaptive；cancellation ratio

TN952

B

1674-6236（2017）23-0151-04

2016-10-17稿件編號(hào)：201610084

趙巖（1988—），男，遼寧新民人，碩士，工程師。研究方向：射頻微波電路。