基于單路DDS源的雙路寬帶信號預失真技術

洪香茹 徐 瑋 張雨輪 李 濤

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

雷達的高分辨率距離像是通過發(fā)射和處理寬帶信號實現(xiàn)的，匹配濾波理論假定接收信號s(t-τ)是發(fā)射信號s(t)延遲τ后的復制，即收發(fā)通道不引入任何失真。工程實現(xiàn)中，雷達寬帶信號的產(chǎn)生、傳輸、發(fā)射、接收由于混頻器、濾波器性能的非理想因素，使得雷達接收到的回波信號產(chǎn)生變形、失真。如果還用發(fā)射信號做匹配濾波，將會導致脈壓后的主瓣展寬、旁瓣抬高，使脈壓性能變差。

文獻[1]將點目標的回波當做當做匹配信號，改善匹配性能，該方法把信號產(chǎn)生、傳輸、接收等失真一并考慮，但是并未考慮“去斜”接收對寬帶信號線性度要求的使用場合。文獻[2]根據(jù)收、發(fā)通道的特性對寬帶發(fā)射信號的相位、幅度進行預失真[3]補償，使發(fā)射信號成為和收發(fā)通道匹配的最佳波形。

考慮到本雷達近場成像的需要，雷達作用距離范圍為3～60m，為實現(xiàn)近端成像，雷達采用連續(xù)波“自混頻”的去調(diào)頻接收體制，克服了雷達的盲距、提高了信噪比，同時降低了對后端信號采集和處理的難度?！白曰祛l”工作方式，即要求頻綜輸出的發(fā)射信號和接收本振信號同時發(fā)出，且為調(diào)頻斜率相同的寬帶線性調(diào)頻信號，并且要求發(fā)射信號和本振信號的線性度必須嚴格一致。

1 傳統(tǒng)預失真方案

由于“自混頻”的工作方式，要求頻綜輸出的發(fā)射信號和接收本振信號同時發(fā)出，且為調(diào)頻斜率相同的寬帶線性調(diào)頻信號，考慮到發(fā)射通道和本振通道的相位、幅度不一致性，兩個通道必須同時做預失真，才能保證發(fā)射信號和本振信號為的線性度一致的寬帶信號。

為產(chǎn)生預失真的寬帶發(fā)射信號和本振信號，采用兩路DDS源信號產(chǎn)生電路，一路做本振一路做發(fā)射，預失真時，示波器分別采集發(fā)射通道、本振通道的中頻信號[4]，再利用分析計算機分析得到發(fā)射通道、本振通道的相位誤差，并將各路的相位誤差分別預失真到各路的DDS源，從而產(chǎn)生發(fā)射、本振各自預失真的信號。其單路處理流程如圖1所示，發(fā)射、本振雙路處理只是分別對兩路完成預失真處理即可。

這種預失真方法能同時補償發(fā)射通道與本振通道的相位誤差，但是需要兩路DDS信號產(chǎn)生電路，電路復雜、功耗大、成本高，且存在兩路DDS源的同步問題。

2 單個DDS源的雙路寬帶信號預失真技術

2.1 單路DDS源的雙路寬帶信號預失真技術的思路

針對傳統(tǒng)預失真方法的問題，采用一路DDS源信號產(chǎn)生電路，只產(chǎn)生一路寬帶基帶信號，通過功分把此寬帶基帶信號分成兩路，分別送至發(fā)射通道、本振通道。預失真時，先從發(fā)射通道采集中頻信號，形成發(fā)射通道的相位誤差，并把此相位誤差預失真到DDS源，此時對于本振通道輸出信號而言含有兩種失真：一是本振通道本身的失真；二是本振發(fā)射兩通道不一致的失真。采集同時含有兩種失真的本振通道輸出信號，形成本振通道的預失真相位誤差，并存儲此項誤差。在處理AD采集到的“去調(diào)頻”信號之后再將本振通道的相位誤差補償上去。

通過在線只補償發(fā)射通道的相位誤差，后處理時補償本振通道的相位誤差實現(xiàn)雙路寬帶信號的預失真處理，雖然后處理計算量增大，但只要一路DDS信號產(chǎn)生電路，降低成本且不存在兩路DDS同步的問題，同時一次相位預失真的乘法運算對算法實時性的影響不大。

2.2 單路DDS源的雙路寬帶信號預失真方案的原理

單路DDS源的雙路寬帶信號預失真方案的原理見下分析所示：

圖2中，s0(t) 為DDS產(chǎn)生出的理想基帶寬帶信號，sT(t)為理想信號疊加上發(fā)射通道相位、幅度誤差的發(fā)射信號，sL(t)為理想信號疊加上本振通道相位、幅度誤差的本振信號，sR(t)為接收回波信號，sR0(t)為經(jīng)過“去斜”接收的中頻信號。考慮到實際系統(tǒng)中幅度失真較小，且幅度失真對脈壓的影響較小，為簡化問題，以下僅對相位誤差推導。

DDS產(chǎn)生的理想基帶信號為：

s0(t)=a(t)exp(j(2πfBt+πkt2))

(1)

經(jīng)過發(fā)射通道的畸變后實際發(fā)射信號為：

sT(t)=a(t)exp(j(2πfTt+πkt2+φT(t)))

(2)

其中φT(t)為發(fā)射通道的相位誤差。

接收回波信號為[5]：

sR(t)=sT(t-τ)

(3)

經(jīng)過本振通道的畸變后實際本振信號為：

sL(t)=a(t)exp(j(2πfLt+πkt2+φL(t)))

(4)

其中φL(t)為本振通道的相位誤差。

對發(fā)射通道預失真相位補償后，發(fā)射的基帶信號變?yōu)椋?/p>

(5)

經(jīng)過發(fā)射通道的相位失真后，預失真的基帶發(fā)射信號成為理想信號：

(6)

對應的接收回波信號為：

=a(t-τ)exp(j(2πfT(t-τ)+πk(t-τ)2))

(7)

而疊加上發(fā)射通道相位誤差的本振信號為：

(8)

混頻濾波后的中頻信號為：

s(t)=a(t-τ)exp(j(2πfL0t+2πfTτ+

πkτt-πkτ2+φL(t)-φT(t)))

(9)

式(9)中第一個相位為中頻載頻項，數(shù)字下變頻后，頻率搬移到零頻。第二項為目標與雷達之間的多普勒項，SAR成像正是基于對此項的積累成像的。第三項為距離項，第四項為“去斜”接收產(chǎn)生的的剩余相位，可補償?shù)?。第五項為本振通道的相位誤差，第六項為發(fā)射通道的相位誤差。從(9)式可以看出，如果對五、六項不做補償，將會影響“去斜”后距離脈壓的效果，使其主瓣變寬，旁瓣抬高。

采集回波之前，先采集含有本振通道及發(fā)射通道相位誤差的本振信號，如式(8)所示，利用分析計算機得到相位誤差，如(10)式所示：

φ(t)=φL(t)-φT(t)

(10)

在SAR成像處理前，中頻回波數(shù)字下變頻后，再把相位誤差(10)式補償?shù)交夭ㄉ?，即使回波成為近似理想回波信號，?11)式所示：

s(t)=a(t-τ)exp(j(2πfTτ+πkτt-πkτ2))

(11)

2.3 單路DDS源的雙路寬帶信號預失真處理過程

根據(jù)以上分析，通過在線補償和后處理補償兩種方式完成發(fā)射、本振信號的預失真校正，其處理流程如圖3所示：

其處理過程分為以下四步：

1)用單個DDS源同時產(chǎn)生發(fā)射、本振兩路寬帶信號。

2)發(fā)射通道相位誤差測量及在線補償。

3)本振通道剩余相位誤差的測量。

4)距離脈壓同時補償本振通道相位誤差。

預失真數(shù)據(jù)采集過程注意以下事項：

1)圖3中的混頻器選擇和輸入信號波段一致的混頻器即可，使用時注意調(diào)節(jié)發(fā)射信號和本振信號及信號源的輸出功率在混頻器額定輸入功率范圍內(nèi)。

2)理論上，數(shù)字示波器采樣頻率滿足混頻器下變頻后輸出信號的最高頻率的2倍即可，實際中考慮到恢復信號的質(zhì)量，采樣頻率設為理論采樣頻率的2.5倍。

3 實測數(shù)據(jù)驗證

值得一提的是：預失真校正包括幅度預失真校正與相位預失真校正兩部分，其處理流程基本相同。本雷達通過測試發(fā)現(xiàn)信號的帶內(nèi)幅度起伏在1.0dB內(nèi)，滿足成像處理要求，所以對幅度起伏不做預失真校正。以下試驗結(jié)果為相位預失真校正結(jié)果。

需要說明的是相位預失真校正的過程并不是一次完成的，需要循環(huán)實現(xiàn)多次，直到補償之后的相位誤差范圍滿足工程需要為止。

圖4-8給出本項目相位預失真的結(jié)果。

圖4(a)為不做補償時的發(fā)射通道相位誤差，從圖4(a)中可以看出發(fā)射信號的相位誤差達到150多度，遠遠不滿足工程脈壓的需要，圖4(b)為以發(fā)射通道的相位誤差為DDS預失真誤差補償后發(fā)射通道的相位誤差，從圖中可以看出補償后，發(fā)射通道的相位誤差縮小到±3°范圍內(nèi)。

圖5給出發(fā)射通道相位預失真前后距離脈壓的結(jié)果，圖中不做相位誤差補償?shù)拿}壓結(jié)果主瓣展寬，旁瓣抬高到-6dB以上且不對稱；做了相位誤差補償?shù)拿}壓結(jié)果主瓣和理想信號脈壓結(jié)果相符，第一旁瓣分別到了-12.74dB、-13.72dB以下，和理想LFM信號脈壓的差別不大，滿足工程使用要求。

圖6給出以發(fā)射通道相位誤差為預失真誤差補償后，本振通道的相位誤差。從圖中可知，由于發(fā)射、本振通道的不一致，此時本振通道的相位誤差范圍還在50°多，不滿足工程實際的要求。

圖7給出本振通道后處理相位預失真補償前后和發(fā)射信號“去調(diào)頻”接收的脈壓結(jié)果。從圖可知本振通道不做相位補償?shù)拿}壓結(jié)果的主瓣幾乎沒有展寬，但是第一、第二幅瓣抬高到-11.29dB、-14.4dB，且兩邊幅瓣不對稱；本振通道相位誤差補償后幅瓣幾乎下降到理想水平且更加對稱性。

圖8給出本振通道后處理相位預失真補償前后和發(fā)射信號“去調(diào)頻”接收的調(diào)頻步進信號回波脈壓結(jié)果。從圖8可知，本振通道不補償時，調(diào)頻步進信號距離像合成的第一柵瓣可到-20dB，在實際場景測試中，強目標的柵瓣不僅會淹沒弱目標，使弱目標檢測不到，還會形成虛假目標，導致成像質(zhì)量變差。而本振相位誤差補償后的柵瓣下降到-30dB附近，使強弱目標的檢測范圍擴大到30dB，滿足實際場景測試的需求。

4 結(jié)束語

文章結(jié)合工程實際，提出基于單路DDS源的雙路寬帶信號預失真方法，該方法采用發(fā)射通道相位誤差在線預失真補償，本振通道相位誤差后處理補償?shù)姆绞剑瑢崿F(xiàn)寬帶信號的“去斜”接收，使雷達的距離高分辨率和無盲區(qū)測距同時實現(xiàn)。這種補償方法在信號產(chǎn)生時減少一路寬帶信號的產(chǎn)生電路，使得系統(tǒng)電路簡化，功耗減小，成本降低，便于工程實現(xiàn)。