直接變頻技術(shù)在雷達(dá)中的應(yīng)用研究

吳遠(yuǎn)斌

(南京電子技術(shù)研究所 南京 210039)

1 引言

直接下變頻接收機(jī)直接將從天線接收到的射頻信號(hào)下混到基帶，去除了中頻級(jí)，即中頻為零，故而也稱(chēng)為“零中頻接收機(jī)”[1-10]。它將射頻信號(hào)與相互正交的兩路本振信號(hào)分別混頻，進(jìn)行正交下變換，形成相互正交的I/Q兩路基帶信號(hào)，然后在基帶進(jìn)行放大、濾波和A/D變換，在數(shù)字域內(nèi)利用數(shù)字信號(hào)處理方法進(jìn)行數(shù)字后處理。它的逆變換就是直接上變頻，可用于激勵(lì)發(fā)射，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可完全集成在一起，成為單片多路收/發(fā)芯片。這里統(tǒng)稱(chēng)為直接變頻技術(shù)。

直接下變頻接收機(jī)在幾十年前就已經(jīng)發(fā)明，但由于過(guò)去落后的制造工藝帶來(lái)無(wú)法克服的性能缺陷，致使直接下變頻接收機(jī)一直未能在工程中實(shí)用化。采用分離器件做成的直接下變頻接收機(jī)，正交混頻器、I/Q通道是由模擬器件構(gòu)成的，工作在基帶，采用直流耦合，眾所周知，模擬器件工作時(shí)電壓、電流值是連續(xù)時(shí)間變化的，對(duì)溫度環(huán)境變化非常敏感，同時(shí)又是非理想的線性器件，因而輸出直流零漂大、I/Q通道具有幅相失配誤差，且有非線性失真。直流零漂大會(huì)嚴(yán)重影響接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，I/Q通道的幅相不一致性誤差會(huì)產(chǎn)生鏡頻干擾，還有偶階失真，使接收機(jī)的抗干擾能力變差。這些問(wèn)題嚴(yán)重影響了直接下變頻接收機(jī)的使用，致使工程中多以失敗而告終。

隨著現(xiàn)代集成電路技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用，過(guò)去阻礙直接變頻技術(shù)應(yīng)用的很多問(wèn)題現(xiàn)在已經(jīng)得到解決，直接變頻技術(shù)的應(yīng)用已由不可能變?yōu)榭赡堋Ｌ貏e是采用全數(shù)字后處理的辦法[11-13]，能夠?qū)ο苯幼冾l電路的非線性失真和鏡頻干擾。該方法能在接收機(jī)正常工作時(shí)不需要任何先驗(yàn)信息的情況下抵消絕大多數(shù)直接下變頻接收機(jī)的關(guān)鍵失真。加強(qiáng)的對(duì)消性能是在考慮強(qiáng)信號(hào)輸入時(shí)引入帶內(nèi)和鄰道失真時(shí)取得的。這種方法已經(jīng)通過(guò)仿真和實(shí)物測(cè)試有效。直接下變頻體制接收機(jī)當(dāng)今已廣泛應(yīng)用于通信市場(chǎng)，如手機(jī)、手機(jī)基站、衛(wèi)星接收機(jī)和GPS接收機(jī)等，具有成本極低、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和高度集成化的特點(diǎn)。目前已有多家公司推出多種采用直接變頻技術(shù)的芯片，如AD公司最新推出ADRV9009，還有兩年前的AD9371/AD9375系列芯片，性能非常先進(jìn)，集成度非常高，已可應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)。

2 直接下變頻技術(shù)

直接下變頻接收機(jī)實(shí)際上有兩種方式，一種是射頻采樣，然后在數(shù)字域內(nèi)進(jìn)行數(shù)字下變換和數(shù)字濾波，即“全數(shù)字式接收機(jī)”[14-16]，其原理如圖1所示。全數(shù)字化是現(xiàn)代接收機(jī)要實(shí)現(xiàn)的終極目標(biāo)，它順應(yīng)了接收機(jī)中A/D變換器越來(lái)越靠近天線端的發(fā)展趨勢(shì)。其射頻前端通常需要采用可調(diào)諧濾波器或是開(kāi)關(guān)選擇的濾波器組，以及超寬帶的低噪聲放大器，對(duì)于工作在幾GHz或者幾十GHz的微波雷達(dá)，用于射頻采樣的A/D變換器，其采樣頻率要求超過(guò)幾十GHz/s，而且需要具有足夠的動(dòng)態(tài)范圍，這在目前仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

另一種直接下變頻接收機(jī)即為零中頻接收機(jī)，采用模擬下變頻和低通濾波。其原理如圖2所示。射頻信號(hào)與相互正交的兩路本振信號(hào)分別混頻，進(jìn)行正交下變頻，形成相互正交的I/Q兩路基帶信號(hào)，然后在基帶進(jìn)行放大、濾波和A/D變換，在數(shù)字域內(nèi)利用DSP方法進(jìn)行非線性校正和濾波處理。

圖1 全數(shù)字式雷達(dá)接收機(jī)原理框圖

圖2 直接下變頻接收機(jī)原理框圖

比較圖1和圖2可見(jiàn)，全數(shù)字式接收機(jī)和零中頻接收機(jī)的原理框圖完全一樣，只不過(guò)A/D變換器的位置不同，一個(gè)是在數(shù)字域內(nèi)進(jìn)行直接下變換，一個(gè)是在模擬域內(nèi)進(jìn)行直接下變換。它們的性能各有優(yōu)缺點(diǎn)，其差別主要在于：全數(shù)字式接收機(jī)沒(méi)有零漂，也沒(méi)有低頻散彈噪聲影響，數(shù)字處理的I/Q通道鏡頻非常小，不用考慮其干擾，但對(duì)于有一定工作帶寬的雷達(dá)系統(tǒng)，接收機(jī)的射頻前端帶寬寬，動(dòng)態(tài)范圍小，干擾多。零中頻接收機(jī)則正好相反，有零漂，有低頻散彈噪聲影響，模擬I/Q通道存在幅相不一致性誤差，但頻率選擇性好。本文討論的直接下變頻技術(shù)專(zhuān)指零中頻接收機(jī)。

直接下變頻接收機(jī)相對(duì)于超外差式接收機(jī)，由于去除了中頻級(jí)，所以它具有以下優(yōu)點(diǎn)：

直接下變頻省去了抑制鏡頻的前置濾波器，同時(shí)省去中頻級(jí)和中頻濾波器，使部件數(shù)量大為減少，減少的都是大體積的、價(jià)格昂貴的和無(wú)法集成的部件。去掉這些部件，接收機(jī)就可以大規(guī)模集成。在通道中設(shè)置前置濾波器的主要目的是抑制大功率的發(fā)射信號(hào)，防止通道堵塞。

直接下變頻的集成化程度可大幅提高，I/Q支路解調(diào)輸出的低通濾波器可以用模擬集成電路實(shí)現(xiàn)；整個(gè)直接下變頻、I/Q模擬處理，A/D變換器均可集成在一起，成為單片接收機(jī)。

對(duì)信號(hào)的放大主要發(fā)生在基帶，這進(jìn)一步降低了能耗。

直接下變頻接收機(jī)的輸出是I/Q兩路基帶信號(hào)，頻譜在低頻端，經(jīng)濾波、放大后可以用較低的采樣頻率進(jìn)行A/D采樣。

直接下變頻接收機(jī)存在的許多性能問(wèn)題，現(xiàn)在已可以通過(guò)集成電路工藝和全數(shù)字后處理的辦法解決。例如，采用全帶寬自適應(yīng)數(shù)字對(duì)消辦法進(jìn)行處理，這是一種全數(shù)字的線性化，不需要任何附加的硬件設(shè)備，它能夠自適應(yīng)對(duì)消直接下變頻接收機(jī)的大部分非線性失真和鏡頻干擾。該方法能在接收機(jī)正常工作時(shí)不需要任何先驗(yàn)信息的情況下抵消絕大多數(shù)直接下變頻接收機(jī)的關(guān)鍵失真。很強(qiáng)的對(duì)消性能是在考慮強(qiáng)信號(hào)輸入時(shí)引入帶內(nèi)和鄰道失真時(shí)取得的。對(duì)于直流偏移，可采用直流反饋校正電路去零漂；I/Q兩路幅相一致性誤差和相位正交性誤差也可采用專(zhuān)門(mén)的校正電路進(jìn)行修正，這些校正電路現(xiàn)均已集成在直接下變頻接收機(jī)芯片內(nèi)。

直接下變頻接收機(jī)芯片由高線性度雙平衡I/Q混頻器、本振正交發(fā)生器和由混頻器輸出端驅(qū)動(dòng)的I/Q基帶緩沖放大器等組成，信號(hào)耦合均為差分形式。先進(jìn)的集成電路技術(shù)可使雙平衡混頻器具有較高的輸入2階和3階互調(diào)截點(diǎn)，輸出端的線性度比較平直，可以降低接收機(jī)對(duì)高電平調(diào)幅干擾的靈敏度，即使有強(qiáng)干擾存在，產(chǎn)生的交叉調(diào)制也在允許的范圍內(nèi)，混頻器的射頻信號(hào)和本振信號(hào)均采用差分輸入，可以對(duì)在接收機(jī)前端產(chǎn)生的2階非線性失真具有較高的共模抑制。散彈噪聲是低頻段大，10 kHz以后就小了，所以在使用時(shí)低頻段要抑制，I和Q支路的視頻放大部分增益不能太高，采用先進(jìn)的集成電路工藝能顯著降低散彈噪聲。本振信號(hào)對(duì)天線和接收機(jī)前端的電磁輻射，引起的干擾是產(chǎn)生直流偏移的一個(gè)原因，稱(chēng)為自混頻。通常采用本振輸入是本振頻率本身(等于信號(hào)頻率)的2倍，降低自混頻的影響。在設(shè)計(jì)布局和屏蔽上采取嚴(yán)密措施，防止本振信號(hào)直接泄漏到接收機(jī)的輸入端。

通過(guò)采取上述措施，很好地解決了直接下變頻體制所存在的問(wèn)題：通過(guò)零點(diǎn)自適應(yīng)校正使得零點(diǎn)漂移大幅下降，低至≤-75 dBFS，通過(guò)全帶寬自適應(yīng)數(shù)字對(duì)消辦法使得I/Q鏡頻抑制度≥75 dB，非線性IIP2≥65 dBm，偶階失真很小，本振泄漏也非常 小。

3 直接下變頻在雷達(dá)中的應(yīng)用研究

采用直接下變頻接收機(jī)技術(shù)，常用的雷達(dá)處理流程如圖3所示[17]。

脈沖調(diào)制的線性調(diào)頻是一個(gè)常用的雷達(dá)信號(hào)波形，設(shè)射頻回波信號(hào)為S (t)=A(t)cos[2πfRFt+φ(t)]，射頻信號(hào)與相互正交的兩路本振信號(hào)分別混頻，本振信號(hào)頻率等于發(fā)射信號(hào)的載波頻率，這樣直接下變頻到基帶，形成相互正交的I/Q兩路基帶信號(hào)，用復(fù)數(shù)形式表示為

其中，X (t)是 我們需要的目標(biāo)信號(hào)，Xmr(t)是由于I/Q通道的幅相不一致性誤差產(chǎn)生的鏡頻干擾，diq表 示直流零漂。設(shè)fd為多普勒頻移。經(jīng)過(guò)FFT，在頻域可表示為

在頻譜上可觀察到返回信號(hào)多普勒頻率、鏡頻、直流零漂，還能看到2階、3階非線性失真分量。對(duì)于線性調(diào)頻信號(hào)

然后通過(guò)匹配濾波器，其傳輸函數(shù)等于信號(hào)頻譜的復(fù)共軛，匹配濾波器的脈沖響應(yīng)為h(t)=kX(-t)，即

匹配濾波器的輸出信號(hào)為

這個(gè)匹配濾波既可在時(shí)域計(jì)算，也可在頻域計(jì)算。設(shè)線性調(diào)頻信號(hào)的帶寬為B，脈寬為T(mén)，經(jīng)過(guò)上述匹配濾波后線性調(diào)頻信號(hào)就壓縮為窄脈沖，窄脈沖上有多普勒頻移調(diào)制，壓縮比為BT。因此，經(jīng)過(guò)脈沖壓縮后回波信號(hào)會(huì)產(chǎn)生脈壓得益10lg(BT)。再通過(guò)FFT等運(yùn)算，就得到目標(biāo)信號(hào)的多普勒距離信息。顯然，由于I/Q通道的幅相不一致性誤差產(chǎn)生的鏡頻 Xmr(t)與匹配濾波器的傳輸函數(shù)并不匹配，因此，匹配濾波后，鏡頻抑制比會(huì)增加10lg(BT)。設(shè)接收機(jī)的鏡頻抑制比為IRR，則最后信號(hào)處理輸出的距離多普勒?qǐng)D上鏡頻抑制比為IRR+10lg(BT)。

最近幾年，低成本的直接下變頻接收機(jī)技術(shù)已普遍應(yīng)用于通信領(lǐng)域，如手機(jī)、手機(jī)基站、衛(wèi)星接收機(jī)和GPS接收機(jī)等，具有成本極低、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和高度集成化的特點(diǎn)。直接下變頻接收機(jī)的性能得到極大提升。現(xiàn)已有成熟的貨架商品出售，如AD公司的ADRV9009。我們采用ADRV9009制作了一個(gè)工作于S波段的雷達(dá)試驗(yàn)系統(tǒng)。將ADRV9009加上低噪放、濾波器和功放后，就能構(gòu)成一個(gè)具有雙發(fā)雙收通道的數(shù)字式T/R組件，因?yàn)槠鋵?duì)外接口均為數(shù)字量，故稱(chēng)為數(shù)字式T/R組件，其硬件組成如圖4所示。

圖3 常用的雷達(dá)處理流程圖

圖4 直接變頻雷達(dá)框圖

由圖4可見(jiàn)，采用零中頻技術(shù)的雙發(fā)雙收通道的數(shù)字式T/R僅需少數(shù)幾個(gè)外圍器件，可布置在一個(gè)很小的空間內(nèi)，且?guī)в懈髯元?dú)立的頻綜系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)分布式頻率源和頻率分集。

4 采用直接下變頻技術(shù)的雷達(dá)系統(tǒng)性能

ADRV9009工作頻率：75 MHz～6 GHz，單芯片內(nèi)具有雙發(fā)雙收通道，再外加2個(gè)觀察通道，片內(nèi)已集成IQ解調(diào)/調(diào)制、A/D和D/A等功能，對(duì)外采用數(shù)字高速接口，每個(gè)收/發(fā)/觀察通道均具有自適應(yīng)的直流零漂校正、正交誤差校正、非線性校正和可變帶寬濾波功能，接收帶寬最大200 MHz；發(fā)射帶寬最大450 MHz。接收通道噪聲系數(shù)NF≤12 dB; I/Q鏡頻抑制度IRR≥75 dB; IIP3≥12 dBm;IIP2≥62 dBm；零點(diǎn)漂移≤-75 dBFS; I/Q輸出數(shù)據(jù)位數(shù)16位；增益控制范圍0～30 dB，步進(jìn)0.5 dB，其原理框圖如圖5所示。

我們采用以下參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)：線性調(diào)頻信號(hào)的帶寬為B=10 MHz，脈寬為T(mén)=20μs, fd=1 kHz，采集了200個(gè)脈沖進(jìn)行處理，最后測(cè)得的距離多普勒?qǐng)D如圖6所示。在頻譜上可觀察到信號(hào)鏡頻、直流零漂，還能看到2階、3階非線性失真分量對(duì)雷達(dá)性能的影響。在-fd處產(chǎn)生了1個(gè)虛假目標(biāo)，但幅度很小，低于真實(shí)目標(biāo)IRR+10lg(BT)=75+23=98 dB,2階、3階非線性失真分量也低于真實(shí)目標(biāo)90 dB，由于直流零漂所限制的SFDR達(dá)到了75 dB以上。真實(shí)的雷達(dá)接收機(jī)有內(nèi)部噪聲，A/D變換器的動(dòng)態(tài)范圍也不高，能做到的整機(jī)SFDR也就在75 dB左右，因而由直接下變頻技術(shù)帶來(lái)的性能因素對(duì)雷達(dá)的目標(biāo)檢測(cè)影響非常小。

采用直接下變頻技術(shù)的雷達(dá)T/R組件與傳統(tǒng)的射頻T/R組件相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：成本低，體積?。唤档土藢?duì)復(fù)雜饋線系統(tǒng)的要求；在數(shù)字域內(nèi)實(shí)時(shí)延時(shí)，可采用DBF技術(shù)；易于實(shí)現(xiàn)接收本振和發(fā)射信號(hào)波形匹配；在一個(gè)重復(fù)周期內(nèi)易于實(shí)現(xiàn)多個(gè)復(fù)雜波形；便于實(shí)現(xiàn)頻率分集。

現(xiàn)代相控陣?yán)走_(dá)越來(lái)越多地采用DBF體制，因而采用的接收機(jī)路數(shù)越來(lái)越多，有的甚至已達(dá)近萬(wàn)個(gè)通道，這時(shí)必須對(duì)接收機(jī)的體積、成本、可靠性進(jìn)行綜合考慮。接收機(jī)采用超外差式的結(jié)構(gòu)已經(jīng)有超過(guò)70年的歷史，在1990年以前它還是唯一最好的方法，直接下變頻接收機(jī)的應(yīng)用僅僅只有理論上的可行性。隨著現(xiàn)代集成電路技術(shù)的發(fā)展，過(guò)去阻礙直接下變頻接收機(jī)應(yīng)用的很多問(wèn)題現(xiàn)在已經(jīng)得到解決，直接下變頻接收機(jī)的應(yīng)用也已由不可能變?yōu)榭赡堋Ｖ苯酉伦冾l技術(shù)也必將成為雷達(dá)技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向。

采用ADRV9009做雷達(dá)數(shù)字式T/R組件，接收機(jī)的噪聲系數(shù)、增益、動(dòng)態(tài)范圍、帶寬等技術(shù)指標(biāo)均可達(dá)到常規(guī)雷達(dá)接收機(jī)指標(biāo)，而體積、成本遠(yuǎn)小于常規(guī)雷達(dá)接收機(jī)。而以往直接下變頻接收機(jī)所存在的問(wèn)題已不再限制雷達(dá)性能，如零點(diǎn)漂移和I/Q鏡頻均在75 dB以下，已能滿足雷達(dá)的動(dòng)態(tài)性能要求。

圖5 采用直接變頻技術(shù)的多路收/發(fā)芯片

圖6 距離多普勒?qǐng)D

對(duì)于相控陣應(yīng)用，假如整個(gè)天線陣面有N個(gè)單元，每個(gè)天線單元均連接數(shù)字T/R，每個(gè)天線單元接收到的信號(hào)功率與同樣增益的單天線、單路接收機(jī)系統(tǒng)相比，其接收到的信號(hào)功率只有后者的1/N，因而每個(gè)天線單元通道中的接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍要求可降低10lgN(dB)。此外，目前絕大多數(shù)相控陣?yán)走_(dá)均采用脈沖壓縮信號(hào)，且采用數(shù)字脈沖壓縮，在接收模擬通道中，接收回波信號(hào)尚未進(jìn)行壓縮，回波信號(hào)還低于噪聲電平，因此，對(duì)脈沖壓縮比為BT的信號(hào)，對(duì)單元通道接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的要求又可降低10lgBT(dB)。例如，若對(duì)接收機(jī)總的動(dòng)態(tài)范圍要求為100 dB，則當(dāng)天線單元數(shù)N=1000，脈沖壓縮比為1000時(shí)，對(duì)單元通道接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍的要求可降低為40 dB。接收機(jī)還能通過(guò)STC、雜波圖等措施進(jìn)一步壓縮動(dòng)態(tài)范圍要求。在雷達(dá)陣列信號(hào)處理中，單個(gè)組件的零點(diǎn)漂移和I/Q鏡頻均在75 dB以下，波束合成后也不會(huì)影響雷達(dá)的信號(hào)檢測(cè)。

直接下變頻接收機(jī)最重要的優(yōu)點(diǎn)就是可以全集成化，省去了傳統(tǒng)雷達(dá)接收機(jī)中的多級(jí)頻率變換電路，其混頻、放大、濾波、正交相移、可變本振源、I/Q兩路的ADC及發(fā)射通道均可集成在一個(gè)芯片內(nèi)，而且其工作頻率可以跨越多個(gè)波段，形成寬帶 接收機(jī)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)直接變頻技術(shù)在雷達(dá)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，并用一個(gè)真實(shí)的直接變頻雷達(dá)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，最后測(cè)試的雷達(dá)性能表明，直接變頻技術(shù)能夠應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)。直接變頻雷達(dá)成本低、體積小、可以全集成化，做成單芯片雷達(dá)[18]，并且可以實(shí)現(xiàn)探測(cè)、干擾、偵察、通信多功能一體化[19,20]。因此，直接變頻技術(shù)也將成為雷達(dá)技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向。