探討直接變頻技術(shù)在雷達(dá)中的應(yīng)用

張祖紅

（江蘇省南京工程高等職業(yè)學(xué)校，江蘇南京，211135）

1 問(wèn)題的提出

直接下變頻接收機(jī)的運(yùn)行原理是在去除中頻級(jí)的基礎(chǔ)上將射頻信號(hào)發(fā)送到基帶，而在去除中頻以后中頻值就為零，進(jìn)而也可以被稱(chēng)之為“零中頻接收機(jī)”。直接下變頻接收機(jī)在運(yùn)行的時(shí)候分別與兩路相互正交的本振信號(hào)進(jìn)行混頻，進(jìn)而有效而出相互正交的I/Q 兩路基帶信號(hào)。與此同時(shí)，還需要將基帶進(jìn)行放大、替換，并通過(guò)相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)處理方法進(jìn)行數(shù)字后處理。相對(duì)的，下變頻的逆變換就是上變頻，直接上變頻技術(shù)具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、聚合簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而與直接下變頻技術(shù)統(tǒng)稱(chēng)為直接變頻技術(shù)。直接下變頻接收機(jī)發(fā)明已經(jīng)有了較長(zhǎng)一段時(shí)間，但當(dāng)時(shí)的技術(shù)工藝并不支持其穩(wěn)定運(yùn)行，而實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中所展現(xiàn)出來(lái)的性能缺陷也導(dǎo)致直接下變頻接收機(jī)一直不能得到妥善利用。直接下變頻接收機(jī)主要由分離器件構(gòu)成，而正交混頻器以及I/Q 通道是由模擬器件構(gòu)成，在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)采用直流耦合的方式，但模擬器件工作的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致電壓、電流值發(fā)生一定的改變，加上在很大程度上還會(huì)受到外部溫度環(huán)境因素的影響，進(jìn)而導(dǎo)致輸出直流零漂大、I/Q 通道存在誤差的問(wèn)題。在這樣的情況下，將會(huì)直接影響到接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)進(jìn)一步減弱接收機(jī)的抗干擾能力，這也是直接下變頻接收機(jī)無(wú)法正常投入使用的最根本的原因。

現(xiàn)階段，現(xiàn)代集成電路技術(shù)以及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)到了一個(gè)新的水平，在這樣的環(huán)境下，以往阻礙直接變頻技術(shù)應(yīng)用的問(wèn)題可以得到妥善解決，直接變頻技術(shù)的應(yīng)用也將會(huì)獲得更大的可能性。特別是全數(shù)字后處理辦法的應(yīng)用更是可以在不需要驗(yàn)證信息的前提下抵消大部分直接下變頻接收機(jī)的關(guān)鍵失真，同時(shí)也進(jìn)一步獲得了更廣闊的的發(fā)展空間。現(xiàn)階段，直接下變頻體制接收機(jī)在手機(jī)、GPS、衛(wèi)星接收機(jī)等各個(gè)通信領(lǐng)域都得到了切實(shí)有效的應(yīng)用，同時(shí)也進(jìn)一步體現(xiàn)出成本低廉、體積小以及集成化程度高的突出優(yōu)勢(shì)。

2 直接下變頻技術(shù)分析

就當(dāng)前的發(fā)展水平來(lái)看，直接下變頻接收機(jī)主要有兩種運(yùn)行模式，是其中一種是射頻采樣，該模式主要是應(yīng)通過(guò)在一定數(shù)字域內(nèi)完成數(shù)字下變換和數(shù)字濾波，并由此進(jìn)一步形成“全數(shù)字式接收機(jī)”?？傮w來(lái)看，“全數(shù)字化”是接收機(jī)當(dāng)前的終極發(fā)展目標(biāo)，該技術(shù)不僅滿(mǎn)足了A/D 變換器形態(tài)的發(fā)展趨勢(shì)，在濾波器組、低噪聲放大器、微波雷達(dá)等方面配備得也更為齊全。但由于“全數(shù)字式接收機(jī)”對(duì)動(dòng)態(tài)范圍提出了較高的要求，因此在當(dāng)下的技術(shù)水平下并不能實(shí)現(xiàn)其發(fā)展目標(biāo)。而另一種是模擬變頻和低通濾波，在這樣的模式下，射頻信號(hào)與本振信號(hào)可以形成相互正交的I/Q 兩路基帶信號(hào)，并通過(guò)DSP 方法完成非線(xiàn)性校正和濾波處理。就當(dāng)前的發(fā)展水平來(lái)看，直接下變頻接收機(jī)相較于超外差式接收機(jī)最為突出的優(yōu)勢(shì)就是完成了中頻級(jí)的去除，但與此同時(shí)，該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)還體現(xiàn)在其他幾個(gè)方面：第一，直接下變頻接收機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中將前置濾波器、中頻級(jí)和中頻濾波器等不必要的部件都直接去除，這不僅顯著縮小了接收機(jī)的體積，還進(jìn)一步縮減了整體需要消耗的成本費(fèi)用，進(jìn)而有效實(shí)現(xiàn)接收機(jī)的大規(guī)模集成。第二，在這樣的模式下，直接下變頻的集成化程度可以得到大量提升，直接下變頻、I/Q 模擬處理以及A/D 變換器在完成集成之后可以近似于一個(gè)單片接收機(jī)；第三，由于放大信號(hào)的相關(guān)操作主要是集中在基帶上完成的，因此也可以大大減少整體的能耗。在以往直接下變頻接收機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中都存在很多技術(shù)上的問(wèn)題，當(dāng)前在集成電路工藝和全數(shù)字后處理技術(shù)的高速發(fā)展下都可以進(jìn)一步得到解決。以全帶寬自適應(yīng)數(shù)字對(duì)消辦法的使用為例，在結(jié)合當(dāng)前技術(shù)工藝的基礎(chǔ)上實(shí)施該方法可以在不借助附加硬件設(shè)備的條件下對(duì)直接下變頻接收機(jī)的干擾加以消除，有效實(shí)現(xiàn)全數(shù)字線(xiàn)性化的進(jìn)一步發(fā)展。與此同時(shí)，全帶寬自適應(yīng)數(shù)字對(duì)消辦法的使用還可以在不需要實(shí)現(xiàn)進(jìn)行消息認(rèn)證的情況下完成關(guān)鍵失真對(duì)消。除此以外，直接下變頻接收機(jī)芯片由I/Q 混頻器、本振正交發(fā)生器等部件組成，同時(shí)可以展現(xiàn)出更為先進(jìn)的集成電路技術(shù)，輸出端的線(xiàn)性度較以往相比也更加平直[1]。在這樣的環(huán)境下，可以顯著減少接收機(jī)對(duì)高電平調(diào)幅干擾的靈敏度，并將交叉調(diào)制控制在可以實(shí)現(xiàn)的范圍當(dāng)中。

3 直接下變頻技術(shù)的應(yīng)用

從直接下變頻技術(shù)的的實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，脈沖調(diào)制的線(xiàn)性調(diào)頻在運(yùn)行過(guò)程中展現(xiàn)的是一個(gè)常用的雷達(dá)信號(hào)波形，在此基礎(chǔ)上設(shè)置一個(gè)基礎(chǔ)的設(shè)射頻回波信號(hào)，進(jìn)而可以用以下的表達(dá)式表示：

在此基礎(chǔ)上，射頻信號(hào)與相互正交的兩路本振信號(hào)進(jìn)行混頻，而本振信號(hào)頻率與發(fā)射信號(hào)的載波頻率是相等的，進(jìn)而還可以形成I/Q 兩路基帶信號(hào)。在頻譜上還可以進(jìn)一步對(duì)鏡頻、直流零漂等內(nèi)容進(jìn)行觀察，并通過(guò)匹配濾波器計(jì)算出其脈沖響應(yīng)。

在這樣的情況下，針對(duì)匹配濾波的計(jì)算范圍將會(huì)變得更加廣泛，不僅可以在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行計(jì)算，還可以在頻域中完成相應(yīng)的計(jì)算過(guò)程。將線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)的帶寬設(shè)為B 而脈寬為T(mén)，在經(jīng)過(guò)以上匹配濾波之后整體就可以被壓縮為窄脈沖，其中壓縮比為BT。由此也可以進(jìn)一步看出，在完成脈沖壓縮以后信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的脈壓得益，這時(shí)只需要通過(guò)FFT 等運(yùn)算就可以最終計(jì)算出目標(biāo)信號(hào)的多普勒距離信息。但很顯然，因?yàn)镮/Q 通道的幅相不一致使得匹配濾波器的傳輸函數(shù)與鏡頻之間存在著明顯不匹配的情況，因此在完成匹配濾波之后鏡頻抑制比教正常情況下會(huì)增加。在這樣的情況下，設(shè)接收機(jī)的鏡頻抑制比為IRR，這樣最終多普勒?qǐng)D上鏡頻抑制比就會(huì)為IRR+10lg(BT)。

隨著現(xiàn)代集成電路技術(shù)以及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)發(fā)展水平的不斷提升，直接下變頻接收機(jī)技術(shù)的應(yīng)用成本也顯著降低，因此其在通信領(lǐng)域的應(yīng)用范圍也變得越發(fā)廣泛。其中最為突出的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括手機(jī)、手機(jī)基站、衛(wèi)星接收機(jī)以及GPS 接收機(jī)等，并在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中進(jìn)一步體現(xiàn)出成本低、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及集成化發(fā)展水平高的優(yōu)勢(shì)?？紤]到直接下變頻接收機(jī)性能的大幅提升，在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，也利用AD 公司的ADRV9009 制作了一個(gè)工作于S 波段的雷達(dá)試驗(yàn)系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加了濾波器以及功放等部件，有效構(gòu)成一個(gè)數(shù)字式T/R 組件，稱(chēng)之為數(shù)字式T/R 組件。

4 雷達(dá)性能分析

完成雷達(dá)T/R 組件的構(gòu)成之后就可以對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用，在此過(guò)程中也可以進(jìn)一步看出，直接下變頻技術(shù)的引入使得雷達(dá)T/R 組件的整體性能得到了大幅度地提升。相較于傳統(tǒng)的射頻T/R 組件，雷達(dá)T/R 組件的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，將一部分不必要的零部件去除以后可以有效縮小整體的體積，同時(shí)還大幅降低了其成本消耗；第二，針對(duì)復(fù)雜饋線(xiàn)系統(tǒng)的要求實(shí)現(xiàn)了明顯降低；第三，在原有的基礎(chǔ)上還進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出數(shù)字域內(nèi)實(shí)時(shí)延時(shí)的操作，這樣就可以為DBF 技術(shù)提供更加廣闊的應(yīng)用空間；第四，針對(duì)本振信號(hào)和發(fā)射信號(hào)波形匹配接收的難度得到進(jìn)一步減低；第五，雷達(dá)T/R 組件的應(yīng)用可以在同一個(gè)重復(fù)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)多個(gè)復(fù)雜波形，對(duì)提升頻率分集效率提供了強(qiáng)有力的支持條件[2]。

現(xiàn)階段，DBF 體制越來(lái)越多地被引入到現(xiàn)代相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)當(dāng)中，在此過(guò)程中所需要的接收機(jī)路數(shù)也在明顯提升，為實(shí)現(xiàn)與通道的合理控制，必須對(duì)接收機(jī)的體積、成本以及可靠性進(jìn)行綜合考慮。一直以來(lái)，接收機(jī)采用的都是超外差式的結(jié)構(gòu)，這樣的模式已經(jīng)存在很長(zhǎng)時(shí)間，一直到1990 年之前該方法依舊是最佳的解決辦法，而直接下變頻接收機(jī)的應(yīng)用只存在于理論上。然而現(xiàn)代集成電路技術(shù)的發(fā)展大大提升了該技術(shù)應(yīng)用的可能性，直接下變頻接收機(jī)過(guò)去的很多應(yīng)用問(wèn)題都迎刃而解，因此其應(yīng)用也勢(shì)必會(huì)成為雷達(dá)技術(shù)全新的一個(gè)發(fā)展方向。將直接下變頻接收機(jī)與雷達(dá)系統(tǒng)相結(jié)合的雷達(dá)數(shù)字式T/R 組件在噪聲系數(shù)、增益以及動(dòng)態(tài)范圍等多個(gè)方面也達(dá)到了正常雷達(dá)的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，但其體積、成本卻遠(yuǎn)小于常規(guī)雷達(dá)接收機(jī)，這樣對(duì)直接下變頻接收機(jī)應(yīng)用產(chǎn)生限制的因素不斷縮減，更好地滿(mǎn)足雷達(dá)運(yùn)行的總體動(dòng)態(tài)性能要求。

假設(shè)整個(gè)天線(xiàn)陣面的單元數(shù)量為N，同時(shí)每一個(gè)單元都連接了數(shù)字T/R，這樣也就會(huì)導(dǎo)致每個(gè)天線(xiàn)單元接收到的信號(hào)功率同單路接收機(jī)系統(tǒng)相比要想得多，只有其1/N。面對(duì)這樣的問(wèn)題，每一個(gè)單元的接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍也需要進(jìn)行相應(yīng)的縮減。與此同時(shí)，現(xiàn)階段脈沖壓縮信號(hào)依然是相控陣?yán)走_(dá)采用的主要形式，在完成回波信號(hào)接收之后并不能及時(shí)對(duì)其進(jìn)行壓縮，這樣就會(huì)導(dǎo)致相關(guān)信號(hào)要低于噪聲電平。因此單元通道接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍要求也需要隨之縮減。例如在天線(xiàn)單元數(shù)N 為1000 的情況下，脈沖壓縮比為1000，因此其動(dòng)態(tài)范圍要求就需要從100dB 縮減到40dB。除此以外，還可以進(jìn)一步通過(guò)STC 等方式完成單元通道接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍要求的縮減。在這樣的情況下，可以有效保證雷達(dá)陣列信號(hào)處理的穩(wěn)定性，進(jìn)而并不會(huì)對(duì)后續(xù)的雷達(dá)信號(hào)檢測(cè)造成影響。