数字信号处理在雷达相噪测量中的应用

2018-08-10 来源:R&S 我要评论(0) 字号:

摘要:随着通信和雷达的发展,脉冲信号的相位噪声成了影响整个系统性能的重要的因素之一,采用传统模拟相位检波法测量脉冲信号相位噪声是一个非常大的挑战,因为这样的测试系统非常复杂,校准程序非常繁琐。R&S FSWP相位噪声测试仪采用先进的数字相位解调和幅度解调技术,利用极低噪声的参考源和互相关技术,提高了系统动态范围和测量灵敏度,实现了一键式精密测量脉冲相位噪声和调幅。

关键词:雷达;脉冲相位噪声;相位检波器;互相关;数字I/Q相位解调

1、引言

雷达从字面上表示无线电监测和预警,现代雷达则尽量从目标上提取更多的信息,比如:目标的方位、移动速度和目标的大小等,图1是一个简化雷达工作原理图,雷达通过向目标发射电磁波,电磁波在遇到目标后会产生反射信号,这个反射信号被雷达接收,利用发射和反射的时间差可以得出目标的距离信息。

图1、连续波经脉冲调制后的频率谱

1.1 雷达测速

雷达测度不仅对预测目标的运动轨迹非常重要,在很多情况下对需要把移动的目标和精制物体区分开来也同样重要,动目标指示雷达(MTI)用来区分移动目标和静止物体,雷达测速主要通过计算从目标反射信号的多普勒频移来实现。

公式中:

fd  = 多普勒频移
f0  = 雷达发射频率
c  = 光传播速度

例子1:机场的监视雷达工作频率为2.7GHz,机场中正在滑行飞机的速度为每小时80km,所产生的多普勒频移为:

例子2:战斗机火控雷达工作频率为10GHz,加入用它来照射正在超音速飞行的飞机的速度为每小时1800km,所产生的多普勒频移为

以上两个例子说明对大多数的雷达而言,所产生的多普勒频移距离载波都非常的近,如果雷达本振相位噪声太大,这些回波信号就会淹没在雷达本身的相躁当中,降低了雷达探测目标的灵敏度。

现行的雷达多为脉冲体制,发射信号多为突发形式的脉冲信号,这就要求在脉冲调制状态下测量频率源的相位噪声。

2、脉冲调制信号

2.1脉冲调制信号相位噪声

当信号被脉冲调制后,信号的频率谱密度会发生变化,图1为经脉冲调制后的频率谱。频率谱特性按脉冲重复频率PRF(pulse Repetition Frequency)为等间隔的离散频谱,频谱形状为sinx/x函数。脉宽的倒数为过零点的位置,如下面图2所示。

图2、连续波经脉冲调制后的频率谱

理想的连续波频率的频谱为一条线,实际的频谱如图2所示,带有相位噪声边带,同时带有相位噪声边带的脉冲调制信号的频谱如图3所示,连续波的相位噪声反映在频谱上为偏离载波的噪声边带,通常用单边带相位噪声指标(SSB phase noise)来对该参数定量描述。

图3、带有相位噪声边带fc频谱

图4、带有相位噪声边带脉冲调制波的fc频谱

由于脉冲调制频谱是由无穷多谱线组成,每根谱线都有相位噪声,从而产生频谱混叠,使得fc的相位噪声增加并产生频谱扩展。

2.2 传统脉冲相位噪声测量方法[1-2]

由于脉冲的相位噪声是多个梳状谱的叠加,所以很难用传统的频谱仪法去直接测量每个谱线的相位噪声。目前脉冲调制波的相位噪声主要用鉴相器法进行测量,图4是用鉴相器法测量脉冲相位噪声的原理框图

图5、脉冲相位噪声测试原理框图

由图4可知,在测量脉冲相位噪声中需要相位检波器、脉冲调制器、PRF滤波器、低噪声放大器等重要的部件,测试系统显得非常复杂和昂贵。由于脉冲调制信号的频谱相位是由无穷多根PRF谱线组成,由于每根谱线都带有相位噪声,从而产生频谱混叠,PRF脉冲重复频率滤波器显得尤为重要,不同的脉冲重复频率需要不同的脉冲重复频率滤波器,脉冲重复频率滤波器必须是窄带的,只通过中心谱线的中心频率,其余的谱线将会被滤除掉,现实中实现这样的脉冲重复频率滤波器非常地困难。

根据脉冲调制波的频谱分析可知,其已调载频的幅度比未调载频的幅度降低Δd:

Δd = -20 log(duty cycle) 

即载波的功率降低了Δd,因此脉冲调制信号加到检相器时,相位检波常数Kφ常数也下降了Δd,从而系统测试脉冲信号相位噪声的动态范围降低Δd。在使用鉴相器法测量脉冲信号相位噪声过程中,根据参考源的不同又分为连续波参考源法和脉冲参考源法。

2.3 连续波参考源法

连续波参考源法测量脉冲相位噪声系统中用的参考源是一个连续波信号发生器,如图6所示。

图6、连续波参考源法测量脉冲相位噪声原理

从上图可以看到连续波参考源法最大的问题就是在脉冲信号处于OFF时鉴相器会输出一个直流电压,这个直流电压导致后面高增益放大器的饱和,并且对锁相环而言,这个直流电压看上去像是频率误差,从而导致锁相环失锁,另外参考源的脉冲调制源必须和被测脉冲源保持同步。

2.4 脉冲源参考源法

脉冲参考源法解决了连续波参考源法测量脉冲相位噪声过程中鉴相器输出直流电压问题,如图7所示。

图7、脉冲参考源法测量脉冲相位噪声原理框图

从图中可知脉冲源参考源法消除了脉冲处于OFF时的直流电压,前提是必须使得脉冲参考源与脉冲被测源保持同步,但是由于参考源和被测源振荡器的漂移,非常微小的脉冲沿不同步导致瞬态干扰,对测试结果造成比较大的影响。

3、基于数字相位解调技术的脉冲相位噪声测量方法

随着数字信号处理技术的发展,基于先进的数字相位解调和幅度解调技术来测量脉冲信号的相位噪声得到了越来越广泛的应用,相比传统的相位检波法具有更低的相位噪声灵敏度、更快的测试速度、和更强大的功能,数字相位解调法测量脉冲相位噪声的原理如图8所示。

图8、数字相位解调和幅度解调技术原理图

由上图可知,由于采用了先进的数字相位解调技术,无需相位检波器,无需使用锁相环PLL,更不需要对参考源进行脉冲调制和同步,输入雷达脉冲信号直接和本振信号进行模拟IQ混频,混频后的I路Q路信号经滤波放大后由A/D进行数字采集,从而保留幅度和相位信息,脉冲重复频率滤波器和脉冲门均在中完成,非常DSP容易处理不同的脉冲重复频率,极低噪声的参考源和高速互相关运算很容易测量脉冲相位噪声和脉冲附加相位噪声,并且没有复杂的校准过程,从而提高了测试速度和拥有极高的系统灵敏度。主要采用的关键技术如下:

3.1 数字处理和脉冲信号的自动检测技术提高测试速度和灵敏度

图9、FSWP脉冲信号处理图

通过脉冲检测模块能够自动检测脉冲信号,在脉冲开始时产生一个标记并产生一个脉冲门反馈给脉内保持测量模块,在脉冲处于OFF状态时脉内保持测量模块将会锁住脉内信号,从而消除了在脉冲关断期所有板块的噪声,提高了系统的动态范围。接下来是数字滤波模块,它是FPGA中的一个数字低通滤波器,其功能是滤除频率大于PRF/2的成分,和传统方法相比这是FSWP测量脉冲相位噪声的一个主要优势,传统鉴相器法测量脉冲相位噪声中,由于没有合适的PRF滤波器,通常需要手动外接不同的PRF滤波器来测量脉冲信号的相位噪声,基于全数字的处理技术却能够自动构建合适的滤波器来大大简化测量过程。

3.3 利用脉冲门避免瞬态干扰

基于数字信号的脉冲检测和处理技术另外一大优势是避免了脉冲开关产生的瞬态干扰,在脉冲开始的时后会产生一个脉冲门,真正测量开始是在靠近脉冲中心位置一个非常干净的区域。

图10、FSWP脉冲门设置

脉冲信号的设置如图10所示,脉冲信号下面蓝色的条状区域表示的是从脉冲门开始的延时时间,脉冲门用紫色条状区域来表示,这是真正开始测量的脉冲相位噪声的区域,通常情况下脉冲门的宽度为自动检测整个脉冲宽度的75%,高级用户可以通过调整脉冲门的宽度和延时来测试特定脉冲区域的脉冲相位噪声。

4、测试结果

设置脉冲源的载波频率1GHz,脉冲重复周期100us,脉冲宽度10us。

4.1 雷达脉冲信号相位噪声测量结果

在脉冲信号相位噪声测量模式下,FSWP自动检测到脉冲信号的载波频率,脉宽等信息。无需任何设置,很快给出测量结果如图11所示,由于脉冲重复频率为10kHz,脉冲信号相位噪声的最大测试频偏被自动限制到5kHz。

图11、FSWP测量脉冲相位噪声曲线

4.2 连续波相位噪声VS脉冲信号相位噪声

图12比较了连续波相位噪声测试曲线和脉冲相位噪声的测试曲线,从图中可以看到,在测量频偏小于PRF/2,脉冲信号相位噪声和连续波的相位噪声基本相同,在测量频偏等于PRF/2处, 脉冲信号相位噪声比连续波的相位噪声高5dB左右,这正是由于脉冲调制波的相邻谱线相位噪声互相叠加的结果。

图12、FSWP测量脉冲相位噪声曲线

5、结论

综上所诉,基于先进的数字相位解调方法能够非常方便测量雷达脉冲信号的相位噪声,不需要锁相环PLL 或对PLL环路抑制造成的补偿,没有复杂的校准过程,比其它的方法更快速(同样的灵敏度),同时具有一键式测量附加脉冲调制信号相位噪声和调幅噪声的能力,将会在雷达制造和OXCO晶体研发中发挥越来越重要的作用。

参考文献

[1]李宗扬,时间频率计量(C).北京,原子能出版社,2002.
Li Zongyang, "Time and Frequency Metrology"(C), Beijing. Yuan Zineng press, 2002.
[2] Nelson, C.W.; Hati, A.; Howe, D.A., "A collapse of the cross-spectral function in phase noise metrology", Rev. Sci. Instrum., vol. 85, 2014.
[3] Rohde & Schwarz, "New High End Spectrum and Signal Analyzer", Microwave Journal, p. 44, 2011.

作者:宗惠庆 罗德与施瓦茨(中国)科技有限公司

文章发表于《现代雷达》2106年12月刊

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