雷达接收机的“数字化”

发布日期:2024-04-10     102 次

目前的雷达都在接收机输出端采用某种形式的模拟到数字(A/D)转换。数字化输出极大地便利了后续的信号处理和显示处理。

A/D转换器提供表征雷达接收机输出电压在离散时间的数字值序列。通常,输出电压是定期采样的,在被转换成数字形式过程中采样值被保存在采样和保持电路(S/H)中。

S/H通常由一个电容(用来保持电压)和一个电子开关(用来断开输入)组成。然后,可以在数字信号处理器中处理以二进制形式表示数字信号,或用于驱动数字显示器。

最早的A/D转换器设计成在下变频到的低的中频(IF)输出后进行采样,在模拟雷达中这个信号被称为视频输出,因为它可以直接驱动雷达显示器。所选择的采样率与雷达的距离门相似,因此采样序列代表了不同距离的雷达输出。

这种方法要求所有的雷达脉冲匹配滤波在A/D转换之前以模拟的形式进行。虽然这种方法对脉冲范围小的雷达是有效的,但复杂的多功能雷达需要一系列滤波器,这些滤波器很容易使接收机的变得复杂。

现代A/D转换技术使能够采用更高的采样率,并在更高的中频进行数字化。这样就可以采用更多的数字化雷达滤波,这是非常有益的,因为数字处理是容易重构和稳定的。

从理论上讲,A/D转换可以延伸到射频,直接数字化输入信号。雷达所要求的高动态范围是让这种想法无法实现的主要原因:A/D转换技术根本无法支持所需的性能。

奈奎斯特准则

Shannon和Nyquist建立了数字采样系统的基本原理,证明了对最大频率f的信号进行有效采样的最小采样频率fs是f的两倍,也就是fs=2f。当采样频率低于最大频率时采样会导致混叠,因此,在实际系统中,在S/H和A/D转换之前增加一个称为抗混叠的低通滤波器是非常重要的。

有效位数(ENOB)

在雷达中,动态范围是最重要的。一个具有n位的A/D转换可以表示2的n次幂个电压值,理论可以表示约6ndB的动态范围。然而,实际的转换器不是理论上的性能,只能获得一个比理论值低的动态范围。

转换器的ENOB是指转换器能达到一定的线性性能并且不受杂散影响是所对应的位数。这是很难概括的,但ENOB通常比标称位数少2到3位。

最大输入频率

A/D转换的另一个重要特点是雷达信号的最大频率必须满足奈奎斯特准则。高频变换器总有一个较低的ENOB。这是由于各种各样的原因,包括时间抖动的影响,设计一个与采样频率相匹配的高速转换器是很难的。

在实际的雷达接收机设计中,下变频器结构和A/D转换器设计是实现所需动态范围和噪声的复杂权衡的主题。

非相参雷达的数字化

非相参雷达只是使用接收信号的幅度信息不使用其相位信息,因此,数字化器只是将雷达接收机输出的电压进行数字化,以提供给后续的处理。通常,雷达接收机是线性的,所以数字输出与射频输入信号直接成比例的。

然而,有些雷达在A/D转换之前会设计使用对数放大器来压缩显示器上的动态范围。使用具有非线性量化步进的A/D转换器也可以实现相同的功能,但这种方法并不常见。

相参雷达数字化

相参雷达在接收机后续的多普勒处理中同时使用雷达接收信号的幅度和相位信息,为了数字化地表示这个复数,必须计算相位角φ和振幅值A,或者,更常见的是,使用两个称为同相(I)和正交(Q)值的笛卡尔量,即I=Acos(φ)、Q=Asin(φ)。

将雷达输出数字化以提供I值和Q值,可以方便地与最后的下变频阶段结合起来。在这种情况下,中频信号被分成两个相等的部分,并输入到两个并行混频器,同一个LO信号分别输入两个混频器,但其中一路的本振有90°相移,如下图所示。

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两个独立的A/D转换器同时数字化两个混频器的输出,提供I和Q值。这种方法只需要低频A/D转换器,这样就更容易实现所需的动态范围。然而,这是一个复杂的模拟电路设计,因为这两个信号路径必须进行增益、相位和延迟精确匹配。这在工程上很难实现,通常使用注入的测试信号来计算路径匹配校正值,这是一种复杂的校正技术。

实现相同结果的另一种方法是中频采样和使用数字下变频(如下图)。在这种结构中,采用了一个较高频率的A/D转换器。然后,ADC的输出乘以数字等效的LO,它可以是一系列的0、+1、-1(避免高速数字乘法器的需要),这种方法使用希尔伯特变换。然后,对两个生成的数字数据流进行数字低通滤波,就像在模拟系统一样,生产I和Q输出。

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这种设计在物理上比模拟方法简单,避免了精确平衡电路或复杂校准的需要。然而,它需要一个更高速度A/D转换器,从而带来动态范围降低。对于相干系统来说,在模拟和数字下变频之间的选择是一个复杂的权衡,但是今天A/D转换器已经大大改进这种数字架构的性能。

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这是一个现代的中频数字化器的实例。它由单块双面印制电路板和表面安装元件组成。较小的深色的器件是A/D转换器,大的银色器件是实现数字下变频和数字滤波的现场可编程门阵列(FPGA)。


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