馬月紅， 張曉林， 劉秋生， 于志堅(jiān)

(1.北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100191；2.軍械工程學(xué)院，河北，石家莊 050003；3.太原衛(wèi)星發(fā)射中心，山西，太原 030027)

基于幅相檢測(cè)與移頻相消融合的載波泄漏抑制技術(shù)

馬月紅1，2， 張曉林1， 劉秋生2， 于志堅(jiān)3

(1.北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100191；2.軍械工程學(xué)院，河北，石家莊 050003；3.太原衛(wèi)星發(fā)射中心，山西，太原 030027)

針對(duì)單天線小型無(wú)線電收發(fā)信機(jī)載波泄漏問(wèn)題，提出了一種基于幅相檢測(cè)與移頻相消融合的載波泄漏抑制方法.該方法采用微帶電路自適應(yīng)閉環(huán)載波泄漏幅相檢測(cè)技術(shù)和直流頻偏移頻相消技術(shù)相融合，對(duì)單天線無(wú)線電收發(fā)信機(jī)載波泄漏和直流頻偏進(jìn)行抑制.無(wú)線電收發(fā)信機(jī)發(fā)射中心頻率為4.3 GHz時(shí)，ADS軟件仿真與樣機(jī)測(cè)試結(jié)果表明，載波泄漏抑制后輸出波形無(wú)明顯失真，消除了載波泄漏直流頻偏分量，接收機(jī)輸出功率為-79 dBm，載波泄漏對(duì)消比可達(dá)56，降低了載波泄漏對(duì)單天線收發(fā)信機(jī)影響，提高了接收機(jī)的靈敏度和檢測(cè)概率.

調(diào)頻連續(xù)波；載波泄漏；直流頻偏；載波泄漏對(duì)消技術(shù)

單天線小型調(diào)頻連續(xù)波[1]無(wú)線電收發(fā)信機(jī)已廣泛應(yīng)用于無(wú)人機(jī)蔽障定高控制、彈載引信、電子標(biāo)簽諸多領(lǐng)域，但是收發(fā)信機(jī)載波泄漏問(wèn)題一直是影響其應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸[2]. 小型無(wú)線電收發(fā)信機(jī)探測(cè)目標(biāo)信息時(shí)，發(fā)射機(jī)和目標(biāo)之間往往存在墻壁、樹(shù)林等靜止障礙物，會(huì)對(duì)發(fā)射波束產(chǎn)生很強(qiáng)的反射回波，稱為強(qiáng)雜波干擾. 強(qiáng)雜波干擾頻率往往與發(fā)射波頻率相同，且遠(yuǎn)大于目標(biāo)回波信號(hào)幅度. 同時(shí)，對(duì)于單天線小型調(diào)頻連續(xù)波收發(fā)信機(jī)，由于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的直接藕合，發(fā)射機(jī)信號(hào)及其噪聲邊帶不可避免地直接泄漏進(jìn)入接收機(jī)，這部分載波泄漏干擾與強(qiáng)雜波回波相同均不攜帶任何回波信息，且與載波具有相同頻率，若不加任何處理直接引入接收機(jī)，直接干擾接收機(jī)的接收效果，影響接收機(jī)的正常工作，例如降低接收機(jī)的靈敏度、阻塞接收機(jī)前端、產(chǎn)生虛假信號(hào)并且淹沒(méi)目標(biāo)回波信號(hào)等[2]. 因此，解決載波泄漏及近物同頻雜波干擾問(wèn)題是調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)最值得研究的關(guān)鍵技術(shù).

目前解決射頻載波泄漏主要方法有：基于硬件系統(tǒng)架構(gòu)的射頻對(duì)消技術(shù)[4]，基于微波自適應(yīng)的對(duì)消技術(shù)[4]，基于收發(fā)波形控制的隔離技術(shù)[5]，基于數(shù)字信號(hào)處理的雜波抑制技術(shù)[6-7].其中對(duì)消[8-9]是基于接收信號(hào)算法上的處理，隔離是基于收發(fā)信號(hào)通道上的處理，均通過(guò)軟件和算法上的改進(jìn)達(dá)到消除干擾的目的，此類(lèi)方法存在載波泄漏對(duì)消比低、對(duì)消方法復(fù)雜等問(wèn)題；而抑制[10-11]則是通過(guò)硬件上的增加或者是改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)載波泄漏干擾信號(hào)的消除，此類(lèi)方法存在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、造價(jià)高等問(wèn)題.基于以上分析，本文采用幅相檢測(cè)與移頻相消融合載波泄漏抑制的方法，硬件抑制和軟件對(duì)消智能融合，消除同頻雜波干擾和直流頻偏的干擾，增加接收機(jī)對(duì)回波信號(hào)檢測(cè)的靈敏度和檢測(cè)概率.

1 載波泄漏抑制技術(shù)原理與數(shù)學(xué)模型

影響小型單天線FMCW無(wú)線電收發(fā)信機(jī)通信質(zhì)量和性能的一個(gè)重要因素是環(huán)行器的隔離度問(wèn)題.實(shí)際應(yīng)用時(shí)由于電路板的布線阻抗及天線的失配，環(huán)行器端口之間的隔離度口不易做到很高.首先是接收端的線性度問(wèn)題，接收機(jī)接收目標(biāo)回波信息時(shí)射頻信號(hào)從環(huán)行器天線端口至接收端口，環(huán)行器天線端口存在較大功率的射頻信號(hào)，發(fā)射信號(hào)通過(guò)天線端口直接泄漏到接收端口. 同時(shí)從環(huán)行器的發(fā)射端口泄漏到接收端口.由于環(huán)行器端口之間隔離度較低，泄漏到接收端口的發(fā)射信號(hào)功率遠(yuǎn)大于接收到的反射信號(hào)功率，造成接收機(jī)前端電路不能正常工作，甚至損壞器件. 另一個(gè)問(wèn)題就是零中頻接收機(jī)直流偏移問(wèn)題[7]，零中頻接收機(jī)的特點(diǎn)是將射頻信號(hào)下變頻到基帶.其下變頻器的本振信號(hào)為不加調(diào)制的連續(xù)波信號(hào)，與發(fā)射信號(hào)和目標(biāo)回波信號(hào)同頻，其中本振信號(hào)與目標(biāo)回波信號(hào)下變頻的輸出就是基帶信號(hào)，而本振信號(hào)與泄漏到接收端口的發(fā)射信號(hào)下變頻的輸出則是個(gè)較大的直流頻偏電壓，使得接收機(jī)檢測(cè)性能飽和甚至損壞.

本文采用的對(duì)消抑制技術(shù)原理是在數(shù)字信號(hào)處理電路控制下對(duì)消系統(tǒng)產(chǎn)生幅度相同，相位相反的載波泄漏信號(hào)，對(duì)載波泄漏信號(hào)進(jìn)行抑制對(duì)消.同時(shí)，直流頻偏檢測(cè)器檢測(cè)直流頻偏分量，在數(shù)字信號(hào)處理電路控制下由直流頻偏數(shù)字對(duì)消器完成直流頻偏分量移位、濾波處理.

設(shè)接收通道接收到同頻率的干擾信號(hào)模型為

(1)

式中：ω為信號(hào)頻率；A1為干擾信號(hào)幅度；φ1為干擾信號(hào)相位；B1為直流頻偏分量.

參考信號(hào)通道從發(fā)射機(jī)耦合的對(duì)消抑制信號(hào)為

(2)

式中：A2為抑制干擾信號(hào)幅度；φ2為抑制干擾信號(hào)相位；B2為抑制干擾信號(hào)直流頻偏分量.

干擾信號(hào)和抑制參考信號(hào)分別經(jīng)過(guò)功分耦合器、正交混頻、直流放大、幅度控制器、相位控制器、直流頻偏數(shù)字對(duì)消后，殘留干擾信號(hào)輸出為

(3)

式中：A為殘留干擾信號(hào)幅度；a(t)為殘留干擾信號(hào)擾動(dòng)幅度分量；φ(t)殘留干擾信號(hào)相位；ΔB為殘留直流頻偏分量a0，a1，a2，a3抑制對(duì)消系數(shù)，取值取決于載波泄漏對(duì)消比值.

載波泄漏對(duì)消比為

(4)

2 載波泄漏抑制技術(shù)方案

2.1 系統(tǒng)構(gòu)架

采用基于幅相檢測(cè)與移頻相消融合載波泄漏抑制方法，同時(shí)對(duì)同頻干擾雜波和直流頻偏分量進(jìn)行抑制消除. 原理框圖如圖1所示.

圖1中射頻泄漏抑制電路包括功分器、幅值控制器、相位控制器、合路器、數(shù)字信號(hào)處理控制電路等組成. 數(shù)字信號(hào)處理控制電路檢測(cè)出中頻信號(hào)中泄漏信號(hào)大小，通過(guò)采用微帶線延時(shí)方式以及控制幅值控制器和相位控制器來(lái)調(diào)節(jié)同頻相消信號(hào)的幅度與相位，使其與同頻干擾信號(hào)幅度相同，相位差180°，之后送入合路器進(jìn)行載波泄漏對(duì)消.為了達(dá)到理想的對(duì)消目的，數(shù)字信號(hào)處理控制電路根據(jù)對(duì)消效果控制幅值控制器和相位控制器的參數(shù)，通過(guò)數(shù)字對(duì)消算法產(chǎn)生控制信號(hào)，此控制信號(hào)再對(duì)幅值控制器和相位控制器的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到最理想的對(duì)消效果，因此射頻對(duì)消環(huán)路系統(tǒng)是一個(gè)反饋閉環(huán)調(diào)整系統(tǒng).同時(shí)，采用直流偏移頻對(duì)消技術(shù)，由預(yù)定頻偏本振產(chǎn)生本振信號(hào)，與正交混頻后信號(hào)進(jìn)行移頻變換，將預(yù)定的頻偏分量移至零頻附近，同時(shí)將收發(fā)泄漏零頻直流分量移至預(yù)定頻偏分量附近.然后將預(yù)定頻偏變換后的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字低通濾波器處理，濾波器時(shí)域?qū)挾仁穷A(yù)定差拍頻率頻率倒數(shù)整數(shù)倍，保證頻移后的直流分量被濾除掉.

2.2 電路設(shè)計(jì)

幅值控制器用于改變對(duì)消信號(hào)的幅度，相位控制器用于改變對(duì)消信號(hào)的相位，為了達(dá)到理想的對(duì)消效果，需要對(duì)幅值控制器、相位控制器的參數(shù)進(jìn)行控制，通過(guò)數(shù)字對(duì)消算法產(chǎn)生控制信號(hào)，幅值控制器、相位控制器的參數(shù)，同時(shí)，數(shù)字信號(hào)控制電路控制直流頻偏移位、對(duì)消，達(dá)到消除直流頻偏分量效果.具體電路原理圖如圖2所示.

3 仿真分析與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

3.1 仿真分析

本文采用ADS仿真軟件對(duì)幅相檢測(cè)與移頻相消融合載波泄漏抑制的方法進(jìn)行仿真，幅度控制器用于調(diào)節(jié)對(duì)消支路信號(hào)功率，以便與泄漏信號(hào)對(duì)消達(dá)到最理想的效果.仿真原理框圖如圖3所示. 圖中標(biāo)識(shí)的PWR2的中心頻率為4.3 GHz，環(huán)形器隔離端口(FS)和移相器輸出端口(FK)幅度相等，相位相差180°，相位相消移頻仿真圖如圖4所示.經(jīng)過(guò)合路器(PWR2)輸出對(duì)消后的仿真數(shù)據(jù)如圖5所示.

由圖5可知，頻率在4.3 GHz時(shí)，原理框圖中標(biāo)識(shí)的DX是合路器輸出仿真采樣點(diǎn)，DX采樣點(diǎn)對(duì)消了60.147 dB.發(fā)射信號(hào)功率為5 dBm，在增加射頻泄漏抑制電路前，泄漏到接收端的信號(hào)功率為-3 dB，增加射頻泄漏抑制后，泄漏到接收端的信號(hào)功率小于-18 dBm. 由ADS軟件仿真結(jié)果可知，采用載波泄漏抑制技術(shù)后，對(duì)消效果比較理想.

在數(shù)信號(hào)處理電路控制下，預(yù)定頻偏本振產(chǎn)生與差拍頻率相同的本振信號(hào)，經(jīng)過(guò)移頻變換器，將直流頻偏分量移至零頻分量，設(shè)差拍頻率為fb=500 kHz，直流頻偏分量取值與差拍頻率相同，經(jīng)過(guò)預(yù)定頻偏變頻后，直流干擾頻率分量移至500 kHz頻偏處，差拍頻率移至零頻處.預(yù)定頻偏變頻后信號(hào)時(shí)域、頻域圖如圖6所示.

對(duì)預(yù)定頻偏移位后的回波信號(hào)，進(jìn)行直流頻偏數(shù)字對(duì)消、低通濾波處理后回波差拍信號(hào)時(shí)頻波形如圖7所示.

由仿真圖7可知，差拍頻率fb=500 kHz時(shí)，載波泄漏直流頻偏分量被完全消除，對(duì)濾波后回波信號(hào)進(jìn)行檢波，信號(hào)檢波幅度與地面高度成反比，距離地面越近檢波幅度越大，當(dāng)檢波幅度大于設(shè)定門(mén)限時(shí)，系統(tǒng)就可以給出距離警示信號(hào)，通過(guò)對(duì)消直流頻偏分量提高目標(biāo)回波信號(hào)檢測(cè)概率.

3.2 實(shí)驗(yàn)對(duì)比

載波泄漏抑制電路圖如圖2所示.對(duì)載波泄漏抑制電路進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，對(duì)消效果圖如圖8所示.

根據(jù)圖8實(shí)際測(cè)試結(jié)果可以得出，采用對(duì)消技術(shù)前后輸入信號(hào)、輸出信號(hào)及對(duì)消比取值如表1所示. 由表1可知，發(fā)射機(jī)在4.15～4.45 GHz調(diào)制頻率帶寬內(nèi)，載波泄漏對(duì)消比以4.3 GHz為中心呈正態(tài)分布，輸出信號(hào)功率范圍為[-79 dBm，-25 dBm]，對(duì)消比分布范圍為[30，56]，當(dāng)發(fā)射頻率為中心頻率4.3 GHz時(shí)，載波泄漏抑制對(duì)消效果最優(yōu)，對(duì)消比可達(dá)到56，可以滿足FMCW收發(fā)信機(jī)的工程指標(biāo)需求，以 “十二五”武器裝備預(yù)研項(xiàng)目研制的某型彈載FMCW定高控制系統(tǒng)為例， 本技術(shù)要求的載波泄漏抑制對(duì)消比為30，本論文提出載波泄漏抑制技術(shù)達(dá)到對(duì)消比可以滿足工程應(yīng)用需求.

表1 測(cè)試內(nèi)容及數(shù)值

由圖8和表1可知，發(fā)射中心頻率為4.3 GHz，載波泄漏功率降低為-79 dBm，對(duì)消效果最好，同時(shí)抑制直流頻偏分量，與ADS軟件仿真結(jié)果基本一致. 仿真結(jié)果和試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明. 采用本技術(shù)方案，消除了直流頻偏分量，降低了載波泄漏信號(hào)功率，提高了對(duì)消比，保證了接收機(jī)的線性度、靈敏度，提高收發(fā)信機(jī)通信距離與通信質(zhì)量.

4 結(jié) 論

論文研究了無(wú)線電收發(fā)信機(jī)載波泄漏抑制問(wèn)題，提出了一種基于幅相檢測(cè)與移頻相消融合的載波泄漏抑制方法.創(chuàng)建了載波泄漏同頻對(duì)消的數(shù)學(xué)模型，給出了硬件電路實(shí)現(xiàn)載波泄漏抑制的技術(shù)方案，采用硬件抑制和軟件對(duì)消智能融合，消除同頻雜波干擾和直流頻偏的干擾. 較好地解決了載波泄漏的抑制問(wèn)題. 建立了對(duì)消抑制電路的仿真模型，計(jì)算分析了電路模型的載波抑制性能. 搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)比分析了仿真設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果.為無(wú)線收發(fā)信機(jī)載波泄漏的抑制提供了一種簡(jiǎn)單有效的實(shí)現(xiàn)方法.

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(責(zé)任編輯：劉雨)

Carrier-Leakage Suppression Techniques Based on Mixing Magnitude-Phase Inspection and Frequency Shift Cancellation

MA Yue-hong1，2， ZHANG Xiao-lin1， LIU Qiu-sheng2， YU Zhi-jian3

(1.School of Electronic and Information Engineering， Beihang University， Beijing 100191， China;2.Ordnance Engineering College， Shijiazhuang, Hebei 050003，China;3.Taiyuan Satellite Launch Center， Taiyuan, Shanxi 030027， China)

In view of the carrier leakage problem for small single-antenna radio transceiver， the carrier-leakage suppression techniques were proposed based on mixing magnitude-phase shift with frequency shift cancellation. Carrier leakage and DC frequency was cancellated by the carrier-leakage suppression integration techniques， which was merged together the adaptive closed-loop offset technology and frequency offset cancellation technology. The ADS software experimental results and testing indicate that the output power is -79 dBm and the carrier leakage cancellation is up to 56 with 4.3 GHz transmitting center frequency. The carrier leak on single-antenna transceiver is reduced without obvious distortion in the output wave shape and the DC offset component is eliminated. The receiver sensitivity and detection probability are improved by the carrier-leakage suppression techniques.

frequency modulated continuous wave(FMCW); carrier leakage; DC offset; carrier leakage cancellation technology

2016-04-25

國(guó)家“八六三”計(jì)劃項(xiàng)目(2013AA7034055A)；國(guó)家部委預(yù)研重點(diǎn)項(xiàng)目(51306040401)

馬月紅(1979—)，女，博士生，講師，E-mail：sunmyh@163.com.

TN 925

A

1001-0645(2016)12-1298-06

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.12.017