郁金華

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇南京 210039）

0 引 言

目前機(jī)載脈沖多普勒雷達(dá)的接收機(jī)通常采用超外差式直接數(shù)字中頻采樣接收機(jī)框架，其通過一次及以上模擬變頻濾波將輸入信號頻率變到一個比較合適的中頻上進(jìn)行中頻采樣，具有中頻規(guī)劃性好、抗干擾能力強(qiáng)、鏡像抑制高的特點，并且通過數(shù)字下變頻后的同相和正交兩路數(shù)據(jù)的幅度和相位一致性指標(biāo)高，鏡像抑制指標(biāo)高，因此該接收機(jī)結(jié)構(gòu)在實際工程中具有很大的優(yōu)勢。

但實際工程設(shè)計過程中，綜合考慮A/D位數(shù)及采樣率、模擬中頻濾波器的可實現(xiàn)性，A/D 采樣往往采用帶通采樣方式，即采樣速率大于兩倍的信號帶寬，但小于信號的中心頻率。而帶通采樣對雷達(dá)中頻信號頻率帶寬及中頻抗混疊濾波器的設(shè)計要求很高，特別是濾波器的指標(biāo)一般是連續(xù)波輸入信號的狀態(tài)下進(jìn)行測試的，當(dāng)輸入雷達(dá)信號為脈沖信號時，其鏡像抑制性能會變差［1］。

本文首先介紹了超外差式直接數(shù)字中頻采樣接收機(jī)的基本原理，分析得出了帶通采樣折疊引入鏡像干擾的原因，最后給出了對應(yīng)解決措施。通過實際接收機(jī)改進(jìn)試驗驗證結(jié)果表明:該解決措施可以有效抑制帶通采樣折疊引入鏡像干擾，具有較大的工程應(yīng)用價值。

1 數(shù)字中頻采樣接收機(jī)

常規(guī)超外差式數(shù)字中頻采樣接收機(jī)的結(jié)構(gòu)框架如圖1所示［2］。

回波信號由天線經(jīng)低噪聲放大（LNA）、與本振（LO）混頻（MIXER）、中頻濾波（IF BPF）后的中頻信號可以表示為

式中，2A(t)為周期調(diào)制脈沖信號幅度，ωIF為輸入脈沖信號的角頻率。

A/D采樣后的信號可以表示為

式中，A(nTs)表示信號幅度，Ts表示采樣周期，n表示采樣時刻。

數(shù)字I/Q混頻之后的信號表示為

用復(fù)數(shù)形式可以將I/Q兩支路的數(shù)據(jù)表示為

2 脈沖邊沿鏡像干擾產(chǎn)生機(jī)理

當(dāng)A/D 采樣后數(shù)字信號通過FIR 濾波器時，為簡化分析，假設(shè)數(shù)字低通濾波器的階數(shù)為4，且令濾波器系數(shù)h0=h1=h2=h3=1/4。當(dāng)上述混頻之后的脈沖信號經(jīng)過數(shù)字低通濾波器時:

1）當(dāng)脈沖信號只有一個采樣點進(jìn)入到濾波器時，忽略噪聲的影響，輸出為

可以發(fā)現(xiàn)此時輸出信號中的高頻部分沒有被抑制掉，相對于脈沖信號幅度，高頻信號的抑制度為

2）當(dāng)脈沖信號有兩個采樣點進(jìn)入到濾波器時，忽略噪聲的影響，輸出為

可以發(fā)現(xiàn)此時輸出信號中的高頻部分也沒有被抑制掉，相對于脈沖信號幅度，高頻信號的抑制度為

3）當(dāng)脈沖信號有3 個采樣點進(jìn)入到濾波器時，忽略噪聲的影響，輸出為

高頻信號的抑制度為

4）當(dāng)脈沖信號有4 個及以上采樣點進(jìn)入到濾波器時，此時濾波器完全濾波，忽略噪聲的影響，輸出為

數(shù)字低通濾波器能完全正常工作，對高頻信號的抑制度為

通過上述簡單系數(shù)分析計算的定性分析，對于常規(guī)超外差直接數(shù)字中頻采樣接收機(jī)，當(dāng)脈沖信號邊沿進(jìn)行數(shù)字濾波時，高頻信號抑制度有限。只有當(dāng)脈沖信號完全進(jìn)行數(shù)字濾波時，此時對高頻信號的抑制度才足夠大［3-4］。

利用Matlab 對普通脈沖調(diào)制信號進(jìn)行仿真，其中信號周期為8 μs、脈寬為2 μs、中頻頻率為130 MHz。其頻譜圖如圖2所示。

圖2 普通脈沖調(diào)制信號的頻譜特性圖

通過仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，連續(xù)波信號經(jīng)過脈沖調(diào)制后，其頻譜分量被擴(kuò)展，離中心頻率40 MHz處的調(diào)制信號與主信號功率差約-48 dBc/-52 dBc。

中頻模擬信號經(jīng)過中頻帶通濾波器后，其遠(yuǎn)端濾波器帶外的調(diào)制擴(kuò)展頻率被抑制掉，但由于模擬濾波器存在過渡帶，同時考慮濾波器對脈沖信號前后沿抑制能力有限，因此實際輸入到A/D采樣電路的信號帶寬不應(yīng)只考慮濾波器帶寬，而應(yīng)該考慮矩形系數(shù)內(nèi)的整個帶寬［5］。

脈沖調(diào)制信號經(jīng)過帶通采樣后的頻域特性如下式所示:

式中，ω為角頻率范圍，Ts為采樣周期?？梢园l(fā)現(xiàn)經(jīng)過帶通采樣后，信號頻譜特性主要有兩個特點:1）信號頻譜以采樣率為周期擴(kuò)展；2）信號頻譜關(guān)于零頻對稱。如果采樣頻率fs=1/Ts為100 MHz，中頻頻率為130 MHz 的脈沖調(diào)制信號經(jīng)過脈沖調(diào)制后的特性如圖3所示。

圖3 帶通采樣對頻譜折疊影響的特性圖

通過圖3 可以發(fā)現(xiàn):當(dāng)輸入信號為130 MHz 的普通脈沖調(diào)制信號時，其采樣折疊引入最近的鏡像干擾位于170 MHz 和70 MHz 處，而130 MHz 的脈沖調(diào)制信號自身對170 MHz 頻偏處的抑制度只有48 dBc，對70 MHz頻偏處的抑制度只有52 dBc。如果模擬帶通濾波器對170 MHz和70 MHz處的抑制度不夠，170 MHz 和70 MHz 處的鏡像干擾信號很容易落入帶內(nèi)（主要是脈沖信號的前后沿）。根據(jù)前文的分析，數(shù)字濾波器對脈沖邊沿的高頻信號并不能產(chǎn)生較高的抑制度，所以經(jīng)過采樣數(shù)字下變頻處理后便存在一個與基帶信號頻率相反的鏡像干擾信號，嚴(yán)重影響雷達(dá)對弱目標(biāo)的檢測。

當(dāng)機(jī)載脈沖多普勒雷達(dá)的回波信號的幅度起伏明顯時，輸入信號類似脈沖信號特性，信號的頻譜被調(diào)制擴(kuò)展。當(dāng)PD 體制雷達(dá)采用普通脈沖調(diào)制時，此鏡像干擾可通過信號處理強(qiáng)制剔除，但如果采用脈間多斜率等其他波形時，鏡像干擾的斜率與有用信號相反，導(dǎo)致鏡像干擾的頻譜被展寬，嚴(yán)重影響目標(biāo)檢測。

3 抑制鏡像干擾的方法

根據(jù)第2節(jié)的分析，脈沖調(diào)制信號產(chǎn)生的脈沖邊沿鏡像干擾主要原因是脈沖調(diào)制信號在帶通采樣后，鏡像頻率落入數(shù)字濾波器帶內(nèi)產(chǎn)生，其幅度與進(jìn)入A/D 前的脈沖調(diào)制信號在最近鏡像頻率處的幅度成正比。此類鏡像干擾產(chǎn)生的機(jī)制是在模擬域和數(shù)字域共同作用下產(chǎn)生的。在數(shù)字域，如果要提高鏡頻抑制度應(yīng)盡可能提高中頻采樣頻率。但在某些雷達(dá)應(yīng)用場景，高采樣頻率意味著AD 的器件選型受限較大，往往達(dá)不到系統(tǒng)的瞬時動態(tài)需求。因此，在提高中頻采樣頻率的方法不能保證鏡頻抑制效果時，遂提出在模擬域利用中頻帶通濾波器降低此類鏡像干擾的措施。

對于典型的超外差接收機(jī)，中頻帶通濾波器主要作用是抑制混頻器產(chǎn)生的各種不需要的變頻頻率分量。此外在現(xiàn)代雷達(dá)接收機(jī)中，信號波形形式常常設(shè)計成線性調(diào)頻、非線性調(diào)頻或編碼形式的大時寬-帶寬積信號，然后在接收機(jī)或信號處理中用脈沖壓縮濾波器的方式使信號達(dá)到最佳匹配。因此中頻濾波器往往設(shè)計成比信號帶寬寬一些的矩形響應(yīng)濾波器，為了防止信號失真，帶通濾波器必須具有良好的線性特性［6］。

因此通常在雷達(dá)接收機(jī)設(shè)計時對中頻帶通濾波器技術(shù)指標(biāo)的考慮主要集中在1 dB 帶寬、帶內(nèi)線性度、混頻雜散帶外抑制度等方面，忽略了對帶通采樣鏡像頻點抑制度的相關(guān)指標(biāo)需求。以某雷達(dá)接收機(jī)樣機(jī)為例，中頻為130 MHz，最大信號帶寬為20 MHz，根據(jù)接收機(jī)鏈路設(shè)計初步選取了如表1所示的中頻濾波器。

表1 原選型中頻濾波器需求參數(shù)

利用該接收機(jī)樣機(jī)進(jìn)行實際信號采樣仿真，參數(shù)配置如下:輸入信號為中頻130 MHz+10 kHz，采樣頻率為100 MHz，Tr周期為8 μs，脈寬為1.2 μs，噪聲只考慮通道熱噪聲，數(shù)據(jù)抽取率到20 MHz，根據(jù)距離門進(jìn)行累加，距離門寬度為0.8 μs。圖4 為接收機(jī)A/D 采樣預(yù)處理后得到的時頻譜。由于表1 選型的中頻濾波器只對遠(yuǎn)端的帶外抑制度提出了較高需求，而忽略了鏡像頻點處的抑制需求，可以發(fā)現(xiàn)預(yù)處理后在脈沖信號的兩個邊沿明顯出現(xiàn)鏡像干擾，鏡像抑制度只有50 dBc 左右。在實際雷達(dá)使用中，對于采用多斜率波形時，由于鏡像干擾與主信號的斜率相反，在信號處理進(jìn)行去斜處理時會導(dǎo)致鏡像干擾無法去除，反而進(jìn)行了展寬，對雷達(dá)檢測清晰區(qū)造成污染，降低了信噪比，嚴(yán)重影響雷達(dá)弱目標(biāo)檢測能力。因此，理論上必須將此鏡像干擾幅度抑制到通道熱噪聲平均幅度以下，才能對雷達(dá)弱目標(biāo)檢測不構(gòu)成明顯影響。

圖4 常規(guī)數(shù)字中頻接收機(jī)預(yù)處理后的時頻譜

根據(jù)之前的分析，鏡像干擾抑制的關(guān)鍵節(jié)點可在中頻濾波器的鏡像頻點抑制度處提升。遂通過對中頻濾波器各項指標(biāo)的權(quán)衡，在保證信號帶寬和線性相位度的前提下，著重提升濾波器鏡像頻點處的抑制度。如表2 和圖5 所示，著重提升兩個鏡像頻點處的抑制能力（達(dá)60 dBc以上）。

表2 新選型中頻濾波器需求參數(shù)

圖5 新選型中頻濾波器S參數(shù)測試圖

繼續(xù)利用原先的雷達(dá)接收機(jī)樣機(jī)進(jìn)行采樣仿真，相關(guān)參數(shù)保持不變，圖6 為中頻濾波器改進(jìn)過的接收機(jī)A/D采樣后預(yù)處理完成得到的時頻譜，可以發(fā)現(xiàn)鏡像干擾已經(jīng)被完全抑制到通道熱噪聲以下，說明中頻濾波器的改進(jìn)方案完全有效。

4 結(jié)束語

本文介紹和分析了常規(guī)數(shù)字中頻接收機(jī)在處理脈沖信號時脈沖邊沿鏡像干擾產(chǎn)生的原因。一般可通過選用高采樣頻率的A/D 器件在數(shù)字域得到優(yōu)化改善。但在一些對瞬時動態(tài)要求較高的機(jī)載雷達(dá)應(yīng)用場景中，對A/D器件的選型要求較為局限，位數(shù)較多的A/D器件往往采樣頻率并不能設(shè)置很高。于是提出了在設(shè)計數(shù)字中頻接收機(jī)鏈路時，著重對中頻帶通濾波器的設(shè)計需求提出新的關(guān)注點。通過某型接收機(jī)樣機(jī)的實際數(shù)據(jù)對比表明:在采用了帶通采樣鏡像頻率抑制中頻帶通濾波器后，很好地抑制了信號脈沖邊沿鏡像干擾的問題，具有較高的工程應(yīng)用意義。