一種新穎的前沿檢測接收機(jī)的設(shè)計

雷華相,周國安,孫佳佳

(空軍工程大學(xué)導(dǎo)彈學(xué)院,陜西三原713800)

0 引言

前沿檢測是一種較為簡單的脈沖接收機(jī),在UWB沖激雷達(dá)系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用[1]。相對于當(dāng)前其他的極窄脈沖接收機(jī):相關(guān)接收機(jī)[2]、自相關(guān)接收機(jī)[3]、采樣接收機(jī)[4]而言具有結(jié)構(gòu)簡單、實現(xiàn)容易和靈敏度高等優(yōu)點。但簡單的結(jié)構(gòu)也導(dǎo)致了接收機(jī)不能進(jìn)行復(fù)雜的信號處理,因此在環(huán)境噪聲復(fù)雜多變的情況下,接收機(jī)的虛警概率就大大增加,這較大地限制了當(dāng)前前沿檢測接收機(jī)的廣泛使用。這里在簡單分析現(xiàn)有典型前沿檢測接收機(jī)的基礎(chǔ)上,設(shè)計了一種新穎的前沿接收接收機(jī),使其實現(xiàn)了高靈敏度、恒虛警檢測和消除近區(qū)響應(yīng)。

1 一般前沿檢測接收機(jī)

前沿檢測一般是利用隧道二極管(Tunnel Diode,TD)進(jìn)行設(shè)計。由于隧道二極管的重?fù)诫s特性,因此具有超高速的響應(yīng)特性,可以對極窄的脈沖成功地進(jìn)行積分、展寬和放大,從而很方便地進(jìn)行后端檢測。其最簡單的電路形式如圖1所示。

在一定的時間門內(nèi),選通開關(guān)接通,信號得以進(jìn)入接收機(jī);電容C具有隔直通交的作用,同時它還起著積分的作用;當(dāng)信號到來時給電容C充電,當(dāng)電平達(dá)到一定值時,隧道二極管被觸發(fā),形成檢測脈沖;檢測脈沖經(jīng)放大器放大,由判斷電路來確定信號的有無以及目標(biāo)的距離。

圖1 前沿檢測接收機(jī)原理

2 新設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)組成原理

新設(shè)計接收機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由超寬帶低噪聲放大器(UWB_LNA)、包絡(luò)檢波器、門限檢測器、反饋回路和數(shù)字信號處理模塊組成。

系統(tǒng)工作原理是:回波信號經(jīng)天線接收后,由超寬帶低噪聲放大器進(jìn)行放大,送至包絡(luò)檢波器,產(chǎn)生接收信號的包絡(luò),再進(jìn)行恒虛警檢測。

2.2 恒虛警的實現(xiàn)

要實現(xiàn)降低前沿檢測接收機(jī)的虛警概率的目的,主要在于實現(xiàn)2個功能:對噪聲電平的實時檢測和檢測門限的實時控制。因此該接收機(jī)中設(shè)計了噪聲支路(移位寄存器1、SUM1、SUM3)和反饋回路來完成。

其具體實現(xiàn)為:當(dāng)系統(tǒng)時鐘到來時,移位寄存器對接收信號進(jìn)行錄入,當(dāng)信號超過門限時記為“1”,否則記為“0”。接著對寄存器的狀態(tài)進(jìn)行加法運(yùn)算,得出當(dāng)前接收信號的信息,即過門限數(shù)。由于移位寄存器1和移位寄存器2采用分時工作,給移位寄存器2的輸入觸發(fā)脈沖中加入了距離延時,因此認(rèn)為SUM2反映的是目標(biāo)信息,SUM1反映的是距離門外的噪聲信息。盡管有時真實目標(biāo)會落在移位寄存器1中,但還是認(rèn)為其為噪聲,即此時目標(biāo)不存在。SUM1輸出一路送至反饋回路,經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后,產(chǎn)生合適的控制電壓,改變門限檢測器的門限。當(dāng)噪聲數(shù)增加時,意味著檢測門限偏低,需要調(diào)小偏置電壓(由門限檢測器設(shè)計決定),反之則增加偏置電壓,以保證較好的噪聲抑制能力。同時,另一路加上一個D(控制虛警概率)后數(shù)值變?yōu)镹+D,送至比較器與來自SUM2的數(shù)M進(jìn)行比較,當(dāng)且僅當(dāng)M＞N+D時產(chǎn)生點火信號。顯然,無論是目標(biāo)是否在噪聲支路內(nèi),系統(tǒng)只有在設(shè)定距離帶內(nèi)存在目標(biāo)時才有可能產(chǎn)生點火信號。

假設(shè)噪聲超過門限的概率為p,則對于一般前沿檢測接收機(jī)而言,虛警概率為p,顯然隨著噪聲的復(fù)雜程度增加,虛警概率會大大增加,以至于影響整個系統(tǒng)的性能。而對于這里設(shè)計接收機(jī),可以得到系統(tǒng)的虛警概率為:

Z為移位寄存器的位數(shù),即反映存儲接收信號的數(shù)量。上式可以看出這里設(shè)計的前沿檢測接收機(jī)的虛警概率大大降低。

2.3 設(shè)計電路實現(xiàn)

設(shè)計電路如圖3所示,該電路已在某型超寬帶近炸引信中得到了測試,測試結(jié)果達(dá)到預(yù)期效果。

圖3 設(shè)計電路圖

3 優(yōu)越性分析

3.1 接收機(jī)靈敏度高

為了接收極窄信號,能被快速觸發(fā)的低能脈沖器件是非常必要的。當(dāng)前雪崩晶體管和隧道二極管是2個比較新穎的選擇,由于雪崩晶體管,靈敏度相對較低,而且不穩(wěn)定。考慮到TD有確定的V-I特性和較高且穩(wěn)定的靈敏度。相同條件下,隧道二極管的最小可檢測門限為10～15 mV,而雪崩管最小可檢測門限約為50 mV[5]。因此采用TD門限檢測器可提高接收機(jī)的最小可檢測信號功率。

3.2 消除近區(qū)響應(yīng)影響

同步脈沖的存在導(dǎo)致大多數(shù)接收機(jī)存在著較大的近區(qū)響應(yīng),容易造成接收機(jī)雜波抑制特性變差、接收機(jī)靈敏度降低和虛警概率提高,較大地影響了接收機(jī)的性能。

設(shè)計接收機(jī)在對于發(fā)射機(jī)送來的時鐘,在可編程邏輯器件內(nèi)進(jìn)行不同量的延時(其中一路含距離信息),因此并不會出現(xiàn)同步脈沖的泄漏,致使產(chǎn)生較大的近區(qū)效應(yīng),即使存在脈沖泄漏,其泄露的也是時鐘脈沖,且其反射回波信號并不在距離門內(nèi),也不在噪聲支路內(nèi),因此對設(shè)計接收機(jī)來說,就不存在近區(qū)響應(yīng)的問題。其消除近區(qū)響應(yīng)示意圖如圖4所示。

圖4 消除近區(qū)響應(yīng)影響

3.3 實現(xiàn)CFAR

4 結(jié)束語

新設(shè)計前沿檢測接收機(jī)實現(xiàn)了高靈敏度、恒虛警檢測和消除近區(qū)效應(yīng),該設(shè)計簡單、可靠、易行,其最大的亮點就是在簡單的系統(tǒng)里實現(xiàn)了CFAR,這對同類接收機(jī)的性能提升有一定借鑒作用。

[1]FONTANA R J,LARRICK J F,JEFFERY E.Code,UWB Dual Tunnel Diode Detectoin,Measurement,or Avoidance[P].U.S Pat.6239741B1,2001:654-677.

[2]SIWIAK K.Radiowave Propagation and Antennas for Personal Communications[M].Second Edition,Norwood,MA:Artech House,1998:454-478.

[3]HOCTOR R,TOMLINSON H.Delay-Hopped Transmitted-Reference RF Communications[J].IEEE Ultra Wideband Systems and Technologies,2002(8):265-269.

[4]劉文生,李錦林.取樣技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,1981:325-338.

[5]KENEETH W.Short Base-band Pulse Receiver[P].U.S pat.3662316,1972:326-345.