毫米波雷達數字復數下變頻正交采樣方法研究

趙 博

(解放軍92941部隊，遼寧 葫蘆島 125001)

毫米波雷達數字復數下變頻正交采樣方法研究

趙 博

(解放軍92941部隊，遼寧 葫蘆島 125001)

運用數字化的直接下變頻技術，在進行濾波器采樣的同時，達到了信號下變頻目的，從工程實踐的層面降低了難度。通過推導和計算，將得出的最優化采樣頻率應用到毫米波雷達中頻信號采樣過程中，僅用一個模數轉換器(ADC)和相關器件完成了系統的整體設計，降低了施工成本，提高了信號處理的速度和準確率。

毫米波雷達；數字下變頻；正交采樣

0 引 言

電子技術的飛速發展,使得毫米波雷達技術也進入了飛速發展的時期,新技術層出不窮,如高分辨毫米波雷達技術、毫米波成像雷達技術[1]、毫米波雷達目標識別技術[2]、自適應毫米波雷達技術[3]、多功能毫米波雷達導引頭技術[4]等等。同時,隨著大規模集成電路技術的不斷發展進步,數模轉換器采樣的速度也越來越高,毫米波雷達數字化程度也變得越來越高,如直接數字頻率合成技術等[5],數字變頻技術更是在毫米波高分辨雷達上得到了大范圍的拓展和使用[6]。直接運用數字化頻率可以做到雷達波形數字化產生[7],雷達的相關參數可在程序中進行實時更改,以達到優化雷達性能的目的。

1 直接模擬下變頻法

數字下變頻的基礎是奈奎斯特采樣定理：一個頻譜位于0～B的帶限信號，其頻譜不混疊的最低采樣率為2B，該采樣率稱為奈奎斯特率，對應于1/2奈奎斯特率的頻率稱為奈奎斯特頻率[8]，奈奎斯特頻率到零之間覆蓋的帶寬稱為奈奎斯特帶寬，采樣信號的頻譜在頻域上被分割為無數個奈奎斯特區，每個奈奎斯特區的寬度即奈奎斯特帶寬的寬度[9]。

直接模擬下變頻，又稱為模擬復數下變頻的正交采樣方法，從理論角度上來講，該方法具有很好的工作性，是目前此領域經常使用的方法，該方法的原理圖如圖1所示[10]。

圖1 模擬復數下變頻的正交采樣方法

但是，在工程實踐中由于硬件的精度和穩定性等條件制約，十分準確地保持毫米波信號的垂直相位關系是非常困難的，或者說是不現實的。在實踐中，1°～2°的相位誤差是經常出現的情況，在理論上，需要匹配精確的同軸電纜，同時還必須使用2個精確振蕩器(相差90°)和2個具有相同特性的混頻器，當然，這也是不現實的。要找到1對工作特性相同的模擬低通濾波器和1對工作特性完全相同的ADC，對工程實踐來說要求是非常高的。

2 數字復數下變頻正交采樣方法

采用數字復數下變頻正交采樣方法可以很好地降低模擬復數下變頻的正交采樣方法帶來的諸多苛刻要求。如圖2所示，模擬信號Xp(t)經過ADC后，再經數字混頻器和帶通濾波器，就可以得到想要的信號，這種方法在理論和實踐上都改善了信號采樣過程中存在的各種限制條件過多的問題，這種方法與模擬體制下的復數下變頻正交采樣方法存在很大不同，因為它的整體設計中只用到了1個ADC，大大降低了工程實踐的難度。

圖2 用數字混頻方法的復數正交采樣

圖2中:

Xc(n)=I(n)+jQ(n)

(1)

當fs=4fc時，上述采樣方法的優點就顯得非常突出，其原因如下：cos(2πn)=1,0,-1,0,…;-sin(πn)=0,-1,0,1,…。

帶通采樣又被稱作為中頻(IF)采樣、調和采樣或下奈奎斯特采樣等。并且，由于在帶通采樣的整體過程中，頻率轉換和采樣過程是緊密相關的2個過程，它可以在完成信號數字化的同時達到對信號頻率進行變換的目的，因此，采樣變換是帶通采樣的又一個理論名稱。

為了滿足信號采樣系統的需求，在采樣之前輸入的信號必須是帶限信號。而對于帶限信號來講，它符合帶通采樣定理的相關要求和特性。

下面給出帶通采樣定理:對于一個帶寬為B、頻率范圍為從fL到(fL+B)的典型帶限信號，設定以采樣速率fs對信號進行采樣，之后根據上述理論，就可以將采樣得到的信號進行重建，所以fs必須滿足下面的關系式：

(2)

假定fL=8.3 MHz，B=6.4 MHz，就可以計算出fs≥14.7 MHz。進一步進行理論分析[10]，得到適合帶通采樣定理計算采樣值需要的公式：

(3)

而避免混疊的最小采樣頻率公式為：

(4)

將fc=35 GHz、B=31.25 MHz代入計算得fs=63 MHz。從理論層面講，ADC在技術層面可以無限接近天線端口，但是在實際工程實踐過程中，ADC的帶寬是有限的，不同廠家的ADC均無法對高頻或者超高頻的信號進行采樣。要完成模擬帶限信號數字化的過程，就需要在初始階段將高頻的信號下變頻到中頻段。根據奈奎斯特采樣定理，這種下變頻方法的應用對信號中的有用信息是無損失的，因此可以使用這種下變頻的方法使其降頻為100 MHz的中頻信號。此時fc=100 MHz，B=31.25 MHz，經過計算后可得到：m=1時，fs=142 187 500 Hz；m=2時，fs=80 729 166.67。通過對m取1～1 000內所有整數值的計算，可得到最佳采樣頻率為80 729 166.67 Hz。根據其相關的數據采樣要求，結合工程實踐成本以及當前市場上電子器件的可靠度，最優中頻采樣系統組合可以由AD8041、AD9057和AD6624A構成，如圖3所示。

圖3 中頻采樣系統框圖

由原理框圖可以清楚地看到，Xp(t)經過器件AD8041進行放大之后，由8位轉換器AD9057進行轉換，之后再送入數字下變頻器AD6624A進行下變頻處理，最終得到需要的信號形式。

3 結束語

本文運用數字化的直接下變頻技術,在進行濾波器采樣的同時,達到了信號下變頻的目的,從工程實踐的層面降低了難度。通過推導和計算,將得出的最優化采樣頻率應用到了毫米波雷達中頻信號的采樣過程中,使用當前市場成熟的產品技術對中頻信號進行設計,僅用一個ADC和相關器件,完成了系統的整體設計,降低了施工成本,提高了信號處理的速度和準確率。

[1] OPPENHEIM A V.信號與系統[M].劉樹棠譯.2版.西安:西安交通大學出版社，1998.

[2] JOHNSON H,JRAHAL M.High Speed Design Techniques[M].Upper Saddle River,NJ,America:Prentice Hall，1996.

[3] LYONS R G.Understanding Digital Signal Processing[M].2nd ed.Upper Saddle River,NJ,America:Prentice Hall,2004

[4] 蔡希堯.雷達系統概論[M].北京：科學出版社，1983.

[5] 李躍華.毫米波頻率步進雷達信號檢測與處理[D].南京:南京理工大學，1999.

[6] HAMBLEN J O,FURMAN M D.Rapid Prototyping of Digital Systems:A Tutorial Approach[M].2nd ed.Boston,USA:Kluwer Academic Publishers,2001.

[7] 薛良金.毫米波工程基礎[M].北京：國防工業出版社，1998.

[8] 張建明.雷達伺服系統的數字化[J].國外電子元器件，2002(7):17-19.

[9] 孫長貴，李興國.脈間CostasFH高分辨毫米波雷達信號的DDS實現[J].紅外與毫米波學報，2002，21(6)：472-474.

[10] PRINGLE R C.Range Rate Aiding in Pulsed Radar System:US6281833B1[P].2001-01-01.

ResearchintoQuadratureSamplingMethodofDigitalPluralDown-conversionforMillimeterWaveRadar

ZHAO Bo

(Unit 92941 of PLA,Huludao 125001,China)

This paper uses the digital direct down-conversion technology to achieve the purpose of signal down-conversion while the process of filter sampling,decreases the difficulty from engineering practice aspect,applies the obtained optimization sampling frequency into the sampling process of intermediate frequency signals of millimeter wave radar through deduction and calculation,only uses an A/D converter and relative devices to complete the whole system design,which reduces the construction cost and increases the speed and accuracy of signal processing.

millimeter wave radar;digital down-conversion;quadrature sampling

TP391

A

CN32-1413(2017)05-0090-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.05.020

2017-04-22