雷達信號處理機通道隔離度提升方法與分析*

耿籍

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009)

雷達信號處理機通道隔離度提升方法與分析*

耿籍

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009)

脈沖多普勒雷達在進行目標角度測量時，尤其是在小信號小角度的情況下，和差差采樣通道隔離度指標的惡化會影響到雷達測角精度。詳細分析了通道間隔離度指標的主要影響因素并找到了具體的提升方法和竅門，從而有效地保障和提升了雷達測角精度。

脈沖多普勒雷達；隔離度；小信號；小角度；測角精度；多通道采樣

0 引言

鑒于脈沖多普勒雷達的比相測角體制，天線和差器所輸出的和路、俯仰路、方位路3路中頻回波信號的能量間接的反映了目標的失調角信息，中頻采樣通道隔離度指標的惡化就意味著不能真實獲取和差差3路信號的回波能量，不能精確地計算出失調角信息。因此，雷達信號處理機3路A/D中頻采樣通道間的隔離度指標的提高就顯得至關重要[1-3]。

傳統文獻對于ADC通道隔離度的研究僅限于調理電路模擬傳輸部分的耦合、串擾以及輻射研究，改善隔離度的方法也僅為針對性的地平面分割、通道屏蔽等方法，但對數字部分的影響以及改善措施卻鮮有提及。

本案詳細并全面闡明了信號處理機采樣通道隔離度指標惡化的深層原因和機理，真正從理論上分析了信號處理機隔離度指標隨中頻信號輸入能量的變化趨勢，并通過仿真和試驗進行了佐證。同時也找到了影響隔離度指標的關鍵因素，并由此提出了提升隔離度指標的具體方法，從而保障了小信號小角度下的測角精度問題。

1 隔離度惡化時和差通道檢測變化趨勢初步分析

本節結合隔離度惡化情況下的具體測試案例進行回波檢測能量變化趨勢的描述與分析，表1為隔離度指標惡化情況下的3通道檢測能量的測試數據，從該數據得到方位和俯仰路的檢出幅度變化趨勢如圖1所示，該趨勢可以明顯看到3個變化階段。

表1 3路AD通道檢出幅度數據表Table 1 Amplitude table of three A/D channels

圖1 和路不同功率情況下，方位/俯仰路 檢出幅度趨勢圖Fig.1 Amplitude figure of azimuth and pitch channel as the different input power of sum channel

第1階段：輸入信號功率+5～-10 dBm，此時串擾到其他通道的信號功率隨輸入信號的功率下降而下降，此時可以肯定該串擾信號主要來自于中頻輸入信號；第2階段：輸入信號功率從-10 dBm下降到-30 dBm時,串擾到未加信號通道端的信號檢測幅度會緩慢上升；第3階段：輸入信號小到-30 dBm之后又迅速下降。

由于第2，3階段的串擾幅度變化趨勢與輸入中頻信號幅度變化趨勢不一致，可以初步排除中頻輸入信號引起的直接串擾。相應地，初步懷疑小信號輸入時的串擾來主要自于AD的數字部分，且該因素在第2，3階段起主導作用。

2 影響隔離度指標的具體技術分析過程

本節結合信號處理機3通道隔離度測試數據(表1)和隔離度耦合趨勢圖(圖1)，從“A/D芯片輸出數據位及符號位所造成的同頻串擾”，“輸出數據格式符號位數的多少所造成的趨勢的變化”，“A/D本身的直流大小對隔離度惡化趨勢的影響”等3個方面詳細分析闡明了3通道隔離度指標惡化的原因，并據此提出了合理的提升隔離度指標的具體方法和技術竅門，措施切實有效，指標改善顯著。

2.1A/D數字輸出部分同頻信號來源分析

信號處理機采用的AD芯片的輸出為二進制碼的CMOS電平輸出。CMOS輸出的特點是單端輸出，需要地線作為其信號回線，其數據線容易對外產生干擾。

二進制碼的特點是：符號位為0表示正數，用原碼表示；符號位1為表示負數，并用補碼表示。以14位二進制碼為例，+1二進制碼為0000000000001，-1二進制碼為1111111111111，這2個數有13個符號位；+8 191二進制碼為01111111111111，而-8 192二進制碼為10000000000000，這2個數只有1個符號位。因此，可以得到規律，信號越小，其符號位數越多，其同步翻轉所產生的干擾越大[4-5]。

本案假設中頻模擬信號頻率59.997 8 MHz、功率-25 dBm，采樣頻率為48 MHz，AD采集數據如圖2所示[6-7]，從圖2可知bit8～bit13都是信號的符號位；取出AD采集數據中的符號位bit13，用Matlab進行的FFT處理，結果見圖3[8-10]，其峰值對應的輸出頻率為11.997 8 MHz。根據采樣定律，對48 MHz的采樣系統來說，該頻點信號波形、頻譜與59.997 8 MHz信號完全相同，下稱同頻串擾信號。

圖2 AD采樣數據Fig.2 Sampled data of A/D

圖3 AD采樣數據符號位的FFT結果(零均值)Fig.3 FFT result of the sign bit of A/D sampled data (zero-mean)

由以上仿真結果可知，AD輸出數據碼中的符號位數據線的同步翻轉會產生與輸入信號相同頻率的同頻串擾信號。

2.2同頻串擾信號功率變化趨勢分析

由二進制編碼的特征可知：

(1) 大信號的采樣數據，其同步翻轉的符號位較少，其發出的串擾信號功率比較小，此時中頻輸入信號的串擾是AD通道間串擾的主要貢獻者；

(2) 對-10～-30 dBm之間的小信號采樣數據，其二進制編碼中的符號位較多，在正負切換的時候，所有符號位同步進行翻轉，如圖2中-25 dBm信號的符號位為6位同步翻轉。

若沒有噪聲的影響，信號越小，同步變化的符號位數越多，其輸出同頻串擾信號因幅度疊加而增強。

圖1中的中頻輸入信號功率在-10～-30 dBm之間時串擾檢出幅度的曲線，可以印證上述分析。

2.3AD直流偏移影響分析[11-12]

在理想情況下，從中頻輸入口輸入交流信號時，AD應輸出零均值的采樣數據。而實際上，由于運放電路和AD自身芯片特性等因素影響，AD輸出的采樣數據均值總是不等于0。本文稱這個非零的均值為直流偏移。

不可避免地，每一個AD采樣通道的輸出數據里總是存在或大或小的直流偏移量。由于這個偏移量的存在，在輸入信號功率小到一定程度之后，AD輸出數據碼就會恒為正數或負數；此時的符號位不再翻轉，由符號位翻轉而產生同頻串擾信號就會消失。例如鑒定件和路AD輸出碼中直流偏移為73，若信號采樣幅度峰峰值一直小于146，同步翻轉的符號位為0位(恒為正數，符號位不翻轉)，此時不會發出同頻串擾信號。

圖4是輸入信號功率為-30 dBm時和路采集結果，此時符號位還存在切換，會輸出同頻串擾信號。而采集-35 dBm信號時，AD所得數據均為正數，見圖5，此時符號位不存在翻轉，就不會輸出的同頻串擾信號。

圖4 輸入信號-30 dBm 時AD采集結果Fig.4 A/D sampled data -30 dBm power input

圖5 輸入信號-35 dBm 時AD采集結果Fig.5 A/D sampled data -35 dBm power input

另外，因各AD通道直流偏移值不同，使同頻串擾信號消失所對應的輸入信號功率點也不相同(下文將該輸入信號功率值稱為臨界功率點)。本案直流偏移值與臨界功率點大致對應關系見表2。

表2 各AD通道直流偏移值及對應的臨界功率值Table 2 Critical power value vs different channel DC-offset

以本案和路AD為例，在和路信號變小到-31 dBm以下時，因數據全部變成正數，泄露到其他通道的同頻串擾信號迅速消失。而對俯仰和方位路AD來說，該臨界功率點分別為-27 dBm和-28 dBm，這在圖1測試數據中得到印證。

若考慮噪聲影響，對功率過小(比如小于-35，-40 dBm)且功率還沒有達到臨界功率點的小信號，其符號位翻轉會受噪聲的影響而出現隨機特性，輸出的同頻串擾信號功率也會隨信噪比下降而緩慢下降。

3 提升隔離度指標的具體方法

由以上分析過程可知，影響隔離度指標的因素是多方面的，若要提升隔離度指標必須針對每個影響因素均采取抑制措施，以下為本項目提出的提升隔離度指標的具體方法。

3.1對AD輸出的數據位進行編碼輸出

由第2節分析可知，在小信號時符號位過多，符號位的同步翻轉會帶來較強的與輸入信號同頻的干擾，為了抑制這個干擾，采取措施如下：利用AD數據輸出的最低位與其他位進行異或編碼操作，由于最低位的隨機性，其頻譜也必然沒有固定雜散，因此符號位與最低位異或后也變得隨機，從而打亂了原有的周期性，抑制了同頻干擾，在FPGA內部接收數據時將數據進行解碼利用即可。

3.2改變AD輸出的數據電平形式

由第2節分析可知，由于AD輸出采用的是CMOS電平單端輸出，信號的只有通過地平面才能回流到驅動端，這樣信號在回流時就會因為地平面而帶來串擾，因此將AD的數據輸出方式改為LVDS電平差分輸出，由于LVDS的低擺幅和部分回流自閉環特性，對地平面的干擾顯著降低，從而很大程度上抑制了同頻信號的串擾。

3.3對地平面進行合理的分割和分布[13-15]

AD的模擬通道部分(信號調理電路部分)通過的為模擬信號，在小體積多通道的情況下，通道間的串擾難以避免，為了抑制模擬通道間的串擾需要采取以下措施：在AD的采樣通道的上下方向盡量多的分配地平面，每個通道的左右方向也交錯的打雙過孔(地屬性)進行隔離，使得串擾的幾率降到最低。

4 結束語

本文結合具體案例對A/D采樣通道間隔離度惡化趨勢進行了詳細的分析和論證，并針對不同的影響因素找到了針對地解決方法，通過多項解決措施地共同實施，本案例最終的隔離度指標在全溫度范圍及全動態范圍內提升到50 dB以上，使得小信號情況下的目標失調角的測量更加穩定和精確。

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InfluencingFactorandPromotingMethodofRadarSignalProcessor

GENG Ji

(The Air to Air Missile Academy of China，Henan Luoyang 471009，China)

Whenever PD radar measures a target's angle, especially at the situation of small-angle and small-signal, the worsening of multichannel isolation indicator can influence angle measure precision of radar. The primary influencing factor of interchannel isolation is analyzed and a specific promoting method is found. Thereby, the angle measure precision of radar is effectively guaranteed and promoted.

PD radar；isolation；small-signal；small-angle；angle measure precision；multichannel sample

2016-12-15；

2017-02-14

耿籍(1974-)，男，遼寧本溪人。高工，碩士，主要從事雷達導引頭嵌入式計算機設計。

通信地址：471009 河南省洛陽市030信箱7分箱E-mail：ji_geng@sina.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2017.05.019

TN958.2;TN957.51

A

1009-086X(2017)-05-0120-05