單站無源定位系統對消電路設計

趙巖

（中國西南電子技術研究所四川成都610036）

單站無源定位系統對消電路設計

趙巖

（中國西南電子技術研究所四川成都610036）

針對單站無源定位系統中偵收通道內直達波干擾信號的影響問題，設計了一種自適應對消電路方案。通過對對消電路的數學模型進行分析結合仿真驗證，提出一種相位、幅度分步驟調節的實現方案。該方案控制邏輯簡單、電路易于實現，并進行了電路實際測試。測試結果表明，電路可實現31 dB的對消比。

無源定位；射頻對消；自適應；對消比

無源相干定位PCL（Passive Coherent Location）系統，其本身不輻射電磁波，而是利用外部已知信號作為輻射源，如廣播電臺、電視臺等信號對飛機、導彈等空中機動目標進行探測[1]。由于其自身不主動輻射電磁波，其隱身性較好[2-4]，戰場生存能力強。另外，由于其無需發射裝置，所以系統體積小、成本相對較低[5]。此外，由于其定位所采用的輻射源具有頻率低的特點，其對隱身目標具有很好的探測效果[6]。

對于利用調頻廣播信號的無源相干定位系統，由于廣播信號多使用全向天線，接收機接收的目標回波信號遠小于直達波干擾信號[7-8]，這對數據處理部分的ADC芯片動態范圍指標壓力很大。因此，需要設計相應的對消電路削弱直達波干擾信號，進而降低ADC芯片的動態范圍指標要求，減小數據處理壓力[9]。

1 對消電路數學原理分析

理想情況下的對消是通過對消電路產生和干擾信號幅度相同、相位相反的對消信號，并將其與干擾信號矢量相加，達到消除干擾的目的。實際情況下，對消電路產生的對消信號同理想對消信號之間存在一定的幅度差和相位差。如圖1所示。

圖1 對消矢量圖

在實際電路中，假設干擾信號U1，實際對消信號為同理想的對消信號的誤差相位為Δθ，因此其不能完全消除干擾信號，與干擾信號會產生一個對消剩余矢量Ue，評價對消電路對消效果的指標為對消比，dB形式的對消比公式為:

根據圖1所示，可以得出Ue同的關系為:

將式（2）帶入式（1），則對消比和對消信號和誤差相位之間的數學關系如下式:

由式（4）得出對消比同幅度誤差ΔA及相位誤差Δθ之間的關系，如圖2所示。

圖2 幅度誤差、相位誤差與對消比之間關系

因此，從上圖可以看出，對消比受相位誤差與幅度誤差綜合因素影響。根據式（4）計算，若要達到30 dB的對消比，當幅度一致時，即ΔA=0時，相位誤差要控制在以內。當相位一致時，即Δθ=0時，幅度誤差要控制在±0.4 dB之內。實際電路設計中，無論是幅度或者相位都無法做到誤差為0，因此實際的對消比要根據器件的準確度進行具體仿真計算。

2 對消方案對比

基本的開環對消電路思路很簡單，先測得偵收通道干擾信號和參考通道的直達波信號之間的幅度差和相位差，根據測試結果，選定衰減器和移相器的衰減值和移相值，再將調節后的信號通過合成器與偵收通道的干擾信號進行合成，達到對消的目的。由于此對消電路不具備自適應調節功能，不利于多站批量生產裝配。且即使在同一定位站，受天氣因素等外部環境的影響，到達對消電路偵收通道和參考通道的信號幅度和相位差都會有一定的波動，因此多應用于直達波干擾路徑且不受外部環境影響的主動雷達系統[10]。

在單站無源定位系統中，一般采用閉環自適應對消系統，一種典型的自適應對消電路如圖所示[11]。

圖3 一種自適應對消電路

這種對消電路包含兩個自適應對消環路。一個是幅度對消環，一個是相位對消環。由于在調節壓控衰減器及壓控移相器過程中，信號的相位、幅度信息還會產生變化，因此對消環路要經過多個遞歸過程，才能達到對消比要求。圖3中的對消電路是純模擬電路的對消電路，隨著軟件無線電技術、DSP、FPGA技術的發展，數字處理芯片被引入到對消電路中，可以采用數字-模擬結合的方式[12]，或純數字的方式[13]達到更加好的對消效果，也減小了設備體積，但是由于DSP、FPGA等器件的引入，提高了對消設備的成本。

通過對式（4）分別對Δθ及ΔA求偏導，得

令式（5）為0，可知，對消比D在 Δθ位于[0，360）區間內內有且僅有一個極值點，即當Δθ=0時，D處于極值，與無ΔA關。令式（6）為0，可知，對消比D在 ΔA=20lg(cosΔθ)時，處于極值點，但是當 Δθ位于[180，360）區間內時，ΔA=20lg(cosΔθ)為負值。但是無源定位體制中，由于系統設計上均認為參考通道的直達波信號大于偵收通道的干擾信號，故ΔA肯定為大于0的某值，即此時無論如何調節ΔA，均無法達到對消比D的極值點。通過上述分析可以得出如下結論:在對消電路中，無論初始相位差值和幅度差值是多少，在[0，360）區間內調節移相器，總會找到一個最佳的Δθ，此時對消比最大。但當初始相位差Δθ不確定的前提下，調節數控衰減器，不一定能找到對消比最大的衰減值，僅當Δθ位于[0，180]區間內時，調節數控衰減器可以找打對消比最大的點。應此，在實際設計電路過程中，根據上述分析結論，在對消電路調節過程中，應先調節數控移相器，再調節數控衰減器。

3 電路設計

通過上述分析可知，為提高對消電路的對消能力，對幅度和相位的控制調節應當按一定的順序進行，否則在某些初始相位差條件下，可能導致對消失敗。基于此，提出一種控制邏輯簡單、不需要DSP、FPGA等芯片的對消電路，如圖4所示。在對消的過程中，通過判斷對消比的變化趨勢，檢測對消后輸出信號幅度，找到對消比極值點的方法，按照首先調節對消信號和干擾信號相位差，然后再來調節對消信號的幅度差的方式，最終達到對消的目的。

圖4 對消方案框圖

如圖4所示，參考通道的信號，經過數控衰減器和數控移相器后，同偵收通道的信號通過合成器進行合成。合成后的信號經過包絡檢波器后輸出，記包絡檢波器輸出為A路，對A路的電壓信號經AD采樣采集信號的電壓信息，此電壓信息的大小直接反應對消比的大小，電壓越小，說明輸出信號功率越小，對消比越大。再經過單片機簡單的判斷比較，根據一定的控制邏輯對數控衰減器和數控移相器進行控制。

A路電壓信號的數據處理過程如下:

1）初始狀態下數控衰減器的衰減值設為0 dB，數控移相器的移相值設為0°。采集A路信號的電壓信息，作為電壓初值。

2）調節數控移相器，按移相器最小步進增加移相值，調節數控移相器從0°到360°變化，在調節過程中，采集并記錄A路信號的輸出電壓值。遍歷調節完成后，將移相器的移相值調節至A路輸出電壓值最小的位置。

3）調節數控衰減器，從0 dB開始依衰減步進增加，在增加過程中采集并記錄A路信號的輸出電壓值。遍歷調節完成后，將衰減器的衰減值調節至A路輸出電壓值最小的位置。

經過上述調節后，對消比應當已經達到極值點。但是實際電路中，根據移相器和衰減器的實現原理[14-15]，在移相器、衰減器調節過程中會引入損耗及相位的變化，應進行修正。

4）在當前移相值和衰減值處，按最小步進增大和減小衰減值，取A路電壓值最小值固定移相值和衰減值此時對消完成，達到最佳對消效果。

4 仿真分析

結合目前數控衰減器及數控移相器器件能力，比較常見的30 dB動態范圍的數控衰減器的最小步進為0.5 dB，8位數控移相器移相精度為1.4°。根據這些器件實際情況，并隨機設置參考通道輸入信號為0 dBm，偵收通道信號為-20 dbm。兩路信號初始相位差為143.5°建立仿真模型。通過ADS軟件的tune調諧功能，按照上文分析的對消調節步驟移相器和衰減器進行控制。對消結果仿真如下圖所示，可以看出，最終對消比為45.9。由仿真結果可以看出，按照本方案設計，選用目前常見器件，可以達到30 dB以上對消比。

5 實際電路測試

根據上述分析及仿真結果，設計加工對消電路。電路由數控移相器、數控衰減器、單片機、檢波器、合成器等主要器件構成，制成后的對消電路單元大小為19寸1U標準插箱。電路上電后，自動開始對消過程，可通過CAN總線對對消狀態進行實施監控。實際電路測試結果如下。

6 結束語

單站無源定位技術具有巨大的應用前景，而與之相應的對消技術的發展對其影響巨大。本文從對消電路的基本數學原理入手，提出了相位、幅度分步驟調節的對消電路實現方式。通過電路實際測試，驗證了方案的正確性，為對消電路的實現方式，提供了一種自適應、易實現、低成本的解決方案。

圖5 分步調節對消比仿真結果對消比

圖6 對消前、后干擾信號和回波信號對比

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Cancellation circuit design of single station passive location system

ZHAO Yan
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu610036，China）

In order to suppress the direct path interference of surveillance channel on passive radar，an automatic self-adaptive cancellation solution circuit is brought forward.Base on the mathematical models and result of simulation，phase and amplitude should adjust in steps.The control logic is simple and the circuit is easy to realize.Measurement results show that the actual circuit can achieve 31 dB cancellation ratio.

passive locating；RF cancellation；self-adaptive；cancellation ratio

TN952

B

1674-6236（2017）23-0151-04

2016-10-17稿件編號：201610084

趙巖（1988—），男，遼寧新民人，碩士，工程師。研究方向：射頻微波電路。