基于雷達(dá)的串聯(lián)接收校正網(wǎng)絡(luò)和校正方法的研究

宋 慧 李 飛

(武漢濱湖電子有限責(zé)任公司 武漢 430205)

0 引言

在微波信號(hào)接收通道中包括高放、混頻、中放、A/D芯片等模擬器件，不同接收通道由于制造工藝或電器性能的不同，不可避免地存在特性上的差異，帶來各通道幅度響應(yīng)和相位響應(yīng)的不一致性，每個(gè)通道幅度響應(yīng)和相位響應(yīng)的不同會(huì)造成后續(xù)信號(hào)處理時(shí)，對(duì)副瓣對(duì)消和數(shù)字波束形成(DBF)性能有較大影響，精度較低，進(jìn)而影響對(duì)信號(hào)中目標(biāo)的提取[1]。

現(xiàn)有對(duì)不同接收通道相位與幅度校正裝置為：校正模塊產(chǎn)生1路標(biāo)準(zhǔn)波形，通過功分器產(chǎn)生多路并行波形，并分別送給多個(gè)校正網(wǎng)絡(luò)，多個(gè)校正網(wǎng)絡(luò)輸出的信號(hào)分別送給多路接收通道，多路接收通道輸出的信號(hào)分別送給多路AD模塊，通過AD模塊采集該信號(hào)并計(jì)算相位與幅度偏移量，從而對(duì)接收通道進(jìn)行幅度和相位的校正。但是對(duì)于數(shù)百個(gè)甚至上千個(gè)接收通道來說，需要復(fù)雜的功分器，不但需要很大的空間來安裝功分器，而且需要成百上千根等長(zhǎng)的電纜來連接功分器與校正網(wǎng)絡(luò)，而為了確保不同接收通道接收的信號(hào)一致，需要以最長(zhǎng)的為基準(zhǔn)，造成每一個(gè)分支的線路長(zhǎng)、衰減大、成本高。功分器與電纜價(jià)格不菲，且安裝功分器、連接電纜耗時(shí)耗力[2]。

本文提出的串聯(lián)接收校正網(wǎng)絡(luò)是一種價(jià)格便宜、安裝簡(jiǎn)單的多通道校正裝置，便于工程應(yīng)用。

1 串聯(lián)接收校正網(wǎng)絡(luò)

本文提出的串聯(lián)接收校正網(wǎng)絡(luò)，包括校正模塊、N個(gè)校正網(wǎng)絡(luò)、N個(gè)接收通道、N個(gè)AD模塊，N為自然數(shù)，N大于等于2。串聯(lián)接收校正網(wǎng)絡(luò)采取串聯(lián)方式連接，校正網(wǎng)絡(luò)的各輸出端分別連接各接收通道的輸入端。

校正模塊產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)波形，并輸出給校正網(wǎng)絡(luò)1，N級(jí)校正網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)在一起，即第1級(jí)校正網(wǎng)絡(luò)輸出的信號(hào)送給第2級(jí)校正網(wǎng)絡(luò)，第2級(jí)校正網(wǎng)絡(luò)輸出的信號(hào)送給第3級(jí)校正網(wǎng)絡(luò)，……，第N-1級(jí)校正網(wǎng)絡(luò)輸出的信號(hào)送給第N級(jí)校正網(wǎng)絡(luò)。每一個(gè)校正網(wǎng)絡(luò)輸出口分別對(duì)應(yīng)連接接收通道輸入口，接收通道輸出口對(duì)應(yīng)連接AD模塊，每個(gè)接收通道包括移相器、衰減器，AD模塊采集對(duì)應(yīng)接收通道信號(hào)，AD模塊輸出與對(duì)應(yīng)的移相器、衰減器連接。串聯(lián)接收校正網(wǎng)絡(luò)組成框圖如圖1所示。

圖1 串聯(lián)接收校正網(wǎng)絡(luò)組成框圖

串聯(lián)接收校正網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)：

1)各級(jí)校正網(wǎng)絡(luò)采用串聯(lián)方式連接，后級(jí)的信號(hào)幅度會(huì)減小，對(duì)后級(jí)接收通道進(jìn)行了保護(hù)，無形間增加了設(shè)備的壽命，采用以往并聯(lián)的方式，接收通道極其容易損壞。而采用本發(fā)明的裝置后，第一個(gè)接收通道的可靠性與并聯(lián)的方式一樣，其他接收通道在工作過程中，可靠性大幅提高，極大的降低了設(shè)備維修成本。

2)相鄰校正網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立設(shè)計(jì)，電纜連接可以很短，甚至只需要連接器即可，這樣衰減很小，既降低了成本，又能確保可以連接多級(jí)校正網(wǎng)絡(luò)。

3)不需要安裝大量的功分器與功分電纜，減少了設(shè)備安裝工作量。

4)不需要安裝大量的功分器與功分電纜，節(jié)約了大量的空間與制造成本。

5)不需要安裝大量的功分器與功分電纜，減輕了設(shè)備重量。

2 串聯(lián)接收校正方法

校正網(wǎng)絡(luò)輸出口與接收通道輸入口連接，當(dāng)校正模塊發(fā)送校正信號(hào)后，每一個(gè)接收通道進(jìn)行接收相位校正和接收幅度校正，測(cè)試每個(gè)校正網(wǎng)絡(luò)的幅度衰減值，如校正網(wǎng)絡(luò)1至校正網(wǎng)絡(luò)N的幅度衰減值分別為A1至AN；根據(jù)校正網(wǎng)絡(luò)的幅度衰減值確定每一個(gè)AD模塊的放大系數(shù)[3]。下面介紹各接收通道的校正方法。

接收通道1的校正：校正模塊產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)波形(如正弦波)，經(jīng)過校正網(wǎng)絡(luò)1、接收通道1后由AD模塊1采集，在AD模塊1中對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行放大、運(yùn)算處理并獲得相位與幅度誤差，根據(jù)相位誤差值設(shè)置移相器校正值，根據(jù)幅度誤差值設(shè)置衰減器校正值，從而實(shí)現(xiàn)第1個(gè)接收通道的自動(dòng)校正。

接收通道2的校正：校正模塊產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)波形(如正弦波)，經(jīng)過校正網(wǎng)絡(luò)1、校正網(wǎng)絡(luò)2、接收通道2后由AD模塊2采集(幅度小于AD模塊1采集的信號(hào)值)，在AD模塊2中對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行放大、運(yùn)算處理并獲得相位與幅度誤差，根據(jù)相位誤差值設(shè)置移相器校正值，根據(jù)幅度誤差值設(shè)置衰減器校正值，從而實(shí)現(xiàn)第2個(gè)接收通道的自動(dòng)校正。

依次類推，接收通道N的校正：校正模塊產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)波形(如正弦波)，經(jīng)過校正網(wǎng)絡(luò)1、校正網(wǎng)絡(luò)2、校正網(wǎng)絡(luò)3、……、校正網(wǎng)絡(luò)N、接收通道N后由AD模塊N采集(幅度小于AD模塊N-1采集的信號(hào)值)，在AD模塊N中對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行放大、運(yùn)算處理并獲得相位與幅度誤差，根據(jù)相位誤差值設(shè)置移相器校正值，根據(jù)幅度誤差值設(shè)置衰減器校正值，從而實(shí)現(xiàn)第N個(gè)接收通道的自動(dòng)校正。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 接收相位校正

進(jìn)入接收相位校正時(shí)序，首先由校正模塊產(chǎn)生10μs的正弦波形S(t)(正弦波的長(zhǎng)度可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置)，同時(shí)打開所有的接收通道，各路AD模塊采集正弦波形S(t)信號(hào)。AD模塊對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行放大。AD模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大原因及要求為：由于各AD模塊采集的信號(hào)經(jīng)過的校正網(wǎng)絡(luò)級(jí)數(shù)不一致，所以AD模塊1至AD模塊N，采集的信號(hào)幅度依次減小，因?yàn)樵摲炔町惒⒎墙邮胀ǖ缹?dǎo)致，所以各AD模塊需要根據(jù)各級(jí)校正網(wǎng)絡(luò)的幅度衰減值對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字放大處理，如AD模塊3的放大系數(shù)為M3=10A3/10。AD模塊數(shù)字放大處理的流程圖如圖2所示。

圖2 AD模塊數(shù)字放大處理流程圖

然后進(jìn)行數(shù)字下變頻處理[4]，數(shù)字下變頻處理得到I支路、Q支路值，數(shù)字下變頻處理的流程圖如圖3所示。

數(shù)字下變頻處理的具體步驟如下：

首先由NCO產(chǎn)生的-50MHz的本振信號(hào)與A/D變換之后的中頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字混頻，接著進(jìn)行低通濾波[5]、2倍的數(shù)據(jù)抽取，然后進(jìn)行低通濾波、10倍的數(shù)據(jù)抽取輸出10Msps的窄帶I/Q數(shù)據(jù)。

s(t)=a(t)cos[2πf0t+φ(t)]

(1)

其中a(t)為信號(hào)的幅度；f0為中頻信號(hào)的中心頻率；φ(t)為信號(hào)的相位；信號(hào)的帶寬為B。

s(t)=a(t)cos[2πf0t+φ(t)]
=Re{a(t)ejφ(t)ej2πf0t}

(2)

其中a(t)ejφ(t)稱為信號(hào)的復(fù)包絡(luò)，可將其表示為

a(t)ejφ(t)=a(t)cosφ(t)+ja(t)sinφ(t)
=xI(t)+jxQ(t)

(3)

其中，xI(t)和xQ(t)分別稱為信號(hào)復(fù)包絡(luò)的I支路和Q支路，正是數(shù)字變頻得到的兩個(gè)相互正交的分量。

圖3 數(shù)字下變頻處理流程圖

圖3中所示的上支路(簡(jiǎn)稱I支路)乘法器輸出信號(hào)為

s(nTS)×2cos(2πf0nTS)
=a(nTS)cos[2πf0nTS+φ(nTS)]×
2cos(2πf0nTS)
=a(nTS)cos[4πf0nTS+φ(nTS)]+
a(nTS)cos(φ(nTS))

(4)

經(jīng)低通濾波器(LPF)后獲得I支路為

xI(nTS)=a(nTS)cosφ(nTS)

(5)

而下支路(簡(jiǎn)稱Q支路)乘法器輸出信號(hào)為

-s(nTS)×2sin(2πf0nTS)
=-a(nTS)cos[2πf0nTS+φ(nTS)]×
2sin(2πf0nTS)
=-a(nTS)sin[4πf0nTS+φ(nTS)]+
a(nTS)sin(φ(nTS))

(6)

經(jīng)低通濾波器(LPF)后獲得Q支路為

xQ(nTS)=a(nTS)sinφ(nTS)

(7)

3.2 接收幅度校正

進(jìn)入接收幅度校正時(shí)序，首先由校正模塊產(chǎn)生10μs的正弦波形S(t)(正弦波的長(zhǎng)度可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置)，同時(shí)打開所有的接收通道，各路AD模塊采集正弦波形S(t)信號(hào)。AD模塊對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行放大，然后進(jìn)行數(shù)字下變頻處理，數(shù)字下變頻處理得到I支路、Q支路值，求出各通道的接收幅度量

共100點(diǎn)(100點(diǎn)=10MHz×10μs)，取中間80點(diǎn)幅度量的平均值，然后，設(shè)置對(duì)應(yīng)的衰減器(本文的衰減器位數(shù)為6，其中16為最大衰減量為16dB)，完成接收幅度校正，最后，退出校正時(shí)序，恢復(fù)正常工作時(shí)序。

3.3 系統(tǒng)差測(cè)試

在雷達(dá)整架以后，需要進(jìn)行一次系統(tǒng)差的測(cè)試，系統(tǒng)差測(cè)試圖如圖4所示，測(cè)試每個(gè)端口的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀與測(cè)試電纜相同。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出一個(gè)掃頻信號(hào)到校正網(wǎng)絡(luò)1的輸入口上,矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸入口分別在校正網(wǎng)絡(luò)1與天線陣子1的連接口處、校正網(wǎng)絡(luò)2與天線陣子2的連接口處、校正網(wǎng)絡(luò)3與天線陣子3的連接口處、……、校正網(wǎng)絡(luò)N與天線陣子N的連接口處測(cè)試。將測(cè)試頻段內(nèi)的相位系統(tǒng)差和幅度系統(tǒng)差記錄下來，并將系統(tǒng)差存入AD模塊的FLASH中。

圖4 系統(tǒng)差測(cè)試圖

3.4 接收相位/幅度補(bǔ)償效果

接收相位校正或接收幅度校正完成后，AD模塊的相位值補(bǔ)償：減去相位校正值，并加上相位系統(tǒng)差值；AD模塊的幅度值補(bǔ)償：減去幅度校正值，并加上幅度系統(tǒng)差值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)N個(gè)接收通道的自動(dòng)校正。

串聯(lián)接收校正前后波形的對(duì)比如圖5所示，校正前波形相位和幅度都不同，先校正相位，然后再校正幅度。在具體操作時(shí)，也可以先校正幅度，后校正相位。

圖5 校正前后波形對(duì)比圖

4 結(jié)束語