直接變頻技術(shù)在雷達中的應(yīng)用研究

吳遠斌

(南京電子技術(shù)研究所 南京 210039)

1 引言

直接下變頻接收機直接將從天線接收到的射頻信號下混到基帶，去除了中頻級，即中頻為零，故而也稱為“零中頻接收機”[1-10]。它將射頻信號與相互正交的兩路本振信號分別混頻，進行正交下變換，形成相互正交的I/Q兩路基帶信號，然后在基帶進行放大、濾波和A/D變換，在數(shù)字域內(nèi)利用數(shù)字信號處理方法進行數(shù)字后處理。它的逆變換就是直接上變頻，可用于激勵發(fā)射，結(jié)構(gòu)簡單，可完全集成在一起，成為單片多路收/發(fā)芯片。這里統(tǒng)稱為直接變頻技術(shù)。

直接下變頻接收機在幾十年前就已經(jīng)發(fā)明，但由于過去落后的制造工藝帶來無法克服的性能缺陷，致使直接下變頻接收機一直未能在工程中實用化。采用分離器件做成的直接下變頻接收機，正交混頻器、I/Q通道是由模擬器件構(gòu)成的，工作在基帶，采用直流耦合，眾所周知，模擬器件工作時電壓、電流值是連續(xù)時間變化的，對溫度環(huán)境變化非常敏感，同時又是非理想的線性器件，因而輸出直流零漂大、I/Q通道具有幅相失配誤差，且有非線性失真。直流零漂大會嚴重影響接收機的動態(tài)范圍，I/Q通道的幅相不一致性誤差會產(chǎn)生鏡頻干擾，還有偶階失真，使接收機的抗干擾能力變差。這些問題嚴重影響了直接下變頻接收機的使用，致使工程中多以失敗而告終。

隨著現(xiàn)代集成電路技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字信號處理技術(shù)的應(yīng)用，過去阻礙直接變頻技術(shù)應(yīng)用的很多問題現(xiàn)在已經(jīng)得到解決，直接變頻技術(shù)的應(yīng)用已由不可能變?yōu)榭赡堋Ｌ貏e是采用全數(shù)字后處理的辦法[11-13]，能夠?qū)ο苯幼冾l電路的非線性失真和鏡頻干擾。該方法能在接收機正常工作時不需要任何先驗信息的情況下抵消絕大多數(shù)直接下變頻接收機的關(guān)鍵失真。加強的對消性能是在考慮強信號輸入時引入帶內(nèi)和鄰道失真時取得的。這種方法已經(jīng)通過仿真和實物測試有效。直接下變頻體制接收機當今已廣泛應(yīng)用于通信市場，如手機、手機基站、衛(wèi)星接收機和GPS接收機等，具有成本極低、體積小、結(jié)構(gòu)簡單和高度集成化的特點。目前已有多家公司推出多種采用直接變頻技術(shù)的芯片，如AD公司最新推出ADRV9009，還有兩年前的AD9371/AD9375系列芯片，性能非常先進，集成度非常高，已可應(yīng)用于雷達系統(tǒng)。

2 直接下變頻技術(shù)

直接下變頻接收機實際上有兩種方式，一種是射頻采樣，然后在數(shù)字域內(nèi)進行數(shù)字下變換和數(shù)字濾波，即“全數(shù)字式接收機”[14-16]，其原理如圖1所示。全數(shù)字化是現(xiàn)代接收機要實現(xiàn)的終極目標，它順應(yīng)了接收機中A/D變換器越來越靠近天線端的發(fā)展趨勢。其射頻前端通常需要采用可調(diào)諧濾波器或是開關(guān)選擇的濾波器組，以及超寬帶的低噪聲放大器，對于工作在幾GHz或者幾十GHz的微波雷達，用于射頻采樣的A/D變換器，其采樣頻率要求超過幾十GHz/s，而且需要具有足夠的動態(tài)范圍，這在目前仍無法實現(xiàn)。

另一種直接下變頻接收機即為零中頻接收機，采用模擬下變頻和低通濾波。其原理如圖2所示。射頻信號與相互正交的兩路本振信號分別混頻，進行正交下變頻，形成相互正交的I/Q兩路基帶信號，然后在基帶進行放大、濾波和A/D變換，在數(shù)字域內(nèi)利用DSP方法進行非線性校正和濾波處理。

圖1 全數(shù)字式雷達接收機原理框圖

圖2 直接下變頻接收機原理框圖

比較圖1和圖2可見，全數(shù)字式接收機和零中頻接收機的原理框圖完全一樣，只不過A/D變換器的位置不同，一個是在數(shù)字域內(nèi)進行直接下變換，一個是在模擬域內(nèi)進行直接下變換。它們的性能各有優(yōu)缺點，其差別主要在于：全數(shù)字式接收機沒有零漂，也沒有低頻散彈噪聲影響，數(shù)字處理的I/Q通道鏡頻非常小，不用考慮其干擾，但對于有一定工作帶寬的雷達系統(tǒng)，接收機的射頻前端帶寬寬，動態(tài)范圍小，干擾多。零中頻接收機則正好相反，有零漂，有低頻散彈噪聲影響，模擬I/Q通道存在幅相不一致性誤差，但頻率選擇性好。本文討論的直接下變頻技術(shù)專指零中頻接收機。

直接下變頻接收機相對于超外差式接收機，由于去除了中頻級，所以它具有以下優(yōu)點：

直接下變頻省去了抑制鏡頻的前置濾波器，同時省去中頻級和中頻濾波器，使部件數(shù)量大為減少，減少的都是大體積的、價格昂貴的和無法集成的部件。去掉這些部件，接收機就可以大規(guī)模集成。在通道中設(shè)置前置濾波器的主要目的是抑制大功率的發(fā)射信號，防止通道堵塞。

直接下變頻的集成化程度可大幅提高，I/Q支路解調(diào)輸出的低通濾波器可以用模擬集成電路實現(xiàn)；整個直接下變頻、I/Q模擬處理，A/D變換器均可集成在一起，成為單片接收機。

對信號的放大主要發(fā)生在基帶，這進一步降低了能耗。

直接下變頻接收機的輸出是I/Q兩路基帶信號，頻譜在低頻端，經(jīng)濾波、放大后可以用較低的采樣頻率進行A/D采樣。

直接下變頻接收機存在的許多性能問題，現(xiàn)在已可以通過集成電路工藝和全數(shù)字后處理的辦法解決。例如，采用全帶寬自適應(yīng)數(shù)字對消辦法進行處理，這是一種全數(shù)字的線性化，不需要任何附加的硬件設(shè)備，它能夠自適應(yīng)對消直接下變頻接收機的大部分非線性失真和鏡頻干擾。該方法能在接收機正常工作時不需要任何先驗信息的情況下抵消絕大多數(shù)直接下變頻接收機的關(guān)鍵失真。很強的對消性能是在考慮強信號輸入時引入帶內(nèi)和鄰道失真時取得的。對于直流偏移，可采用直流反饋校正電路去零漂；I/Q兩路幅相一致性誤差和相位正交性誤差也可采用專門的校正電路進行修正，這些校正電路現(xiàn)均已集成在直接下變頻接收機芯片內(nèi)。

直接下變頻接收機芯片由高線性度雙平衡I/Q混頻器、本振正交發(fā)生器和由混頻器輸出端驅(qū)動的I/Q基帶緩沖放大器等組成，信號耦合均為差分形式。先進的集成電路技術(shù)可使雙平衡混頻器具有較高的輸入2階和3階互調(diào)截點，輸出端的線性度比較平直，可以降低接收機對高電平調(diào)幅干擾的靈敏度，即使有強干擾存在，產(chǎn)生的交叉調(diào)制也在允許的范圍內(nèi)，混頻器的射頻信號和本振信號均采用差分輸入，可以對在接收機前端產(chǎn)生的2階非線性失真具有較高的共模抑制。散彈噪聲是低頻段大，10 kHz以后就小了，所以在使用時低頻段要抑制，I和Q支路的視頻放大部分增益不能太高，采用先進的集成電路工藝能顯著降低散彈噪聲。本振信號對天線和接收機前端的電磁輻射，引起的干擾是產(chǎn)生直流偏移的一個原因，稱為自混頻。通常采用本振輸入是本振頻率本身(等于信號頻率)的2倍，降低自混頻的影響。在設(shè)計布局和屏蔽上采取嚴密措施，防止本振信號直接泄漏到接收機的輸入端。

通過采取上述措施，很好地解決了直接下變頻體制所存在的問題：通過零點自適應(yīng)校正使得零點漂移大幅下降，低至≤-75 dBFS，通過全帶寬自適應(yīng)數(shù)字對消辦法使得I/Q鏡頻抑制度≥75 dB，非線性IIP2≥65 dBm，偶階失真很小，本振泄漏也非常 小。

3 直接下變頻在雷達中的應(yīng)用研究

采用直接下變頻接收機技術(shù)，常用的雷達處理流程如圖3所示[17]。

脈沖調(diào)制的線性調(diào)頻是一個常用的雷達信號波形，設(shè)射頻回波信號為S (t)=A(t)cos[2πfRFt+φ(t)]，射頻信號與相互正交的兩路本振信號分別混頻，本振信號頻率等于發(fā)射信號的載波頻率，這樣直接下變頻到基帶，形成相互正交的I/Q兩路基帶信號，用復(fù)數(shù)形式表示為

其中，X (t)是 我們需要的目標信號，Xmr(t)是由于I/Q通道的幅相不一致性誤差產(chǎn)生的鏡頻干擾，diq表 示直流零漂。設(shè)fd為多普勒頻移。經(jīng)過FFT，在頻域可表示為

在頻譜上可觀察到返回信號多普勒頻率、鏡頻、直流零漂，還能看到2階、3階非線性失真分量。對于線性調(diào)頻信號

然后通過匹配濾波器，其傳輸函數(shù)等于信號頻譜的復(fù)共軛，匹配濾波器的脈沖響應(yīng)為h(t)=kX(-t)，即

匹配濾波器的輸出信號為

這個匹配濾波既可在時域計算，也可在頻域計算。設(shè)線性調(diào)頻信號的帶寬為B，脈寬為T，經(jīng)過上述匹配濾波后線性調(diào)頻信號就壓縮為窄脈沖，窄脈沖上有多普勒頻移調(diào)制，壓縮比為BT。因此，經(jīng)過脈沖壓縮后回波信號會產(chǎn)生脈壓得益10lg(BT)。再通過FFT等運算，就得到目標信號的多普勒距離信息。顯然，由于I/Q通道的幅相不一致性誤差產(chǎn)生的鏡頻 Xmr(t)與匹配濾波器的傳輸函數(shù)并不匹配，因此，匹配濾波后，鏡頻抑制比會增加10lg(BT)。設(shè)接收機的鏡頻抑制比為IRR，則最后信號處理輸出的距離多普勒圖上鏡頻抑制比為IRR+10lg(BT)。

最近幾年，低成本的直接下變頻接收機技術(shù)已普遍應(yīng)用于通信領(lǐng)域，如手機、手機基站、衛(wèi)星接收機和GPS接收機等，具有成本極低、體積小、結(jié)構(gòu)簡單和高度集成化的特點。直接下變頻接收機的性能得到極大提升?，F(xiàn)已有成熟的貨架商品出售，如AD公司的ADRV9009。我們采用ADRV9009制作了一個工作于S波段的雷達試驗系統(tǒng)。將ADRV9009加上低噪放、濾波器和功放后，就能構(gòu)成一個具有雙發(fā)雙收通道的數(shù)字式T/R組件，因為其對外接口均為數(shù)字量，故稱為數(shù)字式T/R組件，其硬件組成如圖4所示。

圖3 常用的雷達處理流程圖

圖4 直接變頻雷達框圖

由圖4可見，采用零中頻技術(shù)的雙發(fā)雙收通道的數(shù)字式T/R僅需少數(shù)幾個外圍器件，可布置在一個很小的空間內(nèi)，且?guī)в懈髯元毩⒌念l綜系統(tǒng)，可實現(xiàn)分布式頻率源和頻率分集。

4 采用直接下變頻技術(shù)的雷達系統(tǒng)性能

ADRV9009工作頻率：75 MHz～6 GHz，單芯片內(nèi)具有雙發(fā)雙收通道，再外加2個觀察通道，片內(nèi)已集成IQ解調(diào)/調(diào)制、A/D和D/A等功能，對外采用數(shù)字高速接口，每個收/發(fā)/觀察通道均具有自適應(yīng)的直流零漂校正、正交誤差校正、非線性校正和可變帶寬濾波功能，接收帶寬最大200 MHz；發(fā)射帶寬最大450 MHz。接收通道噪聲系數(shù)NF≤12 dB; I/Q鏡頻抑制度IRR≥75 dB; IIP3≥12 dBm;IIP2≥62 dBm；零點漂移≤-75 dBFS; I/Q輸出數(shù)據(jù)位數(shù)16位；增益控制范圍0～30 dB，步進0.5 dB，其原理框圖如圖5所示。

我們采用以下參數(shù)進行試驗：線性調(diào)頻信號的帶寬為B=10 MHz，脈寬為T=20μs, fd=1 kHz，采集了200個脈沖進行處理，最后測得的距離多普勒圖如圖6所示。在頻譜上可觀察到信號鏡頻、直流零漂，還能看到2階、3階非線性失真分量對雷達性能的影響。在-fd處產(chǎn)生了1個虛假目標，但幅度很小，低于真實目標IRR+10lg(BT)=75+23=98 dB,2階、3階非線性失真分量也低于真實目標90 dB，由于直流零漂所限制的SFDR達到了75 dB以上。真實的雷達接收機有內(nèi)部噪聲，A/D變換器的動態(tài)范圍也不高，能做到的整機SFDR也就在75 dB左右，因而由直接下變頻技術(shù)帶來的性能因素對雷達的目標檢測影響非常小。

采用直接下變頻技術(shù)的雷達T/R組件與傳統(tǒng)的射頻T/R組件相比，具有以下優(yōu)點：成本低，體積??；降低了對復(fù)雜饋線系統(tǒng)的要求；在數(shù)字域內(nèi)實時延時，可采用DBF技術(shù)；易于實現(xiàn)接收本振和發(fā)射信號波形匹配；在一個重復(fù)周期內(nèi)易于實現(xiàn)多個復(fù)雜波形；便于實現(xiàn)頻率分集。

現(xiàn)代相控陣雷達越來越多地采用DBF體制，因而采用的接收機路數(shù)越來越多，有的甚至已達近萬個通道，這時必須對接收機的體積、成本、可靠性進行綜合考慮。接收機采用超外差式的結(jié)構(gòu)已經(jīng)有超過70年的歷史，在1990年以前它還是唯一最好的方法，直接下變頻接收機的應(yīng)用僅僅只有理論上的可行性。隨著現(xiàn)代集成電路技術(shù)的發(fā)展，過去阻礙直接下變頻接收機應(yīng)用的很多問題現(xiàn)在已經(jīng)得到解決，直接下變頻接收機的應(yīng)用也已由不可能變?yōu)榭赡?。直接下變頻技術(shù)也必將成為雷達技術(shù)的一個發(fā)展方向。

采用ADRV9009做雷達數(shù)字式T/R組件，接收機的噪聲系數(shù)、增益、動態(tài)范圍、帶寬等技術(shù)指標均可達到常規(guī)雷達接收機指標，而體積、成本遠小于常規(guī)雷達接收機。而以往直接下變頻接收機所存在的問題已不再限制雷達性能，如零點漂移和I/Q鏡頻均在75 dB以下，已能滿足雷達的動態(tài)性能要求。

圖5 采用直接變頻技術(shù)的多路收/發(fā)芯片

圖6 距離多普勒圖

對于相控陣應(yīng)用，假如整個天線陣面有N個單元，每個天線單元均連接數(shù)字T/R，每個天線單元接收到的信號功率與同樣增益的單天線、單路接收機系統(tǒng)相比，其接收到的信號功率只有后者的1/N，因而每個天線單元通道中的接收機動態(tài)范圍要求可降低10lgN(dB)。此外，目前絕大多數(shù)相控陣雷達均采用脈沖壓縮信號，且采用數(shù)字脈沖壓縮，在接收模擬通道中，接收回波信號尚未進行壓縮，回波信號還低于噪聲電平，因此，對脈沖壓縮比為BT的信號，對單元通道接收機動態(tài)范圍的要求又可降低10lgBT(dB)。例如，若對接收機總的動態(tài)范圍要求為100 dB，則當天線單元數(shù)N=1000，脈沖壓縮比為1000時，對單元通道接收機動態(tài)范圍的要求可降低為40 dB。接收機還能通過STC、雜波圖等措施進一步壓縮動態(tài)范圍要求。在雷達陣列信號處理中，單個組件的零點漂移和I/Q鏡頻均在75 dB以下，波束合成后也不會影響雷達的信號檢測。

直接下變頻接收機最重要的優(yōu)點就是可以全集成化，省去了傳統(tǒng)雷達接收機中的多級頻率變換電路，其混頻、放大、濾波、正交相移、可變本振源、I/Q兩路的ADC及發(fā)射通道均可集成在一個芯片內(nèi)，而且其工作頻率可以跨越多個波段，形成寬帶 接收機。

5 結(jié)束語

本文對直接變頻技術(shù)在雷達中的應(yīng)用進行了研究，并用一個真實的直接變頻雷達進行了試驗驗證，最后測試的雷達性能表明，直接變頻技術(shù)能夠應(yīng)用于雷達系統(tǒng)。直接變頻雷達成本低、體積小、可以全集成化，做成單芯片雷達[18]，并且可以實現(xiàn)探測、干擾、偵察、通信多功能一體化[19,20]。因此，直接變頻技術(shù)也將成為雷達技術(shù)的一個發(fā)展方向。