探討直接變頻技術在雷達中的應用

張祖紅

（江蘇省南京工程高等職業學校，江蘇南京，211135）

1 問題的提出

直接下變頻接收機的運行原理是在去除中頻級的基礎上將射頻信號發送到基帶，而在去除中頻以后中頻值就為零，進而也可以被稱之為“零中頻接收機”。直接下變頻接收機在運行的時候分別與兩路相互正交的本振信號進行混頻，進而有效而出相互正交的I/Q 兩路基帶信號。與此同時，還需要將基帶進行放大、替換，并通過相應的數字信號處理方法進行數字后處理。相對的，下變頻的逆變換就是上變頻，直接上變頻技術具備結構簡單、聚合簡便的優勢，進而與直接下變頻技術統稱為直接變頻技術。直接下變頻接收機發明已經有了較長一段時間，但當時的技術工藝并不支持其穩定運行，而實際應用過程中所展現出來的性能缺陷也導致直接下變頻接收機一直不能得到妥善利用。直接下變頻接收機主要由分離器件構成，而正交混頻器以及I/Q 通道是由模擬器件構成，在實際運行的過程中會采用直流耦合的方式，但模擬器件工作的時候會導致電壓、電流值發生一定的改變，加上在很大程度上還會受到外部溫度環境因素的影響，進而導致輸出直流零漂大、I/Q 通道存在誤差的問題。在這樣的情況下，將會直接影響到接收機的動態范圍，同時進一步減弱接收機的抗干擾能力，這也是直接下變頻接收機無法正常投入使用的最根本的原因。

現階段，現代集成電路技術以及數字信號處理技術的發展已經到了一個新的水平，在這樣的環境下，以往阻礙直接變頻技術應用的問題可以得到妥善解決，直接變頻技術的應用也將會獲得更大的可能性。特別是全數字后處理辦法的應用更是可以在不需要驗證信息的前提下抵消大部分直接下變頻接收機的關鍵失真，同時也進一步獲得了更廣闊的的發展空間。現階段，直接下變頻體制接收機在手機、GPS、衛星接收機等各個通信領域都得到了切實有效的應用，同時也進一步體現出成本低廉、體積小以及集成化程度高的突出優勢。

2 直接下變頻技術分析

就當前的發展水平來看，直接下變頻接收機主要有兩種運行模式，是其中一種是射頻采樣，該模式主要是應通過在一定數字域內完成數字下變換和數字濾波，并由此進一步形成“全數字式接收機”?？傮w來看，“全數字化”是接收機當前的終極發展目標，該技術不僅滿足了A/D 變換器形態的發展趨勢，在濾波器組、低噪聲放大器、微波雷達等方面配備得也更為齊全。但由于“全數字式接收機”對動態范圍提出了較高的要求，因此在當下的技術水平下并不能實現其發展目標。而另一種是模擬變頻和低通濾波，在這樣的模式下，射頻信號與本振信號可以形成相互正交的I/Q 兩路基帶信號，并通過DSP 方法完成非線性校正和濾波處理。就當前的發展水平來看，直接下變頻接收機相較于超外差式接收機最為突出的優勢就是完成了中頻級的去除，但與此同時，該技術的優勢還體現在其他幾個方面：第一，直接下變頻接收機在運行的過程中將前置濾波器、中頻級和中頻濾波器等不必要的部件都直接去除，這不僅顯著縮小了接收機的體積，還進一步縮減了整體需要消耗的成本費用，進而有效實現接收機的大規模集成。第二，在這樣的模式下，直接下變頻的集成化程度可以得到大量提升，直接下變頻、I/Q 模擬處理以及A/D 變換器在完成集成之后可以近似于一個單片接收機；第三，由于放大信號的相關操作主要是集中在基帶上完成的，因此也可以大大減少整體的能耗。在以往直接下變頻接收機運行的過程中都存在很多技術上的問題，當前在集成電路工藝和全數字后處理技術的高速發展下都可以進一步得到解決。以全帶寬自適應數字對消辦法的使用為例，在結合當前技術工藝的基礎上實施該方法可以在不借助附加硬件設備的條件下對直接下變頻接收機的干擾加以消除，有效實現全數字線性化的進一步發展。與此同時，全帶寬自適應數字對消辦法的使用還可以在不需要實現進行消息認證的情況下完成關鍵失真對消。除此以外，直接下變頻接收機芯片由I/Q 混頻器、本振正交發生器等部件組成，同時可以展現出更為先進的集成電路技術，輸出端的線性度較以往相比也更加平直[1]。在這樣的環境下，可以顯著減少接收機對高電平調幅干擾的靈敏度，并將交叉調制控制在可以實現的范圍當中。

3 直接下變頻技術的應用

從直接下變頻技術的的實際應用情況來看，脈沖調制的線性調頻在運行過程中展現的是一個常用的雷達信號波形，在此基礎上設置一個基礎的設射頻回波信號，進而可以用以下的表達式表示：

在此基礎上，射頻信號與相互正交的兩路本振信號進行混頻，而本振信號頻率與發射信號的載波頻率是相等的，進而還可以形成I/Q 兩路基帶信號。在頻譜上還可以進一步對鏡頻、直流零漂等內容進行觀察，并通過匹配濾波器計算出其脈沖響應。

在這樣的情況下，針對匹配濾波的計算范圍將會變得更加廣泛，不僅可以在時域內進行計算，還可以在頻域中完成相應的計算過程。將線性調頻信號的帶寬設為B 而脈寬為T，在經過以上匹配濾波之后整體就可以被壓縮為窄脈沖，其中壓縮比為BT。由此也可以進一步看出，在完成脈沖壓縮以后信號就會產生相應的脈壓得益，這時只需要通過FFT 等運算就可以最終計算出目標信號的多普勒距離信息。但很顯然，因為I/Q 通道的幅相不一致使得匹配濾波器的傳輸函數與鏡頻之間存在著明顯不匹配的情況，因此在完成匹配濾波之后鏡頻抑制比教正常情況下會增加。在這樣的情況下，設接收機的鏡頻抑制比為IRR，這樣最終多普勒圖上鏡頻抑制比就會為IRR+10lg(BT)。

隨著現代集成電路技術以及數字信號處理技術發展水平的不斷提升，直接下變頻接收機技術的應用成本也顯著降低，因此其在通信領域的應用范圍也變得越發廣泛。其中最為突出的應用領域主要包括手機、手機基站、衛星接收機以及GPS 接收機等，并在實際應用的過程中進一步體現出成本低、體積小、結構簡單以及集成化發展水平高的優勢?？紤]到直接下變頻接收機性能的大幅提升，在實驗的過程中，也利用AD 公司的ADRV9009 制作了一個工作于S 波段的雷達試驗系統，并在此基礎上進一步增加了濾波器以及功放等部件，有效構成一個數字式T/R 組件，稱之為數字式T/R 組件。

4 雷達性能分析

完成雷達T/R 組件的構成之后就可以對其進行實驗與應用，在此過程中也可以進一步看出，直接下變頻技術的引入使得雷達T/R 組件的整體性能得到了大幅度地提升。相較于傳統的射頻T/R 組件，雷達T/R 組件的優勢主要體現在以下幾個方面：第一，將一部分不必要的零部件去除以后可以有效縮小整體的體積，同時還大幅降低了其成本消耗；第二，針對復雜饋線系統的要求實現了明顯降低；第三，在原有的基礎上還進一步開發出數字域內實時延時的操作，這樣就可以為DBF 技術提供更加廣闊的應用空間；第四，針對本振信號和發射信號波形匹配接收的難度得到進一步減低；第五，雷達T/R 組件的應用可以在同一個重復周期內實現多個復雜波形，對提升頻率分集效率提供了強有力的支持條件[2]。

現階段，DBF 體制越來越多地被引入到現代相控陣雷達系統當中，在此過程中所需要的接收機路數也在明顯提升，為實現與通道的合理控制，必須對接收機的體積、成本以及可靠性進行綜合考慮。一直以來，接收機采用的都是超外差式的結構，這樣的模式已經存在很長時間，一直到1990 年之前該方法依舊是最佳的解決辦法，而直接下變頻接收機的應用只存在于理論上。然而現代集成電路技術的發展大大提升了該技術應用的可能性，直接下變頻接收機過去的很多應用問題都迎刃而解，因此其應用也勢必會成為雷達技術全新的一個發展方向。將直接下變頻接收機與雷達系統相結合的雷達數字式T/R 組件在噪聲系數、增益以及動態范圍等多個方面也達到了正常雷達的運行標準，但其體積、成本卻遠小于常規雷達接收機，這樣對直接下變頻接收機應用產生限制的因素不斷縮減，更好地滿足雷達運行的總體動態性能要求。

假設整個天線陣面的單元數量為N，同時每一個單元都連接了數字T/R，這樣也就會導致每個天線單元接收到的信號功率同單路接收機系統相比要想得多，只有其1/N。面對這樣的問題，每一個單元的接收機動態范圍也需要進行相應的縮減。與此同時，現階段脈沖壓縮信號依然是相控陣雷達采用的主要形式，在完成回波信號接收之后并不能及時對其進行壓縮，這樣就會導致相關信號要低于噪聲電平。因此單元通道接收機動態范圍要求也需要隨之縮減。例如在天線單元數N 為1000 的情況下，脈沖壓縮比為1000，因此其動態范圍要求就需要從100dB 縮減到40dB。除此以外，還可以進一步通過STC 等方式完成單元通道接收機動態范圍要求的縮減。在這樣的情況下，可以有效保證雷達陣列信號處理的穩定性，進而并不會對后續的雷達信號檢測造成影響。