頻率源相位噪聲對雷達接收系統的影響

摘要：隨著雷達技術的發展，頻率源作為雷達接收系統的核心部件，其相位噪聲是影響雷達系統性能的關鍵指標。從雷達接收動態范圍、雷達改善因子、雷達數字采樣系統、雷達距離分辨率4 個方面詳細論述了頻率源的相位噪聲對雷達接收系統的影響，并從頻率合成器的構成分析了頻率源相位噪聲的主要影響因素及特性。

關鍵詞：頻率源；相位噪聲；動態范圍；改善因子；距離分辨率

中圖分類號：TN95；TN911.7 文獻標識碼：A

0 引言

雷達由發射、天饋、接收、信號處理等系統組成，接收系統在整個雷達中處于中樞位置，而頻率源是接收系統的關鍵，發射的輸入信號、接收的本振和采樣時鐘、監控的時鐘等均來自頻率源。頻率源的頻率或相位在極短時間內的變化被稱為短期頻率穩定度，其在時域上表現為零交叉隨機起伏，表征方法采用阿倫方差；在頻域上表現為頻譜擴展，表示為相位噪聲（簡稱“相噪”）[1]。理想的頻率源頻譜應是一條干凈的沖激譜線，但在實際應用中，由于整個系統的不穩定性，頻率源輸出信號會存在寄生調幅和調相噪聲，這些噪聲會隨機調制到各路輸出信號上，經調制后的頻譜必然擴展為具有一定帶寬的信號[2]。在頻譜分析儀上可以直觀地看到具有隨機噪聲的信號，其相位噪聲曲線以信號頻點為中心，左右兩個邊帶對稱分布，呈冪律譜狀態。雷達工作時間一般處于微秒水平，這主要與頻率源短期頻率穩定度相關。隨著雷達技術的快速發展，對雷達的各項技術性能指標要求更高，同時也對頻率源的相位噪聲提出了更高的要求。

1 相位噪聲對雷達接收系統的影響

1.1 頻率源相位噪聲對雷達接收動態范圍的影響

雷達一般采用超外差式接收體制，具有信號接收動態范圍大、接收靈敏度高、信噪比高等優點。天線的回波信號首先進入接收系統的低噪放、鏡像濾波、下變頻、中頻放大濾波等射頻通道，其產生的中頻信號再經數字接收采樣，最后經信號處理單元進行相應的處理。最理想的情況是信號經射頻接收、數字接收處理后，仍然能夠不失真地輸出。目前電磁環境較為繁雜，存在各種頻點的雷達、遙測、通信等信號，到達接收機的回波信號不可避免地含有各種頻點的干擾信號，并且還有雷達各系統的噪聲信號。由于射頻接收中的混頻器、放大器等有源器件具有非線性，最終頻率源的相位噪聲和雜散會隨著接收通道一起疊加到輸出信號上。如果干擾信號的電平過高，干擾頻點與雷達工作的回波頻點較近，且頻率源的相位噪聲較差，幅度過高的干擾信號噪聲會覆蓋弱的回波信號，產生倒易混頻現象。頻率源的相位噪聲隨著接收通道疊加到中頻信號上，進入數字接收，再到信號處理單元，從而影響接收信號的輸出信噪比，導致雷達可檢測的小信號幅度較大，整個接收動態范圍變小。

1.2 頻率源相位噪聲對雷達改善因子的影響

當雷達工作環境中具有較強的干擾雜波時，從強的干擾雜波信號中提取弱小的目標信息較為困難。因此，當對超低空目標進行探測時，目標信號受地物雜波影響較大，這加大了探測目標難度，實現該探測功能的有效方法是提高雷達的改善因子。雷達改善因子I 是動目標顯示系統輸出信號雜波功率比和輸入信號雜波功率比的比值，其計算公式[3]：

在接收系統中頻率源相位噪聲對I 的影響如下[4]：

某X 波段氣象雷達頻率源1 kHz 處相噪為-94 dBc/Hz，采用此頻率源測出接收系統的激勵信噪比為68 dB。頻率源改進后1 kHz 處相噪為-119 dBc/Hz，此時雷達接收系統的激勵信噪比為81 dB。改善因子I 計算公式[5]：

計算得到頻率源改進前接收機的改善因子約為50 dB，頻率源改進后接收機的改善因子約為62 dB。隨著微波器件技術的快速提升，未來雷達改善因子還會進一步提高。

1.3 頻率源采樣時鐘相位噪聲對雷達數字采樣系統的影響

頻率源采樣時鐘相位噪聲會影響雷達數字采樣系統的性能，采樣時鐘的頻率首先需滿足采樣定理的要求（要求采樣時鐘的頻率大于或等于有效信號最高頻率的兩倍，使采樣信號可以不失真地還原），使采樣信號具有無失真恢復的可能；采樣時鐘的相位噪聲是頻域的表示方法，本質上也能夠反映采樣時鐘的相位抖動，而相位抖動是影響數字采樣信噪比的主要因素，較小的相位抖動意味著數字采樣具有更好的信噪比。圖1 為采樣時鐘相噪為-105 dBc/Hz的同相（in-phase）正交（quadrature）輸出信號（IQ輸出信號）信噪比（signal to noise ratio，SNR）仿真圖，此時SNR 為83.2 dB；圖2 為采樣時鐘相噪為-140 dBc/Hz 的IQ 輸出信號SNR 仿真圖，此時SNR 為88.4 dB。因此，在設計頻率源電路時，采樣時鐘的相位噪聲指標需要符合一定的要求。

1.4 頻率源相位噪聲對雷達距離分辨率的影響

天氣雷達空間分辨率是指通過雷達回波能夠區分兩個目標物的最小空間距離，實際的空間距離越小，分辨率越高[6]。對于氣象雷達，所探測的云、雨等一般都有多個目標，每個目標的回波強度不同。為了保證有效檢測各個目標，首先，每個目標的回波電平要具有足夠的信噪比；其次，由于雷達工作的頻譜都具有一定的帶寬和擴展性，臨近目標回波的邊帶具有一定的重疊，因此必須保證較弱的回波信號不能被相鄰較強的干擾信號產生的邊帶頻譜淹沒。假設相鄰目標的探測概率要求達到98%，信噪比需要達到12 dB 以上，如果雷達頻率源的相位噪聲足夠差，距離較近的兩個目標，強的回波邊帶極易淹沒弱的目標回波，導致弱的目標回波信噪比遠遠小于12 dB，無法檢測出弱的目標，可識別相鄰目標的距離會變大，從而降低距離分辨率。

2 相位噪聲的主要影響因素及特性

從頻率源電路的合成來分析影響相位噪聲的因素。頻率源的頻率變換過程是相位噪聲的主要來源，如晶體振蕩器、電源、混頻器、倍頻器、分頻器、放大器、鎖相環中的壓控振蕩器（voltagecontrolled oscillator，VCO）和鑒相器等都會影響相位噪聲。影響頻率源相位噪聲的因素主要是關鍵器件的閃爍噪聲不夠低，導致頻率源噪底不能更好地優化。相位噪聲主要受以下因素影響。

（1）晶體振蕩器?，F代雷達一般為全相參，而晶體振蕩器的輸出信號是各種信號（包括雷達的工作時序）的參考基準，因此其相位噪聲指標較為關鍵，氣象雷達上的晶體振蕩器距離載波1 kHz 處相噪水平一般為-165 dBc/Hz。

（2）電源。電源紋波對射頻電路相位噪聲的影響比較明顯[7]，頻率為幾赫茲到幾萬赫茲，這種低頻紋波會疊加到頻率源合成器的各路輸出信號。因此，在電源器件低壓差線性穩壓器（low dropout regulator，LDO）指標選型時，一般需關注輸入/ 輸出電壓差、LDO 輸出噪聲電壓的均方根值、電源抑制比，從而降低電源紋波對頻率源相位噪聲的影響。

（3）混頻器。混頻器自身相位噪聲較低，頻率變換時使用無源混頻器較多，頻率合成中的相位噪聲惡化通?？梢院雎裕逸敵鱿辔辉肼曈奢斎胂辔辉肼暃Q定。如果射頻相位噪聲和本振相位噪聲相近，輸出相位噪聲會惡化3 dB；如果射頻相位噪聲和本振相位噪聲相差較多，通常輸出相位噪聲指標取決于最差的相位噪聲指標。

（4）倍頻器、分頻器、放大器。頻率源電路中盡量選用底噪指標較好的倍頻器、分頻器、放大器，在各級鏈路中合理布置增益及電平幅度，保證器件可以在線性范圍內工作，當器件的幅度和相位出現飽和時，信號相位噪聲會相應惡化。

（5）鎖相環電路。在鎖相體制的頻率源中，VCO 決定了頻率源遠端相位噪聲。在環路帶寬處，由于環路濾波器對壓控振蕩器不具有抑制作用，VCO 的相位噪聲會疊加環路濾波器噪聲[8]，因此選擇壓控曲線線性度較好的VCO，能夠改善相位噪聲；經過鎖相環內分頻器的輸出相位噪聲按20 lgN dB 惡化（N 為分頻次數），而經過鎖相環外分頻器的輸出相位噪聲按20 lgN dB 改善；設計中選擇基底噪聲好的鑒相器，模擬鑒相器為無源器件，輸入/ 輸出電路駐波要求高，駐波較差時相噪會下降10 dB 以上；數字鑒相器的電路匹配簡單，但底噪指標比模擬鑒相器差，而且雜散信號也較多。

3 結語

頻率源的相位噪聲對雷達接收性能具有重要的影響，工程設計中對于不同需求的雷達，首先需確定雷達接收系統的指標，頻率源指標的要求取決于接收系統的指標，雷達頻率源指標要求合理。希望本文可以為工程人員提供雷達頻率源應用的借鑒。

參考文獻

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