雷达导论PART-III.8 雷达接收机与数字化

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今天我们将开始第14章——雷达接收机与数字化。本章目录有点长。。。

14.1基本准则

14.2低噪声放大器

14.3滤波

14.3.1匹配滤波

14.4 下变频

14.4.1镜频抑制

14.4.2相互调制

14.4.3零差式接收器

14.4.4外差式接收机

14.4.5多级下变频

14.5动态范围

14.6杂散信号和频谱纯度

14.7数字化

14.7.1奈奎斯特准则

14.7.2有效比特数(ENOB)

14.7.3最大输入频率

14.7.4噪声

14.7.5 A/D转换器类型

14.7.6非相干雷达的数字化

14.7.7相干雷达的数字化

14.8雷达接收器架构

14.9脉冲非相参接收机

14.10基带数字化的脉冲相干接收机

14.11中频数字化的脉冲相干接收机

14.11.1 Sub-Nyquist抽样

14.12多通道接收机

14.12.1单脉冲接收机

14.12.2保护通道接收机

14.12.3多通道接收机

14.13 专用接收机

14.13.1调频连续波接收机

14.13.2拉伸接收机器

14.14 总结

接收机的界限其实并不明确，有的是从射频信号开始就输入接收机，有的是从中频信号开始输入接收机，有的输出模拟中频信号，有的输出数字中频信号。但是不管是什么接收机，它都有最基本的两大属性：敏感性与筛选性。英文为：Sensitivity & Selectivity，双S特性。

敏感性说的是接收机要放大极其微弱的信号，输入信号的功率往往都低于热噪声的功率，可能都不足10^-15W；筛选性说的是接收机要滤除噪声等不需要的信号。详细地来说，接收机的主要性能指标有：

噪声系数；
灵敏度；
工作带宽；
动态范围；
滤波特性；
稳定度；
抗干扰能力。

接收机的第一个指标是噪声系数，这个在前面已经提到过，看看F的两个计算公式：

雷达接收机一般为多级放大，其中第一级为LNA（低噪声放大）G1最大，LNA目前一般由GaAs或GaN制成，价格不菲。在低功率的毫米波雷达中由低成本的CMOS工艺替代。当然G1也不能无限大，超过一定范围就会线性失真，接收机的线性度和噪声系数之间的平衡是接收机设计的一个重要内容。另外在有源相控阵雷达中，LNA位于每个T/R组件中，不在接收机里。

接下来我们讲一讲匹配滤波。匹配滤波是针对主动雷达的，自己发射雷达波，再接收自己发射的波的回波，所以我要接收的信号频率、调制方式、重频、脉宽等信息都是已知的，这样就可以针对性地进行滤波，最大化信噪比，所以叫匹配滤波。

匹配滤波有一个时宽带宽积的问题。时宽带宽积的值为1，为什么是1，这里先留给大家思考，我们在后面的文章中解释。

下一个问题，射频信号需要下变频到中频才能处理，那么问题来了，射频信号是如何下变频到中频的呢？其实很简单，就是直接和本振(LO)混频：

混频后的信号我们发现有两个频率分量，一个是wc-wLO，一个是wc+wLO，如下图所示。

混频的过程中还会不可避免的产生镜像频率。

镜像频率Fi与RF关于LO对称，所以Fi=LO-(RF-LO)=2LO-RF，

又IF=RF-LO，所以LO=RF-IF，代入上上式，得

Fi=RF-2IF

雷达的接收机很多是超外差式的，“外差”的意思就是载波的频率与本振的频率做差，“超”原本指的是超声，超过声音的频率。超外差接收机的信号处理流程如下：

还有一种接收机是零中频架构的混频：cosA*cosB+sinA*sinB=cos(A-B)。利用正交的IQ信号可以去掉镜像。但IQ信号的幅度和相位多少都会有点不平衡，所以也会有一点点镜频分量。

我们注意到超外差接收机混频前后各有一个滤波器，后面的是低通滤波器，将混频出的wc+wLO高频分量滤除；

混频前也有一个滤波器，是带通滤波器。为什么要加呢？是为了避免产生镜频干扰，通带的选择与镜频频率有关，为什么前面加带通滤波器就能抑制镜频干扰，留给大家思考。

接下来说下动态范围，可能光看名字不太好明白，解释一下，动态范围是指在保证输出信号不失真的前提下，接收机允许的输入信号强度变化的范围。一般雷达接收机里会做AGC（自动增益控制），来进一步增大动态范围。

接收机指标里还有几个知识点，下面讲下相位噪声和杂散，比较难理解。

相位噪声的存在会影响多普勒检测，下图是相位噪声图。横轴表示的是距离载波频率多少Hz，例如横轴1000Hz表示：载波频率+1000Hz处。纵轴是噪声的功率谱密度，横轴1000Hz对应纵轴98dBc/Hz，意思是距离载波频率1000Hz处的噪声的功率谱密度是-98dBc/Hz（c代表与载波能量比值）。本来回波频率就是载波频率，但是因为多普勒效应，会有频移，所以就会引入相位噪声。信号带宽越大引入的相位噪声越大。

杂散干扰是一个系统频段外的杂散辐射落入到另外一个系统的接收频段内造成的干扰。杂散分为信号相关杂散（SRS）和信号不相关杂散（NRS）。SRS有信号时杂散幅值就大，没有则小，通常是信号内包含的。NRS往往是在一个恒定的水平，是由接收机设计中的非线性引起的，这会产生互调信号。

杂散干扰直接影响了系统的接收灵敏度，而相位噪声增加了接收机的噪声能量。它们是雷达不需要的频率成分，但是又不可避免。

下面看看雷达接收机的数字化。数字化的关键点在于ADC器件，ADC目前采样率已经可以达到10Gsps以上，但是对于几十甚至上百GHz的雷达射频信号来说还是不够，阻碍射频直采最关键的其实是ADC器件的动态范围太小了，差了可能有7个0，所以雷达还需要在模拟信号域做放大和下变频，下变频到中频信号后再通过ADC器件转换数字信号。

ADC器件需要关注的指标有：采样率、有效位数、量程、最大输入频率、输入带宽、量化噪声、无杂散动态范围等，这些属于电子科学的范畴，就不展开说了。数字化分基带后数字化和中频后数字化（基带信号一般说的是复信号，中频信号一般是实信号），区别就是ADC所处的位置，如下图所示。

现代雷达大部分都是相参雷达，使用带通采样（降低采样率需求），脉冲匹配滤波在数字域进行。数字化后以前很复杂的雷达技术，通过几行代码就可以搞定。另外随着技术的进步，雷达接收机的模拟部分从以前的大电路板变成了一个小的金属模块，可以和ADC芯片、数字处理芯片放在同一块电路板上。而数字处理部分也在集成，目前已经有很多异构芯片，一片芯片内包含了多个ADC、FPGA、ARM、DSP等。

扩展一下：

单脉冲接收机中的保护通道。在某些雷达中，为了解决天线主瓣和旁瓣回波之间的问题，采用了一个保护通道。这里的需求还是为了在时间、振幅和频率上实现主信道和保护信道接收器之间的良好匹配，以便能够进行准确的比较并抑制不需要的信号。最复杂的保护系统通过将保护通道输出的振幅和相移变化加到和通道中来消除不需要的信号，例如干扰器，来实现对消。

多通道接收机。自适应旁瓣对消是同时处理多个干扰信号的保护信道对消的一种广义形式，并可扩展到包括杂波信号对消。在接收阵列中实现良好的平衡是很重要的，因为任何不平衡，当它们可以被消除时，会降低系统处理不需要的外部信号的能力。这个是MIMO雷达和数字阵列雷达中的技术。

延展（去斜）接收机。这类型接收机用在超高分辨，但是实时性要求不高的雷达中，用时间去换取大的带宽，从而实现超高分辨率。

好了，本章的扩展阅读如下：

本章的问题如下：

1.一部接收机的前端低噪放的增益是15dB，噪声系数是1.5dB；二级放大增益是20dB，噪声系数是10dB；三级放大增益30dB，噪声系数15dB，接收机的总噪声系数是多少？

答：代入公式

F = 1.5 + (10-1)/15 + (15-1)/(15*20) = 2.15dB

2.某机载雷达工作在10GHz，第一级混频后中频频率为2.5GHz。问第一级本振的频率和镜频的频率分别是多少？

答：本振频率为7.5GHz，镜频频率为5GHz。

3.某相参机载雷达采用在模拟域下变频到基带（I&Q）后数字化的方式。接收机有两个ADC器件分别对I、Q两路信号进行采样，采样频率均为100MHz。问接收机能够处理的最大带宽为多少？

答：100MHz。I&Q两路采样频率均为100MHz，相当于实信号采样频率为200MHz，所以根据奈奎斯特定律，200MHz/2就是被采信号的最大带宽了。

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