相控阵雷达接收技术-相控阵雷达技术丛书
接收技术是相控阵雷达最基本的技术之一。本书全面分析了相控阵雷达通道接收技术、相参频率合成技术、波形产生和激励源技术，这三部分内容涵盖了完整的相控阵雷达接收技术，具体有：相控阵雷达对接收机性能的要求，接收机的构成和主要功能；噪声的特性、来源，噪声系数及其测量方法和动态范围；多通道接收、计算机辅助测试和接收机监控技术；现代雷达中开始出现的数字接收技术；相位噪声的特点，在时域和频域表征它的参数和术语，对它的测量方法以及它对雷达性能的影响；基本的频率合成技术，特别详细地介绍了近年来出现的直接数字式频率合成技术；雷达发射波形和激励信号产生技术；相控阵雷达数字化接收技术的新进展。.目录Ⅻ3.4普遍情况下的网络噪声特性2了3.4.1多频网终的噪声特性303.4.2级联网络的噪声特性pt.自d鲁333.4.3超外差雷达接收机网络级联分析…39接收机灵敏度403.6相控阵雷达接收阵面的有效噪声温度3.6.1相控阵雷达有源天馈线阵面的主要类型433.6.2各类天线阵的有效噪声温度453.7噪声系数的测量463.7.1噪声源…463.7.2Y因子法…∴……483.7.3自动测量法3.7.4噪声直接测量法543.8内部干扰——电磁兼容性设计………553.8.1滤波与带宽的优化56.8.2中频频率的优化59参考文献…60第4章通道接收机的其他性能…624.1动态范围………624.1.1增益设计和增益分配634.1.2接收机输入端回波信号的动态范围……644.1.3接收机设备的动态范围674.1.4接收机的增益控制704.1.5接收机动态范围对MTI改善因子的影响4.2多通道接收机…………724.2.1多通道接收机的特性……724.2.2多通道接收机性能对相控阵雷达性能的影响…………………724.3通道接收机的计算机辅助测试(CAT)技术………734.3.1计算机自动测试基本原理和系统构成鲁非■鲁鲁章鲁∴…744.3.2单通道性能测试………………764.3.3通道间幅相一致性测试77相控阵雷达接收机的监控与BIT784.4.1相控阵雷达接收机监控和BⅠT的必要性、内容与方法4.4.279参考文献80Ⅻ相控阵雷达接收技术第5章数字接收机及采样定理1数字接收机的意义815.1.1雷达数字接收机的关键技术5.1.2数字接收机对雷达通道接收机性能的影响82低通采样定理…825.2.1采样845.2.2量化883中频数字化895.3.1带通釆样定理。曲自B自鲁鲁鲁5.3.2带通采样的进一步分析94降低噪声和杂散的方法97参考文献106第6章模数变换(ADC)技术…………………………………1086.1ADC的类型及其特性1086.1.1闪烁型或全并行型1096.1.2流水线型1106.1.3逐次逼近型………………·即.·看··罪·如自鲁6.1.4∑一△型……1126.2ADC主要性能分析…………………………………1146.2.1转换速率1166.2.2分辨力∴…1176.2.3增益误差非自自1176.2.4量化噪声1176.2.5输出信噪比暂最DD1216.2.6有效位……1226.2.7非线性失真及无杂散动态范围………………………………1246.2.8谐波失真…1256.2.9输入带宽,小信号带宽,全功率带宽…∴1266.2.10积分非线性误差和微分非线性误差1276.2.11漏码…1306.2.12直流偏移……………1306.2.13采集时间、孔径时间、孔径延迟时间和有效孔径延迟时间…1306.2.14孔径不确定性噪声1326.2.15噪声功率比1346.2.16缓冲放大器…136日录上絮6.2.17数字接收机与系统噪声系数………………1366.2.18ADC对雷达性能的影响138参考文献140第7章解调技术…1417.1解调技术的主要性能指标7.2模拟信号的解调●·普鲁啬1443无混频数字信号的解调1467.3.1数字正交检相器的一般原理∴…1477.3.2希尔伯特滤波法1487.3.3低通滤波法…………………1497.3.4插值法………………………1517.3.5数字乘积检相(DPD)法………1527.4采样率转换技术1537.4.1抽取……1537.4.2内插1545高效数字滤波器1567.6数字下变频器…7.6.1实现数字下变频的方法1617.6.2ASIC方法1617.6.3FPGA方法……甲·普···………………165参考文献…171第8章频率合成器的各项性能、相位噪声及其测量方法∴……1738.1频率合成器的主要性能指标1738.1.1工作频率范围及频率捷变点数…1738.1.2工作频率、频率准确度及长期频率稳定度……1748.1.3输出功率1748.1.4频率转换时间及其测试技术174频率稳定度或相位噪声………………1758.1.6谐波与杂散1768.1.7撷率推移1778.1.8频率牵引●●4……1778.1.9频率复现性1778.1.10开机特性1778.2频率稳定度及其表征………1788.2.1频率稳定度对于现代雷达的意义178Ⅻ相控阵霅达接收技术82.2相位噪声的产生………1838.2.3雷达频率源的频率稳定度砑究特点1938.2.4相位噪声的谱密度分布∴……………………19582.5频率稳定度的表征……1978.3频率稳定度的测量技术·。由击●果●………………………2128.3.1时域一阿仑方差测量法…2138.3.2频域测量方法之直接频谱仪法………………218.3.3频域测量方法之二—一相位检波法…∴…2178.3.4频域测量方法之三——鉴频法2238.3.5附加噪声的测量………………2248.3.6信号源调幅噪声的测量……2258.3.7脉冲信号相位噪声的测量技术…………226参考文献………230第9章频率源性能对雷达性能的影响……2329,1对雷达接收机噪声系数的影响2329.2对雷达接收机选择性的影响………2339.3对接收机动态范围的影响………2339.4对脉冲压缩性能的影响……鲁·鲁命鲁自着·非最单·非“·p看自·鲁·要罪要·D·身看2339.5对动目标显示性能的影响…2349.5.1动目标显示技术的基本原理……D●鲁2349.5.2颊率稳定度对MTI的影响…2369.6对脉冲多普勤雷达的影响240参考文献241第10章频率合成器的构成●鲁。看,·自·非24210.1直接模拟式频率合成技术……24210.2间接模拟式频率合成技术(锁相环技术)…………………24410.3直接数字式频率合成技术24610.3.1DDS的基本工作原理24710.3.2DDS输出信号的质量…25010.3.3DDS杂散的抑制……25710.3.4DDS输出频率的扩展26010.3.5数模变换器(DAC)26010.4组合式频率合成技术……………26710.4.1锁相环/直接式合成技术26710.4.2DDS/锁相环式合成技术268目录X参考文献………………………268第11章发射波形和激励信号产生技术27011.1发射波形的产生…………270模拟产生法27111.1.2数字产生法27411.2激励信号的产生……………28011.2.1直接中频信号产生…28011.2.2正交调制技术和上变频技术……………28111.3激励信号带宽的扩展一超宽带信号的产生……………28511.3,1基带信号带宽的展宽…………………………28511.3.2调制器的选择28611.3.3倍频技术28711.4激励信号质量分析自自自自「非28711.4.1基带波形的质量…28711.4.2正交调制器输出信号的质量……鲁。·香卵2811.4.3信号质量对匹配滤波一脉冲压缩性能的影响……290I1.4.4信号质量对去斜处理性能的影响……………293参考文献…297第12章数字化接收技术的新进展…………………………29912.1数字阵雷达(DAR)的发展历史及现状29912.2数字收发组件和数字接收机30312.3微波ADC技术…看·曲·鲁·鲁非自●。·带垂垂…30712.4光学ADC技术…………………………………31012.4.1电子ADC在提高ADC的动态范围一釆样频率积时的局限性……31112.4.2光学ADC的分类及几种主要类型的特性…31412.4.3光电ADC芯片……………32412.4.4光学模数变换器的应用…∴………32612.5多芯片组件(MCM)技术32612.6直接数字频率合成技术、数字波形产生和数字上变频技术……327参考文献328符号表………331缩略语340第1章概论1.1相控阵雷达接收分系统的构成部完整的相控阵雷达接收分系统的构成如图1.1所示,它包含了通道接收机、频率源和激励源(含雷达波形产生器)三个组成部分通道接收机模拟接收机或模拟前端数字接收机来自天线阵面的去DBF网络或射频信号模拟接收机或模拟前端数字接收机信号处理机1模拟接收机或模拟前端数字接收机频率源基准频率变频器及僧频器霎达基带波形产生器激励源图1.1相控阵雷达接收分系统的构成通道接收机是雷达回波信号的通道,它接收来自相控阵天线阵面的雷达回波信号。模拟接收机对回波信号首先进行一系列模拟处理,包含保护接收机免烧毁或饱和的有源/无源小功率限幅器、为机内检测(BⅠT)而设置的低插损定向耦合器、低噪声放大器(LNA)、下变频器。第一下变频器是借助于雷达频率源产生的本振信号(f()将微波射频回波信号下变频至固定的中频频率。变频次数可以是一次、两次或三次,视雷达的工作频段高低和中频频率优化结果而定,它们的作用2相控庥管达接取技术是逐渐将中频频率降低到合适的频率。接收机在中频频段,除对回波信号进行放大之外,还会对回波信号的带宽进行匹配或准匹配滤波;为了压缩回波信号的瞬时动态范围,在射频段或中频段,对通道的总增益进行灵敏度时间控制(STC);对多路通道之间的幅度/相位一致性进行调整;为后续的数字接收机设置防混叠滤波器。结构简单的模拟接收机有时又称为模拟前端雷达回波信号,经过模拟接收机的上述处理之后进人数字接收机,在数字接收机中首先是对模拟回波信号进行采样和量化分层,变换为特定字长和特定数据率的数字信号,高速率的数字信号进入数字下变频器(DDC),在一对正交数字乘法器中,借助于数控振荡器(NCO)把模数变换器采集到的数字信号解调出数字基带信号。为了与后续的数字信号处理机速率匹配,往往还要进行数据率的抽取和进步的数字匹配滤波,最后以极坐标或直角坐标的格式输出数字信号去进行数字波束形成或雷达数字信号处理回波信号数字化的切入点是根据雷达工作频段、回波信号带宽和模数变换器的采样速率等因素决定的,可以是在低中频,高中频,甚至于射频、微波频毀进行数字化。目前模数变换器的釆样率多在几兆赫至1吉赫范围内,国际上也出现了几吉赫以上采样率的模数变换器。模数变换器的采样率高低,决定了模拟接收机的繁简程度,技术的发展趋势是促成直接在射频或微波频段进行回波信号的数字化相控阵雷达接收分系统的第一个重要组成部分是通道接收机。通道接收机的通道数目多少取决于相控阵雷达的功能,这在本书第2章进行详细叙述。最简化的情况是采用三通道的单脉冲测角体制,为了进行副瓣对消,会增加副瓣对消接收通道,如果作为机载、星载相控阵雷达,还会设置对海接收通道和保护通道。对于采用数字波束形成技术的相控阵雷达,可以将天线阵面分割成若干个子阵,每个子阵后置一路通道接收机,也可以每个天线辐射单元后置一路通道接收机。相控阵雷达接收分系统另一个重要组成部分是雷达频率源,有时又称为雷达频率合成器,它是以一个高质量振荡器作为频率基准,经过不同方法的综合形成的,在本书第10章介绍了三种不同的类型,即直接模拟式频率源、间接模拟式频率源(即锁相环式频率源)、直接数字式频率源,以及它们相互结合的组合式频率源它提供通道接收机和雷达激励源所需的各本振信号、数字接收机和雷达波形产生器所需的采样信号()和时钟信号(f),除此之外,雷达频率源还向雷达定时器提供定时基准信号。相控阵雷达接收分系统第三个组成部分是所谓的雷达激励源,它实际上就是相控阵雷达发射机的前端部分。雷达激励源由上变频器和雷达波形产生器组成雷达波形产生器往往是数字式可编程的,它以直接式频率综合器(DDS)芯片为核心。理论上讲这种构成的波形产生器可以产生任意多种雷达工作波形,可以任意改变脉冲宽度和雷达重复频率,可以进行任意形式的调制:例如脉冲雷达常用的线第1章概论性调频、非线性调频和脉冲编码调制等,可以产生基带波形,也可以产生中频波形,可以产生正交的1/Q分量信号,也可以产生合成单边带信号上变频器:正如同通道接收机的下变频方式,雷达激励源可以采用上变频方式,将雷达波形产生器输出的中频信号借助雷达频率源输出的本振信号上变频至发射频率,也可以在上变频基础上再倍频至雷达发射频率,这要视雷达工作频段而定。激励源输出的功率一般在几十毫瓦至几百毫瓦之间,到雷达发射机内部再经过前级放大后驱动发射机的末级功率放大器1.2相控阵雷达对通道接收技术的要求雷达接收分系统为雷达能在噪声、杂波和干扰中检测到有用目标回波信号提供通道,并进行必要的处理。相控阵雷达一般是相参雷达,接收机常常是超外差式体制,它有一个或多个中频频率。接收机首先对信号进行低噪声放大并预选,最大限度地降低内部产生的噪声和带外干扰,并使进入的射频或微波回波信号与相参本振进行变频,频率变换到中频后进一步放大和对信号带宽进行匹配滤波,再进行正交相参解调和模数变换(对于数字接收机是先进行模数变换再进行正交相参解调);为了适应回波信号在大动态范围内的变化,而通道又能工作在线性状态,需要对通道进行适当的增益控制。除以上常规功能之外,相控阵雷达对接收分系统还有如下的一些突出要求对天线接收到的目标回波信号提供污染尽量小的信号通道,并高保真地传输回波信息。因此,一般情况下,相控阵雷达接收机应为线性接收机,对信号提供线性通道。所谓“污染”,包含了设备内部产生的各种噪声以及寄生调幅和调相噪声;模数变换器的量化噪声、采样脉冲产生的孔径抖动噪声;由设备的非线性产生的谐波、互调产物;频率组合产生的组合干扰频率;各种源产生的杂散频谱。这些成分均会污染信号空间。接收机的主要任务之一就是减小这些污染源的影响,尽量扩大无污染空间。所谓信号空间,在频域的宽度是接收机的带宽,信号强度的下限就是最小可检测信号电平,但这受限于噪声电平高低,这就要抑制各种噪声来降低接收机的噪声系数,提高接收机的灵敏度,以扩展信号空间的下限,扩展信号空间的上限就是通道各电路的线性输出能力,为此,就要减小器件的各种非线性失真,合理地设计系统,比如系统增益的合理分配,增益控制的合理设计,被选用器件的线性输出能力。相控阵雷达,当采用DBF技术时,通道接收机往往是多通道的,其中对接收机最突出的要求是:为了高性能自适应天线波束的形成,对通道的幅相一致性和相互之间的隔离都提出了很高的要求,特别是在信号全动态范围内及雷达工作频段内的幅相一致性和隔离度提出了严格的要求。如果说,通道的幅相…一致性还可以通过计算机进行误差修正的话,那么通道工作的稳定性就显得更为突出。
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时隙 Aloha 及伪贝叶斯算法性能仿真
设一个时隙 Aloha 系统的时隙长度为 1，所有节点的数据包均等长且等于时隙长度。网络中的节点数为 m，各节点数据包以泊松过程到达。 1 假定每个节点的数据包到达强度均为 λ /m，在不同的 λ 下，仿真时隙Aloha 数据包传送的成功概率，绘制呼入强度和成功概率的曲线，和理论结果进行对照。 仿真思路： 1） 生成一个二项分布列来模拟数据包的到达过程 2） 因为数据包以泊松过程到达，所以二项分布的 P 定为（1- m eλ− ） 3） 对生成的数列求和，只有当其和恰等于 1 即有且仅有一个数据包到达时，才可以成功发送，这时成功个数计数+1 4） 2.选取合理的引,,qa,m,采用延时的下界,仿真时隙Aoha系统数据传输过程,统计在不冋同η下,到达率及离开率,绘制它们随n的分布情况,和理论值进行对照qn:等待重传的节点在每一时隙内重传数据包的概率qa:每个发送节点有新数据包到达的概率m:系统内总的节点数n:每个时隙开始时等待重传的节点数仿真思路:1)用二项分布模拟数据包的到达及发送过程2)生成两个数列:一个表示等待重传的节点以q,重传的情况;一个表示新到达的数据包情况因为题日说明采用延时的下界,即不缓冲,每个节点最多容纳一个数据包,有包则扔。所以第一个数列前n项令为1,后一个前n项令为0,之后两个数列可以进行简单加和3)发送成功率:对两个数列相加之后求和,如果sum等于1,说明此时隙内到达和发送的总数为1,只有在这种情况下发送才有可能成功,计数加1到达率:在每N次实验中,对“表示到达的数列”求和,统计4)对n做循环以表示到达率和离开率随n的变化情况;每个n下进行N次实验,数理统计3/8仿真结果0.40.35*0.30.250.20.150.10.0550607080901001/曲线为理论曲线:Ps=G exp(-G)and G=(m-n)a+n gr2/仿真值基木与理论曲线吻合在仿真的过程中,合理选取个参数值对能否得到埋想的曲线起了重要的作用下图分别为qr=0.02,0.05,0.08s时的曲线。可以看到,随着qr的增加,曲线向左移,导致第二个交叉点也左移,这个时候重传的延时将会减小。反之,曲线右移。当q,增加到一定程度的时候,系统只有一个稳定点了。4/840.350.30.20.1501020304050607080901c03仿真时隙Aoha系统下的伪贝叶斯算法,通过仿真结果眼正在n的估计误差较大的情况下的收敛特性及到达率小于1/e下的稳定性。仿真思路:1、伪贝叶斯算法的主要思路是对新数据包和积压节点等同对待:当有新数据包到达的时候,暂不发送,下一时刻与以前的积压节点一起以4r发送。所以修改2中的仿真模型:1)依旧是一列表到达,一列表上一时隙的积压节点2)对两列加和,统计其中为1的个数,设为d3)以qr为概率,d为长度,生成又一个二项分布数列 depart,表示发送的情况4)对depa求和,如果 depart的和为一,说明恰发送成功,n(k+1)=d-1,否则n(k+1)=n(k)5)循环,进行数理统计2、仿真收敛特性和稳定特性哩论值:根据给岀的伪贝叶斯算法的具体步骤,由给出的n(k),不断模拟生成n(k+1)5/8仿真值:由仿真模型及给出的n(k),生成n(k+1)观察两种方式得到曲线的走向3、给出不同的值,观察n(k+1)随时间变化的情况判断标准如果要保持系统的稳定,至少n(k+1)应该保持在一个恒定的状态,或者逐渐趋于零。如果n(k+1)不断增加,则系统最终将趋于饱和,无法再接纳新的数据包,此时系统不稳定。仿真结果:1、验证在n的佔计误差较大的情况下的收敛特性:1)n=170;估计nt=20;m=100:20.2:N=100016030040050060070080g001CC08002)n=50;估计nt=180;m=1000=-1-02:N=80结果说明可以看出,当估计值与系统本身的积压数据包数有很大差别的时候,无论是大还是小,最终都可以趋于实际值,从而收敛特性得到验证。1)同时可以看到,改变的值:当λ增大的时候,收敛地更快;2)当n不变的时候,改变m的值,如果n/m变大,那么发生碰撞的几率就变大,也会导致估计的n值更快地趋向理论n值这些都是于课堂分析的理论情况相吻合的6/82、验证系统的稳定性下图分别为A=02:=10.1:=1:4=1+02:=0.3时候的情况。可以看到,当λ
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