软件雷达射频采样ADC性能需求分析

卢庆广，夏 栋

(海军工程大学海洋电磁环境研究所，湖北 武汉 430033)

0 引言

软件雷达设计的理念是AD和DA转换器尽量靠近天线，使得模拟信号尽可能早地数字化，从而将其变换为适合于数字信号处理器或计算机处理的数据流，然后通过软件(算法)来完成各种功能［1－3］。由于受到硬件发展水平的制约，在中频进行数字化是当前软件雷达普遍采用的一种方式［4］。由于雷达工作频率覆盖的范围非常宽，从UHF波段到Ku波段覆盖了300 MHz～18 GHz。如此宽的频率工作范围无法采用Nyquist低通采样技术对射频信号进行采样，只能采用带通采样定律。本文研究直接对雷达射频信号进行带通采样对模数转换器采样速率、转换位数、信噪比等性能的要求。

1 雷达射频采样速率要求

雷达的工作频率覆盖了300 MHz～18 GHz，按照Nyquitst低通抽样定理要求抽样频率大于被采用信号的2倍以上。如果直接对雷达射频信号按此要求进行采样，现有的器件很难满足要求。雷达发射信号为带通信号，且一般带宽B远小于中心频率f0。对于带通信号，根据Nyquitst带通采用定理，抽样速率并不需要大于信号最高频率的2倍，用较低的采样速率也可以完整地恢复原来信号。

带通采样定理［1］:设带通信号x(t)，其频带限制在fL～fH范围内，如果其采样速率fs满足

式中:n取fs≥2(fH－fL)=2B的最大正整数(n可以为0，1，2，…;f0为带通信号的中心频率;B为带通信号带宽)，则用fs进行等间隔采样所得到的信号采样值能准确地确定原信号。

带通定理给出的采样速率的计算并不直观，下面将对带通采样定理做进一步的分析，首先分析n的取值。由带通采样定理知:

由式(2)可知，

由带通采样定理，n应该取满足式(3)的最大正整数，即

［·］表示取整数运算。因此，带通采样速率的求解可以先根据式(4)求得n的值，然后由式(1)得到。

图1 随变化关系Fig.1 Changing with

2 分辨率要求

常见雷达接收机灵敏度为(－110～－90 dBm)，即10－14～10－12W。由信号功率跟电压幅度的关系

可求得灵敏度换算成电压幅度的范围为(2.828×10－7～2.828 ×10－6V)。

射频低噪声放大器提供的增益一般在30 dB左右，所以经过低噪声放大器后电压幅度的范围为(8.943 ×10－6～8.945 ×10－5V)。

常见A/D转换器的工作电压为+5 V或+3 V。为了能检测到信号，A/D转换器的转换灵敏度必须小于低噪声放大器的输出信号幅度，即

其中，N为转换器的位数。解得，

A/D转换器的动态范围必须满足雷达接收机的动态范围。当代雷达接收机的动态范围不超过110 dB，即

解得，

所以为了满足接收机灵敏度和动态范围的要求，A/D转换器的位数不得少于19位。

3 信噪比要求

ADC电路的噪声主要有量化噪声［5］、微分非线性误差(DNL)［6］、孔径抖动误差和热噪声4个部分组成。为了保证接收机的性能，要求ADC电路本身产生的噪声在必须低于低噪声放大器送来的最小信号的前提下尽量小。当ADC电路产生的噪声比最小信号低10 dB以上时(即功率上小1个数量级)，ADC电路的噪声便不会对信号产生太大的影响。由上一节的内容知，当前接收机的灵敏度不小于－110 dBm，当前低噪声放大器的增益一般为30 dB，所以在有回波信号的情况下低噪声放大器送来最小信号不小于－110+30=－80 dBm。因此要求ADC电路的噪声小于－80－10=－90 dBm。由信号功率与电压幅度的关系，当ADC输入满量程输入时信号的功率为:

当ADC工作电压分别为+5 V和+3 V时，对应信号的功率为3.125 W和1.125 W，即3.49 dBm和3.05 dBm。所以所需信噪比为:

由上可知，为了保证接收机的工作性能，ADC信噪比应大于93.49 dBm。

对于高分辨率ADC器件，其固有量化误差、微分非线性误差和器件热噪声均较小。当输入信号频率较高时，ADC本身的噪声主要取决于时钟频率抖动(孔径抖动)［7］。下面将分析软件化雷达对ADC孔径抖动的要求。

其中，A为信号最大幅值。当ft为整数时上式取得最大值［8］:

此时，由孔径抖动引入的误差电压为:

由孔径抖动引起的SNR为:

式中:f0为输入信号的频率，当信号为超宽带信号是应取信号的最大频率;Δtrms为孔径抖动的均方根值。

由上节知，SNR= －20lg(2πf0sΔtrms)＞93.49，解得，Δtrms＜3.37 ×10－6/f0。

若对雷达的采样频率为100 MHz，则

4 结语

软件化雷达因其高性能、高灵活性及低成本的特点，成为了雷达技术的重要发展方向，同时也存在着很多技术问题尚待解决。本文针对软件雷达ADC信号采样过程中，雷达射频频率高，无法采用Nyquist低通采样技术对其进行采样的问题，采取了对雷达射频信号进行带通采样的方法，并分别从采样速率、转换位数、信噪比3个方面进行了计算分析，为利用较低的采样频率实现雷达A/D的转换，保证信号处理的精度，从而在解决高频率下进行数据采集的问题上做出了较好的探讨与尝试。

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