基于ADS的雷达接收机系统研究与仿真

2014-12-18梅永胜

电子科技 2014年3期

梅永胜，杨楠

(西安电子科技大学电子工程学院，陕西西安 710071)

随着现代电子战争日趋激烈，雷达作为电子战的重要技术武器，其接收机接收信号、处理信号的能力成为关键。基于此，文中针对雷达接收机的各项性能指标进行了系统的分析与评估。接收机的首要任务就是将微弱的回波信号放大到足以进行信号处理的电平，同时接收机内部的噪声应尽量小，以保证接收机的高灵敏度［1］。

1 接收机相关理论

1.1 接收机原理图

典型的接收机结构如图1所示，其是由天线、射频滤波器、低噪声放大器、混频器、本振信号源、中频滤波器和中频放大器等部分组成［2］。

图1 典型接收机结构

1.2 接收机性能指标

1.2.1 灵敏度

接收机的灵敏度表示接收机微弱信号的能力。噪声总是伴随着微弱信号同时出现，如需检测信号，微弱信号的功率应大于噪声功率或可同噪声功率相比［3］。因此，灵敏度用接收机输入端的最小可检测信号功率Simin来表示。其计算公式为

其中，NF表示噪声系数;SNR表示满足一定条件误码率所需的最低信噪比;BW表示工带宽。

1.2.2 选择性

接收机的另一个关键特征就是其选择性。选择性的定义为，在临近频率强干扰和信道阻塞的情况下，接收机满意提取所需信号的能力。在多数体系结构中，中频信道选择滤波器的设计决定了接收机的选择性。接收机频带的选择与发射波形的特性、接收机的工作带宽以及所能提供的高频部件和中频部件的性能均有关。在现代雷达接收机中，频带的选择可在30 MHz～4 GHz之间，当需在中频增加某些信号处理部件，如脉冲压缩滤波器、对数放大器和限幅器等时，从技术实现来说，中频选择在30 ～500 MHz更合适［4］。

1.2.3 相互调制失真(IMD)

相互调制(互调)失真是一个导致产生输入信号基本频率线性组合的频率非线性过程［6］。若输入信号频率是f1和f2，二阶互调失真产生的信号频率为0、f1－f2、f1+f2、2f1和 2f2。三阶互调失真产生的信号频率为2f1－f2、2f2－ f1、2f1+f2、2f2－ f1、3f1和 3f2。对于窄带信号，只有三阶互调产物2f1－f2和2f2－f1才落在带内，因此，通常关注的是三阶互调失真。这些三阶互调产物的功率电平由下式给出

其中，Pf1是频率为f1的输入信号功率，单位为dBm。Pf2是频率为f2的输入信号功率，单位为dBm。PIP是三阶互调截获点，单位为dBm。

互调会产生各种不利的影响。例如，杂波回波的互调引起杂波多谱勒频谱展宽，从而导致目标遮蔽。由于带外干扰信号互调出现带内信号互调产物，不能通过线性对消技术轻易地消除，从而导致对干扰敏感。

1.2.4 交叉调制失真

交叉调制是由三阶互调引起的，由此引起信号的幅度调制(AM)。下式给出了对有用信号幅度调制的百分比(%d)

式中，%u是无用信号的幅度调制百分比，PU是无用信号功率，PIP是三阶截获点。

交调将导致幅度较大的调制带外干扰对杂波和目标回波的调制，从而使杂波对消性能和距离副瓣性能变差［7］。

2 接收机系统模型的建立

使用滤波器、放大器、混频器等行为级的功能模块搭建接收机系统。运用S参数仿真、交流仿真、谐波平衡仿真、瞬态响应仿真等仿真器对接收机系统的性能参数进行模拟检测。

2.1 接收机灵敏度模型的建立

图2 接收端模型

由于各模块的参数均为已知，通过计算可得出系统总的噪声系数和三阶互调截点等。

噪声系数定义为系统的输入信噪功率比(SNR)i=Pi/Ni，与输出信噪比(SNR)o=Po/No的比值。噪声系数表征了信号通过系统后，系统内部噪声造成信噪比恶化的程度，噪声系数常用NF表示。根据噪声系数的级联式

可以计算出系统总的噪声系数。给定低噪声放大器的增益为13.5 dB，噪声系数为1.5 dB，混频器的增益为7.9 dB，噪声系数为13.4 dB，利用式(4)可计算出NF=4.12 dB。

三阶截点IP3定义为三阶互调功率达到和基波功率相等的点，此点所对应的输入功率表示为IIP3，其所对应的输入功率表示为OIP3［9］。根据三阶互调截点的级联式

可得，系统总的IIP3=－9.75 dBm。

通过仿真，可得到整个接收机端的增益为17.205 dB，接收端总的噪声系数为4.151 dB，而计算结果为4.12 dB。仿真接收端的三阶输入截点为－10.124 dBm，而计算结果为－9.75 dBm。以上结果有一定的差异，该差异是由增益压缩等因素所引起的。此外，根据仿真结果还可计算得出接收机的灵敏度。

设计中，NF=4.12 dB，B=6 MHz，当(SNR)0，min=10 dB时，由灵敏度计算结果为92.08 dBm。

2.2 接收机选择性模型的建立

图3 频带选择性原理图

对模型进行S参数仿真，仿真结果如图4所示。m1点接收机在频带选择滤波器的中心频率(2.4 GHz)有20 dB的最大增益，即LNA的增益减去微波带通滤波器的插入损耗。在中心频率处，反射损耗最小，约在－50 dB。m2表示在偏离中心频率70 MHz处约为25 dB的衰减。接收机射频前端的接收带宽为6 MHz，而通带内的波动不超过0.125 dB。