基于幅相检测与移频相消融合的载波泄漏抑制技术

马月红， 张晓林， 刘秋生， 于志坚

(1.北京航空航天大学 电子信息工程学院，北京 100191；2.军械工程学院，河北，石家庄 050003；3.太原卫星发射中心，山西，太原 030027)

基于幅相检测与移频相消融合的载波泄漏抑制技术

马月红1，2， 张晓林1， 刘秋生2， 于志坚3

(1.北京航空航天大学 电子信息工程学院，北京 100191；2.军械工程学院，河北，石家庄 050003；3.太原卫星发射中心，山西，太原 030027)

针对单天线小型无线电收发信机载波泄漏问题，提出了一种基于幅相检测与移频相消融合的载波泄漏抑制方法.该方法采用微带电路自适应闭环载波泄漏幅相检测技术和直流频偏移频相消技术相融合，对单天线无线电收发信机载波泄漏和直流频偏进行抑制.无线电收发信机发射中心频率为4.3 GHz时，ADS软件仿真与样机测试结果表明，载波泄漏抑制后输出波形无明显失真，消除了载波泄漏直流频偏分量，接收机输出功率为-79 dBm，载波泄漏对消比可达56，降低了载波泄漏对单天线收发信机影响，提高了接收机的灵敏度和检测概率.

调频连续波；载波泄漏；直流频偏；载波泄漏对消技术

单天线小型调频连续波[1]无线电收发信机已广泛应用于无人机蔽障定高控制、弹载引信、电子标签诸多领域，但是收发信机载波泄漏问题一直是影响其应用的关键技术瓶颈[2]. 小型无线电收发信机探测目标信息时，发射机和目标之间往往存在墙壁、树林等静止障碍物，会对发射波束产生很强的反射回波，称为强杂波干扰. 强杂波干扰频率往往与发射波频率相同，且远大于目标回波信号幅度. 同时，对于单天线小型调频连续波收发信机，由于发射机和接收机的直接藕合，发射机信号及其噪声边带不可避免地直接泄漏进入接收机，这部分载波泄漏干扰与强杂波回波相同均不携带任何回波信息，且与载波具有相同频率，若不加任何处理直接引入接收机，直接干扰接收机的接收效果，影响接收机的正常工作，例如降低接收机的灵敏度、阻塞接收机前端、产生虚假信号并且淹没目标回波信号等[2]. 因此，解决载波泄漏及近物同频杂波干扰问题是调频连续波雷达最值得研究的关键技术.

目前解决射频载波泄漏主要方法有：基于硬件系统架构的射频对消技术[4]，基于微波自适应的对消技术[4]，基于收发波形控制的隔离技术[5]，基于数字信号处理的杂波抑制技术[6-7].其中对消[8-9]是基于接收信号算法上的处理，隔离是基于收发信号通道上的处理，均通过软件和算法上的改进达到消除干扰的目的，此类方法存在载波泄漏对消比低、对消方法复杂等问题；而抑制[10-11]则是通过硬件上的增加或者是改进，实现对载波泄漏干扰信号的消除，此类方法存在系统结构复杂、体积大、造价高等问题.基于以上分析，本文采用幅相检测与移频相消融合载波泄漏抑制的方法，硬件抑制和软件对消智能融合，消除同频杂波干扰和直流频偏的干扰，增加接收机对回波信号检测的灵敏度和检测概率.

1 载波泄漏抑制技术原理与数学模型

影响小型单天线FMCW无线电收发信机通信质量和性能的一个重要因素是环行器的隔离度问题.实际应用时由于电路板的布线阻抗及天线的失配，环行器端口之间的隔离度口不易做到很高.首先是接收端的线性度问题，接收机接收目标回波信息时射频信号从环行器天线端口至接收端口，环行器天线端口存在较大功率的射频信号，发射信号通过天线端口直接泄漏到接收端口. 同时从环行器的发射端口泄漏到接收端口.由于环行器端口之间隔离度较低，泄漏到接收端口的发射信号功率远大于接收到的反射信号功率，造成接收机前端电路不能正常工作，甚至损坏器件. 另一个问题就是零中频接收机直流偏移问题[7]，零中频接收机的特点是将射频信号下变频到基带.其下变频器的本振信号为不加调制的连续波信号，与发射信号和目标回波信号同频，其中本振信号与目标回波信号下变频的输出就是基带信号，而本振信号与泄漏到接收端口的发射信号下变频的输出则是个较大的直流频偏电压，使得接收机检测性能饱和甚至损坏.

本文采用的对消抑制技术原理是在数字信号处理电路控制下对消系统产生幅度相同，相位相反的载波泄漏信号，对载波泄漏信号进行抑制对消.同时，直流频偏检测器检测直流频偏分量，在数字信号处理电路控制下由直流频偏数字对消器完成直流频偏分量移位、滤波处理.

设接收通道接收到同频率的干扰信号模型为

(1)

式中：ω为信号频率；A1为干扰信号幅度；φ1为干扰信号相位；B1为直流频偏分量.

参考信号通道从发射机耦合的对消抑制信号为

(2)

式中：A2为抑制干扰信号幅度；φ2为抑制干扰信号相位；B2为抑制干扰信号直流频偏分量.

干扰信号和抑制参考信号分别经过功分耦合器、正交混频、直流放大、幅度控制器、相位控制器、直流频偏数字对消后，残留干扰信号输出为

(3)

式中：A为残留干扰信号幅度；a(t)为残留干扰信号扰动幅度分量；φ(t)残留干扰信号相位；ΔB为残留直流频偏分量a0，a1，a2，a3抑制对消系数，取值取决于载波泄漏对消比值.

载波泄漏对消比为

(4)

2 载波泄漏抑制技术方案

2.1 系统构架

采用基于幅相检测与移频相消融合载波泄漏抑制方法，同时对同频干扰杂波和直流频偏分量进行抑制消除. 原理框图如图1所示.

图1中射频泄漏抑制电路包括功分器、幅值控制器、相位控制器、合路器、数字信号处理控制电路等组成. 数字信号处理控制电路检测出中频信号中泄漏信号大小，通过采用微带线延时方式以及控制幅值控制器和相位控制器来调节同频相消信号的幅度与相位，使其与同频干扰信号幅度相同，相位差180°，之后送入合路器进行载波泄漏对消.为了达到理想的对消目的，数字信号处理控制电路根据对消效果控制幅值控制器和相位控制器的参数，通过数字对消算法产生控制信号，此控制信号再对幅值控制器和相位控制器的参数进行调整，以达到最理想的对消效果，因此射频对消环路系统是一个反馈闭环调整系统.同时，采用直流偏移频对消技术，由预定频偏本振产生本振信号，与正交混频后信号进行移频变换，将预定的频偏分量移至零频附近，同时将收发泄漏零频直流分量移至预定频偏分量附近.然后将预定频偏变换后的信号进行数字低通滤波器处理，滤波器时域宽度是预定差拍频率频率倒数整数倍，保证频移后的直流分量被滤除掉.

2.2 电路设计

幅值控制器用于改变对消信号的幅度，相位控制器用于改变对消信号的相位，为了达到理想的对消效果，需要对幅值控制器、相位控制器的参数进行控制，通过数字对消算法产生控制信号，幅值控制器、相位控制器的参数，同时，数字信号控制电路控制直流频偏移位、对消，达到消除直流频偏分量效果.具体电路原理图如图2所示.

3 仿真分析与实验对比

3.1 仿真分析

本文采用ADS仿真软件对幅相检测与移频相消融合载波泄漏抑制的方法进行仿真，幅度控制器用于调节对消支路信号功率，以便与泄漏信号对消达到最理想的效果.仿真原理框图如图3所示. 图中标识的PWR2的中心频率为4.3 GHz，环形器隔离端口(FS)和移相器输出端口(FK)幅度相等，相位相差180°，相位相消移频仿真图如图4所示.经过合路器(PWR2)输出对消后的仿真数据如图5所示.

由图5可知，频率在4.3 GHz时，原理框图中标识的DX是合路器输出仿真采样点，DX采样点对消了60.147 dB.发射信号功率为5 dBm，在增加射频泄漏抑制电路前，泄漏到接收端的信号功率为-3 dB，增加射频泄漏抑制后，泄漏到接收端的信号功率小于-18 dBm. 由ADS软件仿真结果可知，采用载波泄漏抑制技术后，对消效果比较理想.

在数信号处理电路控制下，预定频偏本振产生与差拍频率相同的本振信号，经过移频变换器，将直流频偏分量移至零频分量，设差拍频率为fb=500 kHz，直流频偏分量取值与差拍频率相同，经过预定频偏变频后，直流干扰频率分量移至500 kHz频偏处，差拍频率移至零频处.预定频偏变频后信号时域、频域图如图6所示.

对预定频偏移位后的回波信号，进行直流频偏数字对消、低通滤波处理后回波差拍信号时频波形如图7所示.

由仿真图7可知，差拍频率fb=500 kHz时，载波泄漏直流频偏分量被完全消除，对滤波后回波信号进行检波，信号检波幅度与地面高度成反比，距离地面越近检波幅度越大，当检波幅度大于设定门限时，系统就可以给出距离警示信号，通过对消直流频偏分量提高目标回波信号检测概率.

3.2 实验对比

载波泄漏抑制电路图如图2所示.对载波泄漏抑制电路进行实际测试，对消效果图如图8所示.

根据图8实际测试结果可以得出，采用对消技术前后输入信号、输出信号及对消比取值如表1所示. 由表1可知，发射机在4.15～4.45 GHz调制频率带宽内，载波泄漏对消比以4.3 GHz为中心呈正态分布，输出信号功率范围为[-79 dBm，-25 dBm]，对消比分布范围为[30，56]，当发射频率为中心频率4.3 GHz时，载波泄漏抑制对消效果最优，对消比可达到56，可以满足FMCW收发信机的工程指标需求，以 “十二五”武器装备预研项目研制的某型弹载FMCW定高控制系统为例， 本技术要求的载波泄漏抑制对消比为30，本论文提出载波泄漏抑制技术达到对消比可以满足工程应用需求.

表1 测试内容及数值

由图8和表1可知，发射中心频率为4.3 GHz，载波泄漏功率降低为-79 dBm，对消效果最好，同时抑制直流频偏分量，与ADS软件仿真结果基本一致. 仿真结果和试验测试结果表明. 采用本技术方案，消除了直流频偏分量，降低了载波泄漏信号功率，提高了对消比，保证了接收机的线性度、灵敏度，提高收发信机通信距离与通信质量.

4 结 论

论文研究了无线电收发信机载波泄漏抑制问题，提出了一种基于幅相检测与移频相消融合的载波泄漏抑制方法.创建了载波泄漏同频对消的数学模型，给出了硬件电路实现载波泄漏抑制的技术方案，采用硬件抑制和软件对消智能融合，消除同频杂波干扰和直流频偏的干扰. 较好地解决了载波泄漏的抑制问题. 建立了对消抑制电路的仿真模型，计算分析了电路模型的载波抑制性能. 搭建实验系统，对比分析了仿真设计和实验结果.为无线收发信机载波泄漏的抑制提供了一种简单有效的实现方法.

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(责任编辑：刘雨)

Carrier-Leakage Suppression Techniques Based on Mixing Magnitude-Phase Inspection and Frequency Shift Cancellation

MA Yue-hong1，2， ZHANG Xiao-lin1， LIU Qiu-sheng2， YU Zhi-jian3

(1.School of Electronic and Information Engineering， Beihang University， Beijing 100191， China;2.Ordnance Engineering College， Shijiazhuang, Hebei 050003，China;3.Taiyuan Satellite Launch Center， Taiyuan, Shanxi 030027， China)

In view of the carrier leakage problem for small single-antenna radio transceiver， the carrier-leakage suppression techniques were proposed based on mixing magnitude-phase shift with frequency shift cancellation. Carrier leakage and DC frequency was cancellated by the carrier-leakage suppression integration techniques， which was merged together the adaptive closed-loop offset technology and frequency offset cancellation technology. The ADS software experimental results and testing indicate that the output power is -79 dBm and the carrier leakage cancellation is up to 56 with 4.3 GHz transmitting center frequency. The carrier leak on single-antenna transceiver is reduced without obvious distortion in the output wave shape and the DC offset component is eliminated. The receiver sensitivity and detection probability are improved by the carrier-leakage suppression techniques.

frequency modulated continuous wave(FMCW); carrier leakage; DC offset; carrier leakage cancellation technology

2016-04-25

国家“八六三”计划项目(2013AA7034055A)；国家部委预研重点项目(51306040401)

马月红(1979—)，女，博士生，讲师，E-mail：sunmyh@163.com.

TN 925

A

1001-0645(2016)12-1298-06

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.12.017