毫米波雷达数字复数下变频正交采样方法研究

赵 博

(解放军92941部队，辽宁 葫芦岛 125001)

毫米波雷达数字复数下变频正交采样方法研究

赵 博

(解放军92941部队，辽宁 葫芦岛 125001)

运用数字化的直接下变频技术，在进行滤波器采样的同时，达到了信号下变频目的，从工程实践的层面降低了难度。通过推导和计算，将得出的最优化采样频率应用到毫米波雷达中频信号采样过程中，仅用一个模数转换器(ADC)和相关器件完成了系统的整体设计，降低了施工成本，提高了信号处理的速度和准确率。

毫米波雷达；数字下变频；正交采样

0 引 言

电子技术的飞速发展,使得毫米波雷达技术也进入了飞速发展的时期,新技术层出不穷,如高分辨毫米波雷达技术、毫米波成像雷达技术[1]、毫米波雷达目标识别技术[2]、自适应毫米波雷达技术[3]、多功能毫米波雷达导引头技术[4]等等。同时,随着大规模集成电路技术的不断发展进步,数模转换器采样的速度也越来越高,毫米波雷达数字化程度也变得越来越高,如直接数字频率合成技术等[5],数字变频技术更是在毫米波高分辨雷达上得到了大范围的拓展和使用[6]。直接运用数字化频率可以做到雷达波形数字化产生[7],雷达的相关参数可在程序中进行实时更改,以达到优化雷达性能的目的。

1 直接模拟下变频法

数字下变频的基础是奈奎斯特采样定理：一个频谱位于0～B的带限信号，其频谱不混叠的最低采样率为2B，该采样率称为奈奎斯特率，对应于1/2奈奎斯特率的频率称为奈奎斯特频率[8]，奈奎斯特频率到零之间覆盖的带宽称为奈奎斯特带宽，采样信号的频谱在频域上被分割为无数个奈奎斯特区，每个奈奎斯特区的宽度即奈奎斯特带宽的宽度[9]。

直接模拟下变频，又称为模拟复数下变频的正交采样方法，从理论角度上来讲，该方法具有很好的工作性，是目前此领域经常使用的方法，该方法的原理图如图1所示[10]。

图1 模拟复数下变频的正交采样方法

但是，在工程实践中由于硬件的精度和稳定性等条件制约，十分准确地保持毫米波信号的垂直相位关系是非常困难的，或者说是不现实的。在实践中，1°～2°的相位误差是经常出现的情况，在理论上，需要匹配精确的同轴电缆，同时还必须使用2个精确振荡器(相差90°)和2个具有相同特性的混频器，当然，这也是不现实的。要找到1对工作特性相同的模拟低通滤波器和1对工作特性完全相同的ADC，对工程实践来说要求是非常高的。

2 数字复数下变频正交采样方法

采用数字复数下变频正交采样方法可以很好地降低模拟复数下变频的正交采样方法带来的诸多苛刻要求。如图2所示，模拟信号Xp(t)经过ADC后，再经数字混频器和带通滤波器，就可以得到想要的信号，这种方法在理论和实践上都改善了信号采样过程中存在的各种限制条件过多的问题，这种方法与模拟体制下的复数下变频正交采样方法存在很大不同，因为它的整体设计中只用到了1个ADC，大大降低了工程实践的难度。

图2 用数字混频方法的复数正交采样

图2中:

Xc(n)=I(n)+jQ(n)

(1)

当fs=4fc时，上述采样方法的优点就显得非常突出，其原因如下：cos(2πn)=1,0,-1,0,…;-sin(πn)=0,-1,0,1,…。

带通采样又被称作为中频(IF)采样、调和采样或下奈奎斯特采样等。并且，由于在带通采样的整体过程中，频率转换和采样过程是紧密相关的2个过程，它可以在完成信号数字化的同时达到对信号频率进行变换的目的，因此，采样变换是带通采样的又一个理论名称。

为了满足信号采样系统的需求，在采样之前输入的信号必须是带限信号。而对于带限信号来讲，它符合带通采样定理的相关要求和特性。

下面给出带通采样定理:对于一个带宽为B、频率范围为从fL到(fL+B)的典型带限信号，设定以采样速率fs对信号进行采样，之后根据上述理论，就可以将采样得到的信号进行重建，所以fs必须满足下面的关系式：

(2)

假定fL=8.3 MHz，B=6.4 MHz，就可以计算出fs≥14.7 MHz。进一步进行理论分析[10]，得到适合带通采样定理计算采样值需要的公式：

(3)

而避免混叠的最小采样频率公式为：

(4)

将fc=35 GHz、B=31.25 MHz代入计算得fs=63 MHz。从理论层面讲，ADC在技术层面可以无限接近天线端口，但是在实际工程实践过程中，ADC的带宽是有限的，不同厂家的ADC均无法对高频或者超高频的信号进行采样。要完成模拟带限信号数字化的过程，就需要在初始阶段将高频的信号下变频到中频段。根据奈奎斯特采样定理，这种下变频方法的应用对信号中的有用信息是无损失的，因此可以使用这种下变频的方法使其降频为100 MHz的中频信号。此时fc=100 MHz，B=31.25 MHz，经过计算后可得到：m=1时，fs=142 187 500 Hz；m=2时，fs=80 729 166.67。通过对m取1～1 000内所有整数值的计算，可得到最佳采样频率为80 729 166.67 Hz。根据其相关的数据采样要求，结合工程实践成本以及当前市场上电子器件的可靠度，最优中频采样系统组合可以由AD8041、AD9057和AD6624A构成，如图3所示。

图3 中频采样系统框图

由原理框图可以清楚地看到，Xp(t)经过器件AD8041进行放大之后，由8位转换器AD9057进行转换，之后再送入数字下变频器AD6624A进行下变频处理，最终得到需要的信号形式。

3 结束语

本文运用数字化的直接下变频技术,在进行滤波器采样的同时,达到了信号下变频的目的,从工程实践的层面降低了难度。通过推导和计算,将得出的最优化采样频率应用到了毫米波雷达中频信号的采样过程中,使用当前市场成熟的产品技术对中频信号进行设计,仅用一个ADC和相关器件,完成了系统的整体设计,降低了施工成本,提高了信号处理的速度和准确率。

[1] OPPENHEIM A V.信号与系统[M].刘树棠译.2版.西安:西安交通大学出版社，1998.

[2] JOHNSON H,JRAHAL M.High Speed Design Techniques[M].Upper Saddle River,NJ,America:Prentice Hall，1996.

[3] LYONS R G.Understanding Digital Signal Processing[M].2nd ed.Upper Saddle River,NJ,America:Prentice Hall,2004

[4] 蔡希尧.雷达系统概论[M].北京：科学出版社，1983.

[5] 李跃华.毫米波频率步进雷达信号检测与处理[D].南京:南京理工大学，1999.

[6] HAMBLEN J O,FURMAN M D.Rapid Prototyping of Digital Systems:A Tutorial Approach[M].2nd ed.Boston,USA:Kluwer Academic Publishers,2001.

[7] 薛良金.毫米波工程基础[M].北京：国防工业出版社，1998.

[8] 张建明.雷达伺服系统的数字化[J].国外电子元器件，2002(7):17-19.

[9] 孙长贵，李兴国.脉间CostasFH高分辨毫米波雷达信号的DDS实现[J].红外与毫米波学报，2002，21(6)：472-474.

[10] PRINGLE R C.Range Rate Aiding in Pulsed Radar System:US6281833B1[P].2001-01-01.

ResearchintoQuadratureSamplingMethodofDigitalPluralDown-conversionforMillimeterWaveRadar

ZHAO Bo

(Unit 92941 of PLA,Huludao 125001,China)

This paper uses the digital direct down-conversion technology to achieve the purpose of signal down-conversion while the process of filter sampling,decreases the difficulty from engineering practice aspect,applies the obtained optimization sampling frequency into the sampling process of intermediate frequency signals of millimeter wave radar through deduction and calculation,only uses an A/D converter and relative devices to complete the whole system design,which reduces the construction cost and increases the speed and accuracy of signal processing.

millimeter wave radar;digital down-conversion;quadrature sampling

TP391

A

CN32-1413(2017)05-0090-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.05.020

2017-04-22