探讨直接变频技术在雷达中的应用

张祖红

（江苏省南京工程高等职业学校，江苏南京，211135）

1 问题的提出

直接下变频接收机的运行原理是在去除中频级的基础上将射频信号发送到基带，而在去除中频以后中频值就为零，进而也可以被称之为“零中频接收机”。直接下变频接收机在运行的时候分别与两路相互正交的本振信号进行混频，进而有效而出相互正交的I/Q 两路基带信号。与此同时，还需要将基带进行放大、替换，并通过相应的数字信号处理方法进行数字后处理。相对的，下变频的逆变换就是上变频，直接上变频技术具备结构简单、聚合简便的优势，进而与直接下变频技术统称为直接变频技术。直接下变频接收机发明已经有了较长一段时间，但当时的技术工艺并不支持其稳定运行，而实际应用过程中所展现出来的性能缺陷也导致直接下变频接收机一直不能得到妥善利用。直接下变频接收机主要由分离器件构成，而正交混频器以及I/Q 通道是由模拟器件构成，在实际运行的过程中会采用直流耦合的方式，但模拟器件工作的时候会导致电压、电流值发生一定的改变，加上在很大程度上还会受到外部温度环境因素的影响，进而导致输出直流零漂大、I/Q 通道存在误差的问题。在这样的情况下，将会直接影响到接收机的动态范围，同时进一步减弱接收机的抗干扰能力，这也是直接下变频接收机无法正常投入使用的最根本的原因。

现阶段，现代集成电路技术以及数字信号处理技术的发展已经到了一个新的水平，在这样的环境下，以往阻碍直接变频技术应用的问题可以得到妥善解决，直接变频技术的应用也将会获得更大的可能性。特别是全数字后处理办法的应用更是可以在不需要验证信息的前提下抵消大部分直接下变频接收机的关键失真，同时也进一步获得了更广阔的的发展空间。现阶段，直接下变频体制接收机在手机、GPS、卫星接收机等各个通信领域都得到了切实有效的应用，同时也进一步体现出成本低廉、体积小以及集成化程度高的突出优势。

2 直接下变频技术分析

就当前的发展水平来看，直接下变频接收机主要有两种运行模式，是其中一种是射频采样，该模式主要是应通过在一定数字域内完成数字下变换和数字滤波，并由此进一步形成“全数字式接收机”。总体来看，“全数字化”是接收机当前的终极发展目标，该技术不仅满足了A/D 变换器形态的发展趋势，在滤波器组、低噪声放大器、微波雷达等方面配备得也更为齐全。但由于“全数字式接收机”对动态范围提出了较高的要求，因此在当下的技术水平下并不能实现其发展目标。而另一种是模拟变频和低通滤波，在这样的模式下，射频信号与本振信号可以形成相互正交的I/Q 两路基带信号，并通过DSP 方法完成非线性校正和滤波处理。就当前的发展水平来看，直接下变频接收机相较于超外差式接收机最为突出的优势就是完成了中频级的去除，但与此同时，该技术的优势还体现在其他几个方面：第一，直接下变频接收机在运行的过程中将前置滤波器、中频级和中频滤波器等不必要的部件都直接去除，这不仅显著缩小了接收机的体积，还进一步缩减了整体需要消耗的成本费用，进而有效实现接收机的大规模集成。第二，在这样的模式下，直接下变频的集成化程度可以得到大量提升，直接下变频、I/Q 模拟处理以及A/D 变换器在完成集成之后可以近似于一个单片接收机；第三，由于放大信号的相关操作主要是集中在基带上完成的，因此也可以大大减少整体的能耗。在以往直接下变频接收机运行的过程中都存在很多技术上的问题，当前在集成电路工艺和全数字后处理技术的高速发展下都可以进一步得到解决。以全带宽自适应数字对消办法的使用为例，在结合当前技术工艺的基础上实施该方法可以在不借助附加硬件设备的条件下对直接下变频接收机的干扰加以消除，有效实现全数字线性化的进一步发展。与此同时，全带宽自适应数字对消办法的使用还可以在不需要实现进行消息认证的情况下完成关键失真对消。除此以外，直接下变频接收机芯片由I/Q 混频器、本振正交发生器等部件组成，同时可以展现出更为先进的集成电路技术，输出端的线性度较以往相比也更加平直[1]。在这样的环境下，可以显著减少接收机对高电平调幅干扰的灵敏度，并将交叉调制控制在可以实现的范围当中。

3 直接下变频技术的应用

从直接下变频技术的的实际应用情况来看，脉冲调制的线性调频在运行过程中展现的是一个常用的雷达信号波形，在此基础上设置一个基础的设射频回波信号，进而可以用以下的表达式表示：

在此基础上，射频信号与相互正交的两路本振信号进行混频，而本振信号频率与发射信号的载波频率是相等的，进而还可以形成I/Q 两路基带信号。在频谱上还可以进一步对镜频、直流零漂等内容进行观察，并通过匹配滤波器计算出其脉冲响应。

在这样的情况下，针对匹配滤波的计算范围将会变得更加广泛，不仅可以在时域内进行计算，还可以在频域中完成相应的计算过程。将线性调频信号的带宽设为B 而脉宽为T，在经过以上匹配滤波之后整体就可以被压缩为窄脉冲，其中压缩比为BT。由此也可以进一步看出，在完成脉冲压缩以后信号就会产生相应的脉压得益，这时只需要通过FFT 等运算就可以最终计算出目标信号的多普勒距离信息。但很显然，因为I/Q 通道的幅相不一致使得匹配滤波器的传输函数与镜频之间存在着明显不匹配的情况，因此在完成匹配滤波之后镜频抑制比教正常情况下会增加。在这样的情况下，设接收机的镜频抑制比为IRR，这样最终多普勒图上镜频抑制比就会为IRR+10lg(BT)。

随着现代集成电路技术以及数字信号处理技术发展水平的不断提升，直接下变频接收机技术的应用成本也显著降低，因此其在通信领域的应用范围也变得越发广泛。其中最为突出的应用领域主要包括手机、手机基站、卫星接收机以及GPS 接收机等，并在实际应用的过程中进一步体现出成本低、体积小、结构简单以及集成化发展水平高的优势。考虑到直接下变频接收机性能的大幅提升，在实验的过程中，也利用AD 公司的ADRV9009 制作了一个工作于S 波段的雷达试验系统，并在此基础上进一步增加了滤波器以及功放等部件，有效构成一个数字式T/R 组件，称之为数字式T/R 组件。

4 雷达性能分析

完成雷达T/R 组件的构成之后就可以对其进行实验与应用，在此过程中也可以进一步看出，直接下变频技术的引入使得雷达T/R 组件的整体性能得到了大幅度地提升。相较于传统的射频T/R 组件，雷达T/R 组件的优势主要体现在以下几个方面：第一，将一部分不必要的零部件去除以后可以有效缩小整体的体积，同时还大幅降低了其成本消耗；第二，针对复杂馈线系统的要求实现了明显降低；第三，在原有的基础上还进一步开发出数字域内实时延时的操作，这样就可以为DBF 技术提供更加广阔的应用空间；第四，针对本振信号和发射信号波形匹配接收的难度得到进一步减低；第五，雷达T/R 组件的应用可以在同一个重复周期内实现多个复杂波形，对提升频率分集效率提供了强有力的支持条件[2]。

现阶段，DBF 体制越来越多地被引入到现代相控阵雷达系统当中，在此过程中所需要的接收机路数也在明显提升，为实现与通道的合理控制，必须对接收机的体积、成本以及可靠性进行综合考虑。一直以来，接收机采用的都是超外差式的结构，这样的模式已经存在很长时间，一直到1990 年之前该方法依旧是最佳的解决办法，而直接下变频接收机的应用只存在于理论上。然而现代集成电路技术的发展大大提升了该技术应用的可能性，直接下变频接收机过去的很多应用问题都迎刃而解，因此其应用也势必会成为雷达技术全新的一个发展方向。将直接下变频接收机与雷达系统相结合的雷达数字式T/R 组件在噪声系数、增益以及动态范围等多个方面也达到了正常雷达的运行标准，但其体积、成本却远小于常规雷达接收机，这样对直接下变频接收机应用产生限制的因素不断缩减，更好地满足雷达运行的总体动态性能要求。

假设整个天线阵面的单元数量为N，同时每一个单元都连接了数字T/R，这样也就会导致每个天线单元接收到的信号功率同单路接收机系统相比要想得多，只有其1/N。面对这样的问题，每一个单元的接收机动态范围也需要进行相应的缩减。与此同时，现阶段脉冲压缩信号依然是相控阵雷达采用的主要形式，在完成回波信号接收之后并不能及时对其进行压缩，这样就会导致相关信号要低于噪声电平。因此单元通道接收机动态范围要求也需要随之缩减。例如在天线单元数N 为1000 的情况下，脉冲压缩比为1000，因此其动态范围要求就需要从100dB 缩减到40dB。除此以外，还可以进一步通过STC 等方式完成单元通道接收机动态范围要求的缩减。在这样的情况下，可以有效保证雷达阵列信号处理的稳定性，进而并不会对后续的雷达信号检测造成影响。