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數(shù)字陣列雷達(dá)：零中頻接收機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

時(shí)間：2020-08-24 10:08:08
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[導(dǎo)讀]數(shù)字陣列雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)陣元級(jí)的數(shù)字收發(fā)，為了減少射頻前端的復(fù)雜性同時(shí)降低對(duì)高采樣率的需求，本文簡(jiǎn)單介紹正交解調(diào)接收機(jī)，或者稱為零中頻接收機(jī)，從而每個(gè)陣元只需要一個(gè)本振就可以了。 零中頻接收機(jī)的一個(gè)重要的缺陷是IQ正交通道的不平衡性，那如何降低這

數(shù)字陣列雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)陣元級(jí)的數(shù)字收發(fā)，為了減少射頻前端的復(fù)雜性同時(shí)降低對(duì)高采樣率的需求，本文簡(jiǎn)單介紹正交解調(diào)接收機(jī)，或者稱為零中頻接收機(jī)，從而每個(gè)陣元只需要一個(gè)本振就可以了。

零中頻接收機(jī)的一個(gè)重要的缺陷是IQ正交通道的不平衡性，那如何降低這種不平衡性的影響呢？本文介紹了一種IQ通道不平衡性的補(bǔ)償方法，這種方法利用數(shù)字陣列架構(gòu)實(shí)現(xiàn)這些誤差的解相關(guān)，并且可以顯著降低這些誤差對(duì)數(shù)字波束形成的影響。


零中頻接收機(jī)




數(shù)字陣列雷達(dá)是的特征是在陣列天線的每個(gè)陣元上以數(shù)字化的形式形成發(fā)射波形，而接收到的信號(hào)在陣列單元處數(shù)字化，并且，波束合成是在數(shù)字化后的信號(hào)處理階段中，而不是在射頻階段。

數(shù)字陣列雷達(dá)：零中頻接收機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

為了降低射頻前端的復(fù)雜性，同時(shí)降低對(duì)高采樣率的需求，提出正交解調(diào)接收機(jī)(又稱零中頻接收機(jī)等)，這種接收機(jī)的各個(gè)接收陣元只需要一個(gè)本振，這種架構(gòu)需要較少的濾波器及較低的轉(zhuǎn)換采樣率。

優(yōu)點(diǎn)：

這帶來(lái)了如下好處：1)降低和損耗和能量損失；2)更容易實(shí)現(xiàn)多接收通道的集成；3)降低每個(gè)接收通道的數(shù)據(jù)率，從而使大型陣列的后端處理成為可能。

數(shù)字陣列雷達(dá)：零中頻接收機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)
缺點(diǎn)：

然而零差架構(gòu)也帶來(lái)了些許影響雷達(dá)性能的缺點(diǎn)，如IQ不平衡，二階交調(diào)，直流分量以及1/f噪聲。本文的主要工作是數(shù)字陣列中IQ通道不平衡誤差的補(bǔ)償。陣列的每個(gè)陣元的接收通道缺陷的去相關(guān)已經(jīng)進(jìn)行了一段時(shí)間。

雖然有一些射頻前端的非理想因素，如混頻器雜散去相關(guān)，但學(xué)術(shù)界主要聚焦于模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的雜散。


I/Q通道幅相不平衡




IQ通道的幅相不平衡導(dǎo)致了一個(gè)IQ鏡像。雷達(dá)應(yīng)用比其他應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)這個(gè)鏡像的抑制需求更為迫切；單通道IQ不平衡修正技術(shù)無(wú)法滿足多通道雷達(dá)應(yīng)用需求。

然而，對(duì)于數(shù)字陣列，這些誤差存在著被去相關(guān)化的可能，使得總的數(shù)字波束形成的IQ鏡像明顯低于任何單個(gè)通道的輸出鏡像。已有兩種方法出現(xiàn)在公開文獻(xiàn)中。

數(shù)字陣列雷達(dá)：零中頻接收機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

而重點(diǎn)關(guān)注一種新的方法，即考慮陣列中的所有陣元及所有陣元不平衡性的統(tǒng)計(jì)估值。確定了提高陣列級(jí)鏡像抑制率的單個(gè)補(bǔ)償因子。

本文將描述接收通道IQ解調(diào)過(guò)程并提出一種窄帶數(shù)字陣列的解析解。這些隨后應(yīng)用于一個(gè)有32個(gè)數(shù)字接收單元的陣列的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理。不平衡解調(diào)技術(shù)還與陣元級(jí)直接補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行了比較，表明該技術(shù)顯著提升了鏡像抑制率。

前面所講的IQ通道不均衡性會(huì)產(chǎn)生虛假的多普勒目標(biāo)，事實(shí)上，之前通常采用選擇合適的采樣率和使用數(shù)字信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)下變頻為IQ信號(hào)，這種IQ圖像是雷達(dá)系統(tǒng)工程師們時(shí)常遇到的。如果有用的回波信號(hào)包含多普勒分量，那么這個(gè)鏡像也會(huì)有多普勒頻移，表現(xiàn)為一個(gè)較小的，徑向速度與真實(shí)目標(biāo)相反的虛假目標(biāo)。



三種補(bǔ)償方法




為了比較數(shù)字陣列的IQ不平衡補(bǔ)償方法，我們假設(shè)采用均勻陣列加權(quán)，且波束指向天線軸線方向，在有N個(gè)正交接收機(jī)的情況下，波束形成器的輸出為

數(shù)字陣列雷達(dá)：零中頻接收機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

接下來(lái)介紹下三種IQ不均衡補(bǔ)償方法：陣元級(jí)補(bǔ)償，隨機(jī)相位分量法和單復(fù)因子補(bǔ)償法。

陣元級(jí)補(bǔ)償：

典型情況下可以達(dá)到40到60dB的鏡像抑制比，有時(shí)也可以達(dá)到70dB，如對(duì)于通信系統(tǒng)的單通道情況。

數(shù)字陣列雷達(dá)：零中頻接收機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

陣元級(jí)的幅相不平衡直接補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn)是不平衡誤差估計(jì)值的不準(zhǔn)確性，可以在試驗(yàn)結(jié)果中看出。在現(xiàn)有噪聲水平下的任何估值，這種估值受制于考慮的采樣點(diǎn)的數(shù)量，信噪比，或者兩者皆有。

隨機(jī)相位分量法：

實(shí)現(xiàn)數(shù)字陣列雷達(dá)IQ通道不平衡性解相關(guān)的可行方法是認(rèn)為引入已知的隨機(jī)相位分量方法，即在數(shù)字波束成形之前，在RF通道或LO通道和隨后的數(shù)字處理通道中加入已知的隨機(jī)相位分量。

數(shù)字陣列雷達(dá)：零中頻接收機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

在每個(gè)單元的LO端口合成一個(gè)可控的相對(duì)相移分量。然而，這種架構(gòu)在相位噪聲的改善依賴于雜波環(huán)境的強(qiáng)弱和陣列的尺寸。無(wú)論如何，這種方法還是值得考慮的，因?yàn)樗哂械统杀?，彈性和概念?jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。

單復(fù)因子補(bǔ)償法：

這個(gè)復(fù)因子應(yīng)用于波束形成相加之后，并影響陣列的維度(陣元數(shù)量)，且實(shí)現(xiàn)通道不平衡的均值估計(jì)。其實(shí)現(xiàn)方法如圖所示，第n通道的I和Q分量，可以用復(fù)指數(shù)表示。

數(shù)字陣列雷達(dá)：零中頻接收機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

這種陣列級(jí)的補(bǔ)償使陣列級(jí)的IRR趨向于無(wú)窮，這種理想極限在通道級(jí)的不均衡性估計(jì)精度和幅度相位單因子補(bǔ)償精度有限的情況下是可以實(shí)現(xiàn)的。

數(shù)字陣列雷達(dá)：零中頻接收機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

由于單因子和陣元級(jí)補(bǔ)償方法都有依賴于相同的信道振幅和相位不平衡估計(jì)，它們的初值是相同的，達(dá)到52.6 dB的IRR值，提高了26 dB。用于單因子補(bǔ)償?shù)钠骄黄胶庹`差是根據(jù)方程中描述的信道不平衡估計(jì)量來(lái)計(jì)算的。

數(shù)字陣列雷達(dá)：零中頻接收機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

估計(jì)值的準(zhǔn)確性受每個(gè)通道信噪比的限制，其精度將限制陣元級(jí)和單因子補(bǔ)償方法的有效性。估計(jì)值的準(zhǔn)確度取決于信噪比，也可能取決于估計(jì)過(guò)程中使用的數(shù)據(jù)點(diǎn)說(shuō)明初始因子在實(shí)現(xiàn)最優(yōu)IRR的真實(shí)因子的附近。
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