OFDM同步算法中的最大似然函数法
OFDM同步算法中的最大似然函数法OFDM同步算法中的最大似然函数法AbstractTitle: RESEARCH ON SYNCHRONIZATION ALGORITHMS IN OFDMSYSTEMMajor: COMMUNICATION AND INFORMATION SYSTEMNameYao xuSignature:_140AuSupervisor: Prof Lin WANGSignature:/-abstractOrthogonal Frequency Division Multiplexing(OFDM)is the key technique of the fourthgeneration mobile communication. The advantage of ofDM is to resist of the multi-pathchannel. OFDM improves the utilization efficiency of the spectrum. It enhances the capacity ofthe system and meets the request of the high speed of data transmission and users movementfor the next generation mobile communicationOFDM is more sensitive to the frequency offset and the phase noise than the single carriecommunication system, since the frequency offset will break the orthogonality of thesub-carriers, introduce the interference of the sub-carriers, and bring great influence to thesystem performance. Synchronization is one of the key techniques of the OFDM. This paperchiefly studies the synchronization of OFDM, and includes the algorithm and actualization.In this thesis, the OFDM model and its principle are introduced firstly in brief, thencuss strengthens and weakens of oFDM system, further more is the synchronization issuesespecially focuses on synchronization issues: Analysis the effects of demodulation performance,including frequency offset and timing offset, and in-depth research on symbol timingsynchronization and frequency synchronization of OFDM system. a lot of computersimulations are given over awgn and frequency selective fading channels. We analyze andmpare the performance of a few synchronization methods, including their applying areas,merits and shortcomings. Furthermore, the article proposes an improved ofdm timingsynchronization algorithm and frequency synchronization algorithm. the improved algorithmcould find the exactly timing point and frequency offset by the character of correlation, thesimulations show that this algorithm has an obviously peak at exact point and significantlyreduces the mean square error of timing estimate. Using the result of timing and resetcoefficient to calculate frequency offset. Simulations show that improved frequency algorithmcould reach smaller mseKey words: OFDM; Symbol synchronization; Carrier frequency synchronization; PN sequence;Cyclic prefix独创性声明秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明:本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知,除特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢本论文及其相关资料若有不实之处,由本人承担一切相关责任论文作者签名:络说y年月忍日学位论文使用授权声明本人说,在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩,并已经在西安理工大学申请博士/硕士学位本人作为学位论文著作权拥有者,同意授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权,即:1)已获学位的研究生按学校规定提交印刷版和电子版学位论文,学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的学位论文,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索;2)为教学和科研目的,学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。本人学位论文全部或部分内容的公布(包括刊登)授权西安理工大学研究生部办理保密的学位论文在解密后,适用本授权说明论文作者签名受。导师签名以xB年3月日1绪论1绪论随着 Intermet商用化所带动的视频、音频及数字通信技术的发展,无线通信也得到了进一步的重视和发展。在任何地点,任何时间能够方便地进行话音、数据、图像、视频等各种信息的通信是人类的美好愿望。为此,在过去的十多年中,向第三代无线标准发展的全球性浪潮使各个厂商纷纷参与了新技术的标准化工作。然而,信息产业在新一代技术推动通信系统所带来的优质服务的同时,第四代移动通信系统的最新技术也在不断的研究中,并开始向市场进军。随着人们需求的不断增高,多媒体和计算机通信在当今社会扮演着日益重要的角色,对通信系统的发展不断提出新的要求和挑战。世界各国目前都已把研发的焦点聚集到了“无线宽带多媒体通信系统( WBMCS”上来,以欧洲地面数字电视广播(DB-T)、无线本地环路(WLAN,WMAX和超宽带(UWB等为代表的新的通信理念及技术已逐步走入商用化阶段,进一步推动了信息化社会的发展11课题研究背景现代无线通信技术的发展始于20世纪20年代,但直到20世纪70年代中期,才得到蓬勃发展。1978年底,美国贝尔实验室研制成功AMPS( Advanced mobile Phone System,先进移动电话系统)系统,建成了蜂窝模拟无线通信网。欧洲和日本也相继开发出模拟的蜂窝移动通信网。这阶段诞生的模拟移动通信统称为第一代移动通信系统,简称1G(the1 st Generation)。1G系统采用频分多址(FDMA和模拟技术,在发展初期得到较为广泛的应用,它的缺点是容量小、频谱利用率低、抗干扰能力差、系统保密性差,仅达到模拟话音一般质量的要求,不能满足日益增长的用户的需求。从20世纪80年代中期开始,数字移动通信系统进入发展和成熟时期。欧洲率先推出了GSM( Global System for the Mobilecommunications,全球移动通信系统),随后美国和日本也相继推出了各自的数字移动通信系统。20世纪90年代初,美国 Qualcomm(高通)公司推出了窄带的 CDMA(Code DivisionMultiple Access,码分多址蜂窝移动通信系统),从此,CDMA这种新的无线接入技术在无线通信领域占有越来越位。这些目前正在广泛使用的数字无线通信系统被称为第二代移动通信系统,简称2Gthe2 nd generation)。2G系统以GSM系统和IS95系统为代表,达到了高质量的话音通信要求,传输速率为96kbps。被视为二代到三代过渡技术的GPRS( General Packet Radio System)和EDGE( Enhanced Data Rate for Evolution等系统增强了分组数据业务的传输能力,将最大传输速率分别提高到160kbps,384kbps。既提供了话音通信服务,又提供了无线数据通信业务。随着人们对通信业务的范围和速率的不断提高,已有的2G通信网很难满足新的业务需求。为了适应市场的需求,业界开始研制第三代移动通信系统3G(he3 rd generation)。3G系统要支持视频、互联网接入及其它更高速西安理工大学硕士学位论文率的业务,它以CDMA技术为核心,其最大传输速率为2Mbps,可在话音业务基础上提供互动多媒体业务,如多媒体视频会议、国际互联网接入、文件传输和电子邮件等多种业务。随着移动通信和数据通信的飞速发展,移动用户对业务种类和通信速率的要求不断增加,未来移动通信将朝着高速率传输、多业务种类的方向发展。第四代移动通信系统计划以OFDM( Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交频分复用)为核心技术提供增值服务,它在宽带领域的应用具有很大的潜力。较之第三代移动通信系统,采用多种新技术的OFDM具有更高的频谱利用率和良好的抗多径干扰能力,它不仅仅可以增加系统容量,更重要的是它能更好地满足多媒体通信要求,将包括语音、数据、影像等大量信息的多媒体业务通过宽频信道高品质地传送出去,作为一种高效的并行传输技术,OFDM将高速数据流并行在多个子载波上传输,大大增长了符号周期,增强了抗码间干扰和信道衰落的能力,适用于恶劣的无线多径衰落信道中,从而被认为是下一代移动通信中极具发展前景的技术之一。12OFDM技术的发展与前景OFDM是一种无线环境下的多载波调制技术。该技术最早起源于20世纪50年代中期,并在60年代形成了使用并行数据传输和频分复用的概念,1970年1月首次公开发表了有关OFDM的专利,其基本思想通过采用允许子信道频谱重叠,但相互间又不影响的频分复用方法来并行传送数据。OFDM技术的第一个实际应用是军用无线高频通信链路。在早期的OFDM系统中,发射机和相关接收机所需的副载波阵列是由正弦信号发生器产生的,傅立叶变换的实现系统复杂且昂贵。1971年 Weinstein和Ebet提出了使用离散傅立叶变换实现OFDM系统中的全部调制和解调功能的建议,简化了振荡器阵列及相关接收机中本地载波之间严格同步的问题,为实现OFDM的全数字化方案作了理论上的准备80年代以后,OFDM的调制技术再一次成为研究热点。例如在有线信道的研究中,Hirosaki于1981年用DFT完成的OFDM调制技术,试验成功了16QAM多路并行传送192 kbit/s的电话线 MODEM。1984年, Cimini提出了一种适于无线信道传送数据的OFDM方案3。其特点是调制波的码型是方波,并在码元之间插入了保护间隙,该方案可以避免多径传播引起的码间千扰。进入90年代以后,OFDM的应用研究又涉及到了利用移动调频(FM)和单边带(SSB)信道进行高速数据通信、陆地移动通信、高速数字用户环路HDSL),非对称数字用户环路(ADSL)超高速数字用户环路( VHDSL)、数字音频广播(DAB)及高清晰度数字电视(HDTV和陆地广播等各种通信系统因此,这种多载波传输技术在双向无线数据方面的实际应用是近十年来的趋势。经过多年的发展,该技术在广播式的音频和视频领域已得到广泛的应用。主要的应用包括:非对称的数字用户环路(ADSL),ETSI标准的音频广播(DAB),数字视频广播(DVB等。1999年TEEE80211a通过了一个5GHz的无线局域网标准,其中OFDM调制技术被采用为它1绪论的物理层标准。欧洲电信标准协会ETST的宽带射频接入网(BRAN的局域网标准也把OFDM定为它的调制标准技术。1999年12月,包括 Ericsson, Nokia和WLAN在内的7家公司发起了国际OFDM论坛,致力于策划一个基于OFDM技术的全球统一标准。我国的信息产业部也经参加了OFDM论坛,可见OFDM在无线通信的应用己引起了国内通信界的重视。2000年11月,OFDM论坛的固定无线接入工作组向IEEE802163的无线城域网委员会提交了一份建议书,提议采用OFDM技术作为上IEE802163城域网的物理层标准。随着IEE80211a和 BRANHyperlan/2两个标准在局域网的普及应用,OFDM技术将会进一步在无线数据本地环路的广域网做出重大贡献综上所述,随着人们对通信数据化、宽带化、个人化和移动化的需求,OFDM技术在综合无线接入领域将越来越得到广泛的应用。随着DSP芯片技术的发展,傅立叶变换/反变换、64/128/256QAM的高速 Modem技术、网格编码技术、软判决技术、信道自适应技术、插入保护间隔、减少均衡计算量等成熟技术的逐步引用,人们己经开始集中精力开发OFDM技术在移动通信领域的应用。13本文的主要工作及内容安排论文的研究方向是OFDM系统的同步算法分析。论文在分析OFDM系统的关键技术和优缺点的基础上,提出了改进的定时同步和频率偏移佔计的研究方法,同时进行了模拟仿真和性能分析测试本论文的内容主要分为以下几部分第一章简要介绍了正交频分复用技术的研究背景,OFDM的起源、发展和前景,及其当前在国内外的发展状况。第二章分析OFDM的基本原理和数学模型、数据的串并变换、子载波的调制以及DFT在OFDM调制解调中的应用,对其关键技术进行了阐述,并同其他传输方式进行了分析比较。第三章讨论OFDM的系统原理。根据系统模型对OFDM系统中载波同步和符号定时同步的基本原理进行了分析。第四章基于前一章的分析,介绍了几种常用的定时同步算法:包括基于循环前缀的最大似然同步算法、基于训练序列的定时同步算法,最后作者介绍了本文的改进定时同步算法并通过 MATLAB仿真验证。第五章介绍了几种经典的频率同步算法:基于循环前缀的载波频率同步算法、 Moose的频率同步算法、基于训练序列的频率同步算法和本文改进的频率同步算法,也分别通过仿真进行验证最后一章对全文进行了总结,陈述了本论文所涉及工作的主要贡献,并指出了继续进行的相关研究工作和未来可能的研究方向。西安理工大学硕士学位论文2OFDM系统基本原理和同步性能分析21OFDM系统的基本原理经过40多年的发展,OFDM技术因其独特的优势获得了广泛的应用,而且正在赢得越来越多的关注。它的基本原理就是将总的信道带宽分成多个带宽相等的子信道,每个子信道上单独通过各自的子载波调制各自的信息符号并且各符号具有相同的符号间隔。当相邻子信道载波间隔等于有用符号间隔的倒数时,各个子信道间频谱相互重叠且相互正交21.1OFDM系统的基本模型OFDM是一种并行数据传输系统,它将高速串行数据经过串/并变换形成多路低速数据分别对多个子载波进行调制,叠加之后构成发送信号。在接收端,用同样数量的子载波进行相干解调,获得低速率数据流,经过并/串变换恢复得到高速数据流。在传统的频分复用(FDM)系统中,通过将整个频带划分为若干个不相交的子频带来传输并行的数据流,在接收端用一组滤波器来分离各个子信道。这种方法的频带利用率比较低,因为子信道之间要留有保护频带,而且要实现多个滤波器也有难度。OFDM系统是由大量在频率上等间隔的子载波构成,这些子载波的频谱可以相互重叠,这样就大大提高了频谱的利用效率。由于各个子载波在整个符号周期上是相互正交的,因此虽然各子载波的频谱之间存在重叠,在接收端仍然能够无失真的恢复发送数据。在OFDM系统中,当子载波间的最小间隔等于符号周期倒数的整数倍时,可以满足子载波正交条件。为了实现最大频谱效率,一般取载波最小间隔为符号周期的倒数。当符号由矩形脉冲形成时,每个调制载波的频谱为sinx/x形状,其峰值对应于所有其它子载波频谱中的零点,这样就能保证对每个子信道进行解调时,其它子信道的信号不会对其产生干扰。同时,高速的数据流通过串/并变换被分配到速率相对较低的若干个子信道中并行传输,每个子信道中的符号周期相对增加,可以减轻由于无线信道的多径时延扩展对系统造成的码间干扰(Sn)影响。此外,OFDM中还引入了保护间隔( Guard interva)当保护间隔长度大于最大多径时延扩展时,可以完全消除由于多径带来的码间干扰影响。如果采用循环前缀(CP)作为保护间隔,还可以避免由于多径传播带来的信道间千扰(ICDOFDM的系统模型如图2-1所示,串行数据信息经过编码成为符号率为7的数据符号,然后经过串并转换,形成了N个数据符号向量,表示为S~SM。此时并行数据符号率为∥(NTs),就是说,并行符号的持续时间是串行时间的N倍。数据向量S~SM经过离散傅立叶反变换后得到s~syr如果Snk表示第n个符号,第k个子载波的DFT输出,则上述过程可表示为2OFDM系统基本原理和同步性能分析么keny再经过并串转换,添加时间为T的保护间隔,数模转换,便被送入信道部分。保护间隔的长度应大于信道的最大时延扩展,这样可以消除符号间干扰(S)和多径所造成的载波间干扰CD影响,但同时也将符号的传输效率降为rg/(T+)。这样所有的OFDM符号构成的表达示为:0)、C>,m((+)(22)在接收部分,信道中的OFDM信号经过模数转换,去除保护间隔,然后串并转换,通过N点的离散傅立叶变换DFT),再经过并串转换和相应的解码便得到输出数据。接收端的采样信号为:r(mr)=∑(m)5(m-)+m(m)(23)其中,n(m;)为采样的高斯白噪声。串行数据输入串/并变换编码映射IFFT并/串变换插入循环前缀数模转换信道串行数并据输出」串均衡FFT变换串/并变换去掉循环前缀模数转换图2-10FDM系统的基本模型Fig 2-1 The Basic Model of OFDM system212申并变换数据的串/并变换就是将串行数据流变换成并行数据流同时进行传输。这与传统的串行数据传输形式是不一样的。OFDM在发送端进行IDFT之前必须进行串并转换,其中的目的之一是为了更方便的进行调制,同时由于数据符号传输时间的相应延长,可以减少多径无线信道的影响。当一西安理工大学硕士学位论文个OFDM符号在多径无线信道中传输时,频率选择性衰落会导致某几组子载波受到相当大的衰减,从而引起比特错误。这些在信道频率响应上的零点会造成在临近的子载波上发射的信息受到破坏,导致在每个符号中出现一连串的比特错误。与一大串错误连续出现的情况相比较,大多数前向纠错编码(FEC)在错误分布均匀的情况下会工作的更有效。所以,为了提高系统的性能,大多数系统采用数据加扰作为串并转换上作的一部分。这可以通过把每个连续的数据比特随机地分配到各个子载波上来实现。在接收机端,进行一个对应的逆过程解出信号。这样,不仅可以还原出数据比特原来的顺序,同时还可以分散由于信道衰落引起的连串的比特错误使其在时间上近似均匀分布。这种将比特错误位置的随机化可以提高前向纠错编码(GEC)的性能,并且系统的总的性能也得到改进为了更加清晰的看到OFDM系统的优越性,表2-1列出了单载波和多载波传输方式在符号时间、速率、频率带宽和对IsI敏感度等几个方面的比较。其中,N为子载波个数,T为一个OFDM符号的持续时间。表21单载波和多载波传输方式的比较Table2-1 Comparison of transmission between single carrier and multi-carriers传输方式系统参数单载波多载波符号时间T/NT速率N/T1T总频带带宽2*N/T2*N/+N*05/(假设保护带宽为0.5T)IsI敏感度较敏感较不敏感2.1.3子载波调制OFDM符号是由多个经过调制的子载波信号叠加组成。如果用N表示子信道的个数,T表示OFDM符号的宽度,d1=(i=0,1,…,N-1)是分配给每个子信道的数据符号,」是序号为0的子载波的载波频率,rer()=1,H≤T/2为矩形窗函数,则从r=,开始的OFDM符号可以用下式表示:TRerect f-texp j2 f C+3(,t≤t≤l+T1=0(t)=0tt+T在多数文献中,通常采用复等效基带信号形式来描述OFDM信号,如下所示:
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相控阵雷达接收技术-相控阵雷达技术丛书
接收技术是相控阵雷达最基本的技术之一。本书全面分析了相控阵雷达通道接收技术、相参频率合成技术、波形产生和激励源技术，这三部分内容涵盖了完整的相控阵雷达接收技术，具体有：相控阵雷达对接收机性能的要求，接收机的构成和主要功能；噪声的特性、来源，噪声系数及其测量方法和动态范围；多通道接收、计算机辅助测试和接收机监控技术；现代雷达中开始出现的数字接收技术；相位噪声的特点，在时域和频域表征它的参数和术语，对它的测量方法以及它对雷达性能的影响；基本的频率合成技术，特别详细地介绍了近年来出现的直接数字式频率合成技术；雷达发射波形和激励信号产生技术；相控阵雷达数字化接收技术的新进展。.目录Ⅻ3.4普遍情况下的网络噪声特性2了3.4.1多频网终的噪声特性303.4.2级联网络的噪声特性pt.自d鲁333.4.3超外差雷达接收机网络级联分析…39接收机灵敏度403.6相控阵雷达接收阵面的有效噪声温度3.6.1相控阵雷达有源天馈线阵面的主要类型433.6.2各类天线阵的有效噪声温度453.7噪声系数的测量463.7.1噪声源…463.7.2Y因子法…∴……483.7.3自动测量法3.7.4噪声直接测量法543.8内部干扰——电磁兼容性设计………553.8.1滤波与带宽的优化56.8.2中频频率的优化59参考文献…60第4章通道接收机的其他性能…624.1动态范围………624.1.1增益设计和增益分配634.1.2接收机输入端回波信号的动态范围……644.1.3接收机设备的动态范围674.1.4接收机的增益控制704.1.5接收机动态范围对MTI改善因子的影响4.2多通道接收机…………724.2.1多通道接收机的特性……724.2.2多通道接收机性能对相控阵雷达性能的影响…………………724.3通道接收机的计算机辅助测试(CAT)技术………734.3.1计算机自动测试基本原理和系统构成鲁非■鲁鲁章鲁∴…744.3.2单通道性能测试………………764.3.3通道间幅相一致性测试77相控阵雷达接收机的监控与BIT784.4.1相控阵雷达接收机监控和BⅠT的必要性、内容与方法4.4.279参考文献80Ⅻ相控阵雷达接收技术第5章数字接收机及采样定理1数字接收机的意义815.1.1雷达数字接收机的关键技术5.1.2数字接收机对雷达通道接收机性能的影响82低通采样定理…825.2.1采样845.2.2量化883中频数字化895.3.1带通釆样定理。曲自B自鲁鲁鲁5.3.2带通采样的进一步分析94降低噪声和杂散的方法97参考文献106第6章模数变换(ADC)技术…………………………………1086.1ADC的类型及其特性1086.1.1闪烁型或全并行型1096.1.2流水线型1106.1.3逐次逼近型………………·即.·看··罪·如自鲁6.1.4∑一△型……1126.2ADC主要性能分析…………………………………1146.2.1转换速率1166.2.2分辨力∴…1176.2.3增益误差非自自1176.2.4量化噪声1176.2.5输出信噪比暂最DD1216.2.6有效位……1226.2.7非线性失真及无杂散动态范围………………………………1246.2.8谐波失真…1256.2.9输入带宽,小信号带宽,全功率带宽…∴1266.2.10积分非线性误差和微分非线性误差1276.2.11漏码…1306.2.12直流偏移……………1306.2.13采集时间、孔径时间、孔径延迟时间和有效孔径延迟时间…1306.2.14孔径不确定性噪声1326.2.15噪声功率比1346.2.16缓冲放大器…136日录上絮6.2.17数字接收机与系统噪声系数………………1366.2.18ADC对雷达性能的影响138参考文献140第7章解调技术…1417.1解调技术的主要性能指标7.2模拟信号的解调●·普鲁啬1443无混频数字信号的解调1467.3.1数字正交检相器的一般原理∴…1477.3.2希尔伯特滤波法1487.3.3低通滤波法…………………1497.3.4插值法………………………1517.3.5数字乘积检相(DPD)法………1527.4采样率转换技术1537.4.1抽取……1537.4.2内插1545高效数字滤波器1567.6数字下变频器…7.6.1实现数字下变频的方法1617.6.2ASIC方法1617.6.3FPGA方法……甲·普···………………165参考文献…171第8章频率合成器的各项性能、相位噪声及其测量方法∴……1738.1频率合成器的主要性能指标1738.1.1工作频率范围及频率捷变点数…1738.1.2工作频率、频率准确度及长期频率稳定度……1748.1.3输出功率1748.1.4频率转换时间及其测试技术174频率稳定度或相位噪声………………1758.1.6谐波与杂散1768.1.7撷率推移1778.1.8频率牵引●●4……1778.1.9频率复现性1778.1.10开机特性1778.2频率稳定度及其表征………1788.2.1频率稳定度对于现代雷达的意义178Ⅻ相控阵霅达接收技术82.2相位噪声的产生………1838.2.3雷达频率源的频率稳定度砑究特点1938.2.4相位噪声的谱密度分布∴……………………19582.5频率稳定度的表征……1978.3频率稳定度的测量技术·。由击●果●………………………2128.3.1时域一阿仑方差测量法…2138.3.2频域测量方法之直接频谱仪法………………218.3.3频域测量方法之二—一相位检波法…∴…2178.3.4频域测量方法之三——鉴频法2238.3.5附加噪声的测量………………2248.3.6信号源调幅噪声的测量……2258.3.7脉冲信号相位噪声的测量技术…………226参考文献………230第9章频率源性能对雷达性能的影响……2329,1对雷达接收机噪声系数的影响2329.2对雷达接收机选择性的影响………2339.3对接收机动态范围的影响………2339.4对脉冲压缩性能的影响……鲁·鲁命鲁自着·非最单·非“·p看自·鲁·要罪要·D·身看2339.5对动目标显示性能的影响…2349.5.1动目标显示技术的基本原理……D●鲁2349.5.2颊率稳定度对MTI的影响…2369.6对脉冲多普勤雷达的影响240参考文献241第10章频率合成器的构成●鲁。看,·自·非24210.1直接模拟式频率合成技术……24210.2间接模拟式频率合成技术(锁相环技术)…………………24410.3直接数字式频率合成技术24610.3.1DDS的基本工作原理24710.3.2DDS输出信号的质量…25010.3.3DDS杂散的抑制……25710.3.4DDS输出频率的扩展26010.3.5数模变换器(DAC)26010.4组合式频率合成技术……………26710.4.1锁相环/直接式合成技术26710.4.2DDS/锁相环式合成技术268目录X参考文献………………………268第11章发射波形和激励信号产生技术27011.1发射波形的产生…………270模拟产生法27111.1.2数字产生法27411.2激励信号的产生……………28011.2.1直接中频信号产生…28011.2.2正交调制技术和上变频技术……………28111.3激励信号带宽的扩展一超宽带信号的产生……………28511.3,1基带信号带宽的展宽…………………………28511.3.2调制器的选择28611.3.3倍频技术28711.4激励信号质量分析自自自自「非28711.4.1基带波形的质量…28711.4.2正交调制器输出信号的质量……鲁。·香卵2811.4.3信号质量对匹配滤波一脉冲压缩性能的影响……290I1.4.4信号质量对去斜处理性能的影响……………293参考文献…297第12章数字化接收技术的新进展…………………………29912.1数字阵雷达(DAR)的发展历史及现状29912.2数字收发组件和数字接收机30312.3微波ADC技术…看·曲·鲁·鲁非自●。·带垂垂…30712.4光学ADC技术…………………………………31012.4.1电子ADC在提高ADC的动态范围一釆样频率积时的局限性……31112.4.2光学ADC的分类及几种主要类型的特性…31412.4.3光电ADC芯片……………32412.4.4光学模数变换器的应用…∴………32612.5多芯片组件(MCM)技术32612.6直接数字频率合成技术、数字波形产生和数字上变频技术……327参考文献328符号表………331缩略语340第1章概论1.1相控阵雷达接收分系统的构成部完整的相控阵雷达接收分系统的构成如图1.1所示,它包含了通道接收机、频率源和激励源(含雷达波形产生器)三个组成部分通道接收机模拟接收机或模拟前端数字接收机来自天线阵面的去DBF网络或射频信号模拟接收机或模拟前端数字接收机信号处理机1模拟接收机或模拟前端数字接收机频率源基准频率变频器及僧频器霎达基带波形产生器激励源图1.1相控阵雷达接收分系统的构成通道接收机是雷达回波信号的通道,它接收来自相控阵天线阵面的雷达回波信号。模拟接收机对回波信号首先进行一系列模拟处理,包含保护接收机免烧毁或饱和的有源/无源小功率限幅器、为机内检测(BⅠT)而设置的低插损定向耦合器、低噪声放大器(LNA)、下变频器。第一下变频器是借助于雷达频率源产生的本振信号(f()将微波射频回波信号下变频至固定的中频频率。变频次数可以是一次、两次或三次,视雷达的工作频段高低和中频频率优化结果而定,它们的作用2相控庥管达接取技术是逐渐将中频频率降低到合适的频率。接收机在中频频段,除对回波信号进行放大之外,还会对回波信号的带宽进行匹配或准匹配滤波;为了压缩回波信号的瞬时动态范围,在射频段或中频段,对通道的总增益进行灵敏度时间控制(STC);对多路通道之间的幅度/相位一致性进行调整;为后续的数字接收机设置防混叠滤波器。结构简单的模拟接收机有时又称为模拟前端雷达回波信号,经过模拟接收机的上述处理之后进人数字接收机,在数字接收机中首先是对模拟回波信号进行采样和量化分层,变换为特定字长和特定数据率的数字信号,高速率的数字信号进入数字下变频器(DDC),在一对正交数字乘法器中,借助于数控振荡器(NCO)把模数变换器采集到的数字信号解调出数字基带信号。为了与后续的数字信号处理机速率匹配,往往还要进行数据率的抽取和进步的数字匹配滤波,最后以极坐标或直角坐标的格式输出数字信号去进行数字波束形成或雷达数字信号处理回波信号数字化的切入点是根据雷达工作频段、回波信号带宽和模数变换器的采样速率等因素决定的,可以是在低中频,高中频,甚至于射频、微波频毀进行数字化。目前模数变换器的釆样率多在几兆赫至1吉赫范围内,国际上也出现了几吉赫以上采样率的模数变换器。模数变换器的采样率高低,决定了模拟接收机的繁简程度,技术的发展趋势是促成直接在射频或微波频段进行回波信号的数字化相控阵雷达接收分系统的第一个重要组成部分是通道接收机。通道接收机的通道数目多少取决于相控阵雷达的功能,这在本书第2章进行详细叙述。最简化的情况是采用三通道的单脉冲测角体制,为了进行副瓣对消,会增加副瓣对消接收通道,如果作为机载、星载相控阵雷达,还会设置对海接收通道和保护通道。对于采用数字波束形成技术的相控阵雷达,可以将天线阵面分割成若干个子阵,每个子阵后置一路通道接收机,也可以每个天线辐射单元后置一路通道接收机。相控阵雷达接收分系统另一个重要组成部分是雷达频率源,有时又称为雷达频率合成器,它是以一个高质量振荡器作为频率基准,经过不同方法的综合形成的,在本书第10章介绍了三种不同的类型,即直接模拟式频率源、间接模拟式频率源(即锁相环式频率源)、直接数字式频率源,以及它们相互结合的组合式频率源它提供通道接收机和雷达激励源所需的各本振信号、数字接收机和雷达波形产生器所需的采样信号()和时钟信号(f),除此之外,雷达频率源还向雷达定时器提供定时基准信号。相控阵雷达接收分系统第三个组成部分是所谓的雷达激励源,它实际上就是相控阵雷达发射机的前端部分。雷达激励源由上变频器和雷达波形产生器组成雷达波形产生器往往是数字式可编程的,它以直接式频率综合器(DDS)芯片为核心。理论上讲这种构成的波形产生器可以产生任意多种雷达工作波形,可以任意改变脉冲宽度和雷达重复频率,可以进行任意形式的调制:例如脉冲雷达常用的线第1章概论性调频、非线性调频和脉冲编码调制等,可以产生基带波形,也可以产生中频波形,可以产生正交的1/Q分量信号,也可以产生合成单边带信号上变频器:正如同通道接收机的下变频方式,雷达激励源可以采用上变频方式,将雷达波形产生器输出的中频信号借助雷达频率源输出的本振信号上变频至发射频率,也可以在上变频基础上再倍频至雷达发射频率,这要视雷达工作频段而定。激励源输出的功率一般在几十毫瓦至几百毫瓦之间,到雷达发射机内部再经过前级放大后驱动发射机的末级功率放大器1.2相控阵雷达对通道接收技术的要求雷达接收分系统为雷达能在噪声、杂波和干扰中检测到有用目标回波信号提供通道,并进行必要的处理。相控阵雷达一般是相参雷达,接收机常常是超外差式体制,它有一个或多个中频频率。接收机首先对信号进行低噪声放大并预选,最大限度地降低内部产生的噪声和带外干扰,并使进入的射频或微波回波信号与相参本振进行变频,频率变换到中频后进一步放大和对信号带宽进行匹配滤波,再进行正交相参解调和模数变换(对于数字接收机是先进行模数变换再进行正交相参解调);为了适应回波信号在大动态范围内的变化,而通道又能工作在线性状态,需要对通道进行适当的增益控制。除以上常规功能之外,相控阵雷达对接收分系统还有如下的一些突出要求对天线接收到的目标回波信号提供污染尽量小的信号通道,并高保真地传输回波信息。因此,一般情况下,相控阵雷达接收机应为线性接收机,对信号提供线性通道。所谓“污染”,包含了设备内部产生的各种噪声以及寄生调幅和调相噪声;模数变换器的量化噪声、采样脉冲产生的孔径抖动噪声;由设备的非线性产生的谐波、互调产物;频率组合产生的组合干扰频率;各种源产生的杂散频谱。这些成分均会污染信号空间。接收机的主要任务之一就是减小这些污染源的影响,尽量扩大无污染空间。所谓信号空间,在频域的宽度是接收机的带宽,信号强度的下限就是最小可检测信号电平,但这受限于噪声电平高低,这就要抑制各种噪声来降低接收机的噪声系数,提高接收机的灵敏度,以扩展信号空间的下限,扩展信号空间的上限就是通道各电路的线性输出能力,为此,就要减小器件的各种非线性失真,合理地设计系统,比如系统增益的合理分配,增益控制的合理设计,被选用器件的线性输出能力。相控阵雷达,当采用DBF技术时,通道接收机往往是多通道的,其中对接收机最突出的要求是:为了高性能自适应天线波束的形成,对通道的幅相一致性和相互之间的隔离都提出了很高的要求,特别是在信号全动态范围内及雷达工作频段内的幅相一致性和隔离度提出了严格的要求。如果说,通道的幅相…一致性还可以通过计算机进行误差修正的话,那么通道工作的稳定性就显得更为突出。
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