相位噪聲對多普勒雷達(dá)接收機(jī)影響的分析

張志鑫，顏 雨

(海軍裝備部駐重慶地區(qū)軍事代表局，成都 610036)

相位噪聲對多普勒雷達(dá)接收機(jī)影響的分析

張志鑫，顏 雨

(海軍裝備部駐重慶地區(qū)軍事代表局，成都 610036)

針對相位噪聲對多普勒雷達(dá)接收機(jī)的影響，從相位噪聲的概念、成因、對多普勒雷達(dá)導(dǎo)引頭的影響以及減小相位噪聲對接收機(jī)影響的措施進(jìn)行了探討，重點(diǎn)研究了在導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中，照射雷達(dá)發(fā)射機(jī)信號相位噪聲對導(dǎo)彈導(dǎo)引頭多普勒雷達(dá)接收機(jī)的影響。

相位噪聲;多普勒雷達(dá);接收機(jī)與發(fā)射機(jī)

相位噪聲是現(xiàn)代雷達(dá)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，本文主要研究相位噪聲對雷達(dá)導(dǎo)引頭多普勒接收機(jī)的影響，明確相位噪聲的變化與哪些參量有關(guān)，一旦照射雷達(dá)發(fā)射信號的相位噪聲發(fā)生了惡化，將會對多普勒導(dǎo)引頭接收機(jī)乃至整個武器系統(tǒng)造成怎樣的影響［1］。同時，探尋導(dǎo)致相噪過高的原因，提出解決和減小相位噪聲過高的方法。

圖1 相位噪聲的定義

1 相位噪聲的概念

相位噪聲是指在系統(tǒng)內(nèi)各種噪聲作用下引起的輸出信號相位的隨機(jī)起伏，如圖1所示。在分析相位噪聲之前，首先要明確頻率穩(wěn)定度［2］的含義:頻率穩(wěn)定度是指在固定時間間隔內(nèi)，頻率準(zhǔn)確度的變化，代表了一個頻率源保持頻率恒定的能力。頻率穩(wěn)定度分為長期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度。長期穩(wěn)定是指由于環(huán)境條件、裝備自身元器件老化等引起的頻率慢漂移，短期穩(wěn)定度是指在秒級時間間隔內(nèi)，產(chǎn)生的頻率或相位的變化以及引起頻率準(zhǔn)確度的隨機(jī)起伏。本文所研究的相位噪聲就是這種頻率短期穩(wěn)定度。

2 相位噪聲對多普勒雷達(dá)接收機(jī)的影響

多普勒雷達(dá)接收機(jī)的高頻系統(tǒng)包含本振信號、直波信號和回波信號等，因此研究相位噪聲對多普勒雷達(dá)接收機(jī)的影響應(yīng)重點(diǎn)放在本振信號和直波信號方面。

2.1 本振相位噪聲影響的分析

理想的本振信號是單一的正弦波信號頻譜，但實(shí)際信號存在寄生調(diào)幅和寄生調(diào)相，有一定寬度，左右兩側(cè)出現(xiàn)噪聲，如圖2(a)(b)所示。其中寄生調(diào)幅一般較小，通?？梢圆捎孟薹霓k法進(jìn)行消除。所以，引起頻率穩(wěn)定度惡化的主要原因是寄生調(diào)相。

但是，在現(xiàn)代多普勒雷達(dá)接收機(jī)中，通常采用相干體制，利用相位和頻率信息對目標(biāo)進(jìn)行距離和速度的測算，而不是按傳統(tǒng)方式只利用幅度信息來完成系統(tǒng)的主要功能。這時，如果雷達(dá)本振頻率源存在頻率或相位起伏，那么這種起伏或噪聲會與有用的頻率或相位信息相混淆，進(jìn)而嚴(yán)重地影響雷達(dá)系統(tǒng)的實(shí)際性能，如圖3所示。

圖2 本振信號頻譜

圖3 本振信號對接收機(jī)的影響

2.2 照射雷達(dá)直饋信號相位噪聲影響的分析

本文以某型艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)所采用的倒置型半主動雷達(dá)導(dǎo)引頭為例分析照射雷達(dá)直饋信號相位噪聲對接收機(jī)的影響。如圖4所示，導(dǎo)彈在向目標(biāo)運(yùn)動的過程中，目標(biāo)相對于照射器和導(dǎo)彈運(yùn)動在回波支路產(chǎn)生的多普勒頻移為fd回，而導(dǎo)彈相對艦艇照射器運(yùn)動在直波信號支路產(chǎn)生的多普勒頻移為fd直。由于跟蹤照射雷達(dá)是跟蹤及照射目標(biāo)的，而導(dǎo)彈卻向著與目標(biāo)運(yùn)動的遭遇點(diǎn)飛行，所以混頻后的直波通道和回波通道信號分別為:f直=fA-fd直，f回=fA+fd回。進(jìn)入回波混頻器的信號有攜帶目標(biāo)多普勒頻移的回波信號和直波混頻器輸出的信號。直波混頻器輸出信號是由攜帶導(dǎo)彈多普勒頻移的直波信號和受速度門放大器輸出控制的壓控振蕩器(VCO)輸出信號有關(guān)?；夭ɑ祛l器輸出信號與fd直和fd回以及壓控振蕩器輸出有關(guān)，fd直值的穩(wěn)定性與直波信號的穩(wěn)定性直接關(guān)聯(lián)。為了使速度門跟蹤環(huán)路能更好地跟蹤和捕捉目標(biāo)，回波混頻器的輸入信號要有一定的穩(wěn)定性，或者說輸入信號的相位噪聲要低，否則，可發(fā)生速度門濾波器在頻域上產(chǎn)生偏移，以至捕捉不到或發(fā)生丟失目標(biāo)的現(xiàn)象。從上述分析可知若fd直的穩(wěn)定性不好或相位噪聲高將間接影響到速度門濾波器的頻域位置，從而可能發(fā)生速度門捕捉不到目標(biāo)的情況。

圖4 倒置型半主動雷達(dá)導(dǎo)引頭

3 減小相位噪聲對接收機(jī)影響的改善措施

要降低相位噪聲影響，首先要知道在系統(tǒng)中有哪些器件會對相位噪聲產(chǎn)生影響，才能對癥下藥找到解決問題的根源。在多普勒雷達(dá)系統(tǒng)中，可以引入相位噪聲的環(huán)節(jié)較多，并且包含很多隨機(jī)因素，例如使用的電源、環(huán)境的溫度和振動等因素。但最主要影響相位噪聲的器件是放大器、混頻器和倍頻器。

1)放大器

放大器中的相位噪聲ni(t)包括電路中和晶體管中的電阻熱噪聲、晶體管中結(jié)電流的散彈噪聲、以及由于結(jié)的表面不規(guī)則等原因產(chǎn)生的閃爍噪聲。雖然在輸入信號功率較大時，放大器噪聲不會對輸出相位噪聲有太多惡化。但是若進(jìn)入放大器的信號為一微弱信號，例如所接收的信號功率為-90 dB，其相位噪聲功率譜密度是-89 dB，這時相位噪聲惡化就相當(dāng)嚴(yán)重了?？梢?，大信號放大時，放大器不會造成相位噪聲的明顯惡化。而小信號放大時，就必須考慮由熱噪聲引起的相位噪聲惡化。

2)混頻器

混頻器有射頻輸入信號(RF)和本振信號(LO)2路輸入信號，輸出信號的相位噪聲由射頻輸入信號和本振信號2路信號共同決定，中頻信號(IF)輸出相位噪聲是二者相位噪聲的疊加。如果射頻輸入信號和本振信號的相位噪聲相差較大，則中頻信號輸出和較差1路的相位噪聲基本一樣，若射頻輸入信號和本振信號2路信號相位噪聲相差很小，則中頻信號輸出相位噪聲會比1路輸入的相位噪聲惡化3 dB。

3)倍頻器

圖5 倍頻器的工作模型

倍頻器是把參考源的頻率倍乘到某一所需的頻率上，其原理如圖5所示。

當(dāng)信號(f0±f)被N次倍頻時，頻偏也被N次倍頻，但調(diào)制速率保持不變。相位噪聲可以看作是對載波的角調(diào)制，使載波N次倍頻后必然以同樣的速率產(chǎn)生N倍的頻偏，這樣就得到:

從式(2)可以看出，對載波每倍頻2次，相位噪聲就會惡化6 dB，N次倍頻理論上相位噪聲變壞20lgN dB。如果再考慮倍頻器本身的閃爍噪聲、變頻損耗、噪聲基底等因素，則實(shí)際的倍頻后信號的相位噪聲還會更差。

通過分析哪些器件對相位噪聲影響嚴(yán)重以及相位噪聲對多普勒接收機(jī)的影響，提出以下3點(diǎn)減小相位噪聲影響的措施:1)選用具有低噪聲系數(shù)、供電系統(tǒng)穩(wěn)定的高功率放大器;2)采用高性能、高可靠性的冷卻系統(tǒng);3)采用高頻率晶振源以減小倍頻次數(shù)或倍頻比。

4 結(jié)語

在電子技術(shù)高速發(fā)展的今天，相位噪聲和頻率穩(wěn)定度已經(jīng)成為現(xiàn)代雷達(dá)一項(xiàng)不可忽視的指標(biāo)。在出現(xiàn)相位噪聲過高時知道在哪些環(huán)節(jié)查找導(dǎo)致相噪過高的原因，從而提出解決和減小相位噪聲過高的措施，保持和恢復(fù)裝備的戰(zhàn)斗力水平，是未來亟待解決的問題也是研究的重點(diǎn)。

［1］ROBINS W P.相位噪聲［M］.北京:人民郵電出版社，1988.

［2］郭衍瑩.現(xiàn)代電子設(shè)備的頻率穩(wěn)定度［M］.北京:中國宇航出版社，1989.

［3］張海明.頻率源的相位噪聲特性分析［J］.無線電通信技術(shù)，1999，25(1):25-27.

［4］蘇敏，孫厚軍.頻率源相位噪聲對頻率步進(jìn)雷達(dá)系統(tǒng)性能的影響［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2005(S4):404-407.

［5］李焱.相位噪聲自動測試方法研究［D］.西安:西安電子科技大學(xué)，2001.

Analysis of Phase Noise Effects on Doppler Radar Receiver

ZHANG Zhixin and YAN Yu
(Military Representative Office of Naval Equipment Department in Chongqing，Chengdu 610036，China)

In order to analyze the effects of phase noise on Doppler radar receiver，the concept and the causes of phase noise are described respectively and then its influence on Doppler radar seeker and the measure for reducing the phase noise effects are analyzed.The emphasis is then put on the impact of the illumination radar transmitter signal phase noise to the seeker Doppler radar receiver.

Phase noise;Doppler radar;receiver and transmitter

TN911.4

A

1008-5440(2012)01-0025-03

2011-12-31

張志鑫(1984-)，男(漢族)，黑龍江哈爾濱人，助理工程師，學(xué)士，研究方向:電信技術(shù)。

顏雨(1989-)，男(漢族)，北京人，助理工程師，學(xué)士，研究方向:電信技術(shù)。