雷达手册第3版(中文)_第25章_雷达数字信号处理.pdf

第 25 章霄达数字信号处理
引言
自 20 世纪 80 年代以来,数字技术呈指数式发展,相应地成本大幅下降,这对雷达系统
设计方式产生了深远影响。越来越多的过去用模拟硬件实现的功能现在用数字方式完成,导
致了系统的性能与灵活性提高,并减小了尺寸与成本。模数转换器(ADC) 与数模转换器
(DAC) 技术的发展正在推动模拟与数字处理之间的界限越来越接近天线端。
例如,图 示出了在 1990 年左右可能设计的一个典型雷达系统的接收机前端的简化
方框图。注意这个系统采用的是模拟脉冲压缩(PC) 。为了产生带宽足够小的基带同相信号
(J)和正交信号(Q) , 使得当时的模数转换器(ADC) 可采样这些信号,这个系统也包括了
几级模拟下变频。然后数字化的信号被馈入数字多普勒 IMTI 和检测处理器。
本振4
模拟 i 数字
图 25 .1 1990 年的典型雷达接收机前端设计
与之相反,图 画出了一部典型的雷达前端数字接收机。射频(盯)输入通常通过一
到两级模拟下变频以生成中频 CIF) 信号,然后用模数转换器直接对中频信号采样。数字下
变频器(DDC) 以较低速率将数字化的信号采样转换成复数形式,以便通过数字脉冲压缩器
去后端处理。注意模数转换器的输出在数字信号线上标有一条斜线,其上有一字母。该字母
表示数字化输入信号的位数,且表示模数转换器最大可能的动态范围。如后所述,与模拟方
法相比,使用数字信号处理(DSP) 经常可以提高动态范围、稳定性和系统的总体性能,同
时又可减小体积和成本。
本振 l 本振 2
图 典型数字接收机前端
• 1028 •雷达手册(第三版)
本章将为自本手册第二版出版以来进入实际应用的雷达系统的主要数字处理技术提供一
个高层次的概述,并给出一些需要考虑的设计折中。
接收通道处理
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模数转换器和数字计算机技术的重大进展已经改变了雷达系统的接收机前端,使之能以
更低的成本提供更好的性能。本节将描述这些新技术是如何应用于雷达系统的以及它们给系
统性能带来的得益。
黯号蠢事￥基础
数字信号处理器是采样后的信号系统。采样是这样一个过程:在规则时间间隔(采样间隔)
上测量连续(模拟)信号,生成一个离散数值(采样)序列,这个序列表示信号在采样时刻
的值。来样频率是采样间隔的倒数,通常用 j; 表示。采样系统要服从奈奎斯特定律[I] ,它指
出了在没有混淆污染,即频谱分量不重叠时,从采样值重建未采样信号所需的采样率最低下
限。这个界限称为奈奎斯特频率或奈奎斯特速率,它等于双边信号带宽 B 。双边信号带宽既
考虑了正频率分量又考虑了负频率分量。以低于奈奎斯特速率的采样率进行采样总会造成混
淆,但是高于它也不能保证一定没有混淆。我们将看到对于带通信号,在某些情况下,为了
避免混淆可能需要比奈奎斯特速率高的采样率。
一般人们常说奈奎斯特速率是信号带宽的两倍,但这是对只有正频率的单边带实数信号
而言的。我们的定义指的是既有正频率又有负频率的双边带信号带宽,这种信号通常是复
数,实数信号是它的一个特例。
双边带宽总是单边带宽的两倍吗?对于复数信号一般来说并不是这样,但对于实数信号
确实是这样。原因如下:对任何信号,不管是实数的还是复数的,当用傅里叶积分(逆傅里
叶变换)表达时都可看做 Ae向:ft 形式的频谱分量的组合。采样后的信号有 t=nT , 其中 T 是
采样间隔 n 是整数时间,不管采样不采样,基本的分量形式都是一样的。无论是否进行采
样,复振幅 A 都是频率 f 的函数,为了简化起见,我们将 4月写作 A 。
于是用这些术语来说,实数信号的特殊之处表现在一条经简单推导就可得出的傅里叶变
换性质要求实数信号的傅里叶分量以共辄对的形式出现,因此如果在频率 f 存在复振幅为 A
的分量 Ae i2 π斤,那么在频率-1 就存在该复振幅的复数共辄矿的分量 A* e-i2njt 。如果频谱分量
占据 J;~ 元的正频率频段,那么相应的一h~- J; 的负频率频段也被频谱分量占据,因此双
边带宽必须是单边带宽的两倍。
实数信号的频率分量为共辄对是因为使用以极坐标形式 A = re iB 表示的复振幅,有
Ae向:ft + A*e-向:ft = 2Re{Aei仰} = 2 Re {reiil e j2冗:ft }
= 2rRe{e i (2πJi+ iI)} = 2r cos(2π:ft+ θ)
共辄 i普分量的虚数部分己对消,表明这些分量一起确实表示一个实数信号,它是一条正