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自适应变带宽Chirp信号分析.pdf

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一 垒竺竺 一一ABSTRACTChirp signal is a kind of pulse-compressed signal with large timebandwidthproducts achieved through linear frequency modulation.It has high resolution in rangebecause of its great bandwidth The radar available basically adopts the analog systemto produce chirp signal.Considering the fact that the analog system is not SO good as thedigital system ON the respect of variation of bandwidths and on the respect of switchbetween different bandwidths This paper proposes to adopt the DDS∞irect DigitalSynthesistechnique that produces chirp signals of different bandwidths to improve thesituation of losing tracks for the ocean satellite altitude indicator in measuring coarsesurfaces.This paper gives a detailed account of the wave,matchedfilter,fuzzyfunction,resolution in speed,resolution in range and the capacity of antiinterference ofthe Chirp signal.It deals with several s to produce chirp signal and theadvantages and disadvantages of these s It describes the working principle andperance of DDS,analyses the phase errors initiated by the phase truncation andproposes a new scheme to solve the error.Finally,a specific circuit to produce chirpsignal is designed in the paperKeywordsChirp Signal fuzzy function resolution in range第一章绪论第一章绪论在雷达发展的早期,雷达系统可分为两大范畴,即连续波雷达和脉冲雷达。连续波雷达具有好的速度或多普勒频移测量能力,脉冲雷达具有好的距离测量和分辨能力。在脉冲雷达系统中,测量精度和距离分辨力与雷达对目标的发现能力即最大测量距离存在不可调和的矛盾,因为测量精度和距离分辨力耍求信号时宽尽可能小,而为了提高目标发现能力,要求信号具有足够强的能量,根据公式E妄彳2TE为信号的能量,A为信号的幅度,,为信号的时宽可知,在系统的发射和馈电设备峰值功率受限制的情况下,大的信号能量只能靠加大信号的时宽来得到。有时为了同时获得好的距离分辨力和最大检测距离,只能在雷达设计的其它方面进行折衷考虑,比如降低天线的转速,这样可以获得更多的反射脉冲,采用脉间综合技术可以提高最大检测距离。而雷达的设计受雷达距离方程的制约,基本的雷达距离方程的表达式为只百ptG丽2/to- 1.1或‰[器r ㈧z,其中尸一发射功率Pr一接收功率G一发射和接收天线的增益一雷达波长盯一目标的有效反射面积JR一雷达与目标之间的距离R。一最大检测距离S。。一接收机灵敏度利用式卜1和式卜2,为了获得预期结果,必须考虑各方面因素。随着雷达的进一步发展,在实现了雷达信号最优处理的前提下,波形设计成为雷达系统发展新观念。脉冲多普勒系统代表了在同时提高速度测量或分辨能力和距离分辨力两方面所做的努力,这也是后来采用“复杂波形”设计的前驱。在二次世界大战后,各国先后开展了应用“复杂波形”代替传统的脉冲信号的研2 自适应变带宽Chirp信号研究究。研究者发现波形形状成为雷达设计中又一考虑的因素,并且雷达系统的某些特性如距离分辨力与系统很多方面无内在联系,比如平均发射功率和发射脉冲的时宽。在考虑雷达距离方程的前提下.伍德沃德wQDd耵ard认为,可通过把发射脉冲设计得足够宽以使信号具有足够的能量发现目标或者充分利用功率管这两种途径满足检测目标所需的能量,在这种情况下,所需的距离分辨力可通过对发射信号进行宽带调制获得。伍德沃德Woodward最伟大的贡献之一是指出距离分辨力和精度是信号带宽的函数,而不是发射脉冲宽度的函数。1943年诺恩North提出匹配滤波器理论,匹配滤波器是能给出最大平均输出信号噪声比的滤波器。虽然在理论上知道如何对接收信号进行匹配处理,但实际上雷达的发展却是道路坎坷。二战期间,世界上许多著名的物理学家和网络数学家对如何解决雷达存在的一些实际问题进行了探索。随着战争的进行,雷达的接收技术也越来越先进,提高雷达性能的主要障碍是发射机的功率。可问题是两重性的,发射管的峰值功率是受限制的,另外,即使可以获得更大的峰值功率,但当时发射设备的许多元器件无法长时间工作在大功率状态下。一个最直接办法是采用大的平均功率即通过加大脉冲的时宽,然而此时无法解决进~步探测地貌或区分相邻很近的飞机这一类情况,因此仅靠克服系统功率限制已无法满足当时的需要。德国的E Huttman、比利时的D 0 Sproule和HJ Hughes等学者先后提出了解决上述矛盾的方法,办法就是在宽脉冲内附加线性调频,以扩展信号的频带,这就是线性调频信号,这种信号的时宽带宽乘积大于1,后来人们称之为脉冲压缩信号或大时宽带宽乘积信号。与线性调频信号相匹配的滤波器对所接收的信号进行延时处理,延时时间与载波频率成线性关系,很显然,对宽脉冲的一端的延迟比另一端要大,这样可使信号在时间上压缩,峰值出随着增大。如下图所示图1.1线性调频信号经过脉冲压缩延时线第≮赢,鳍论但是,在当时没有实现这种性能的速调管,表面上,脉冲压缩这种雷达技术似乎只是满足人们好奇心,二战所遗留的产物。随着电子设备的发展,脉冲压缩和匹配滤波重获新生快速的向前发展,20世纪50年代,几个重点实验室开始着手脉冲压缩技术的实现。伍德沃德Woodward在其成名的著作文献[33]中提出雷达模糊理论,定义了模糊函数及分辨常数等新概念,奠定了雷达分辨理论的基础。本文在第二章介绍了线性调频信号的表达形式、匹配滤波器、模糊函数、分麸特性和抗干扰能力等内容。由于本文是采用DDSDirect Digital Synthesis技术产生线性调频信号的,因此下面介绍DDS的发展史。1971年,美国学者J.Tiernc5r,C.M.Radel’和B.Gold提出了以全数字技术,从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成原理。限于当时的技术和器件水平,它的性能指标尚不能与已有的技术相比,故未受到重视。近o年间,随着技术和器件水平的提高,一种新的频率合成技术直接数字频率合成DDS得到了飞速的发展,它以有别于其它频率合成方法的优越性能和特点成为现代频率合成技术中的姣姣者。DDS的基本原理DDS技术是一种把一系列数字量形式的信号通过DAC转换成模拟量形式的信号的合成技术。目前使用最广泛的一种DDS方式是利用高速存储器作查寻表,数然后通过高速DAC产生已经用数字形式存入的正弦波。它的原理图如下图1-2常规DDS基本原理图相位累加器部分相位累加器由N位加法器与N位累加寄存器级联构成。每来一个时钟脉冲,加法器将频率控制数据与累加寄存器输出的累加相位数据相加,把相加后的结果送至累加寄存器的数据输入端。累加寄存器将加法器在上一个时钟作用后所产生的新相位数据反馈到加法器的输入端,以使加法器在下一个时钟的作用下继续与4 自适应变带宽Chirp信号研究频率控制数据相加。这样,相位累加器在参考时钟的作用下,进行线性相位累加,当相位累加器累加满量时就会产生一次溢出,完成一个近似周期性的动作,这个周期近似为DDS合成信号的一个频率周期,累加器的溢出频率近似DDS输出的信号频率。相位一幅值转换部分正弦表ROM用相位累加器输出的数据作为取样地址,对正弦波波形存储器进行相位一一幅值转换,即可在给定的时间上确定输出的波形幅值。数模转换部分DAc将数字量形式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟量形式信号,低通滤波器用于衰减和滤除不需要的取样分量以便输出频谱纯净的正弦波信号。DDS的性能特点DDS在相对带宽、频率转换时间、相位连续性、正交输出、高分辨力以及集成化等一系列性能指标方面远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平。①极快的频率切换速度DDS是一个开环系统,无任何反馈环节,频率转换时间主要由LPF附加的时延来决定。如厶10MHz,转换时间即为j00 ns,若时钟频率升高,转换时间将缩短,但不可能少于数字门电路的延迟时间。目前,DDS的调谐时间一般在耶级,比使用其它的频率合成方法都要短几个数量级。②极高的频率分辨率由M--L.厶/、、可知,只要增加相位累加器的位数N即可获得任意小的频率调谐步进。大多数DDS的分辨率在Hz,mHz甚至}【Itz的数量级。③低相位噪声和低漂移DDS系统中合成信号的频率稳定度直接由参考源的频率稳定度决定,合成信号的相位噪声与参考源的相位噪声相同。而在大多数DDS系统应用中,一般由固定的晶振来产生基准频率,所以其相位噪声和漂移特性是极为优异的。④连续的相位变化同样因DDS是一个开环系统,故当一个转换频率的指令加在DDS的数据输入端时,它会迅速合成所要求的频率信号,在输出信号上没有叠加任何电流脉冲,输出变化是一个平稳的过渡过程,而且相位是连续变化的,这个特点也是DDs独有的。⑤在极宽的频带范围内输出幅度平坦的信号DDS的最低输出频率是所用的时钟频率的最小分辨率或相位累加器的分辨率。奈奎斯特采样定理保证了在直到该时钟频率一半的所有频率下,DAC都可以再现信号,即DDS频率的上限k。由合成器的最大时钟频率厶决定‰。,m/2。第一章绪论⑧易于集成、易于调整DDS中几乎所有的部件都属于数字信号处理器件。除DAC和滤波器外,无需任何调整,从而降低了成本。简化了生产设备。DDS的应用DDS问世之初,构成DDS元器件的速度的限制和数字化引起的噪声,这两个主要缺点阻碍了DDS的发展与实际应用。近几年超高速数字电路的发展以及对DDS的深入研究,DDS的最高工作频率以及噪声性能己接近并达到锁相频率合成器相当的水平。随着这种频率合成技术的发展,其已广泛应用于通讯、导航、雷达、遥控遥测、电子对抗以及现代化的仪器仪表工业等领域。①实时模拟仿真的高精密信号在DDS的波形存储器中存入正弦波形及方波、三角波、锯齿波等大量非正弦波形数据,然后通过手控或用计算机编程对这些数据进行控制,就可以任意改变输出信号的波形。利用DDS具有的快速频率转换、连续相位变换、精确的细调步进的特点,将其与简单电路相结合就构成精确模拟仿真各种信号的的最佳方式和手段。这是其它频率合成方法不能与之相比的。例如它可以模拟各种各样的神经脉冲之类的波形,重现由数字存储示波器DSO捕获的波形。②实现各种复杂方式的信号调制DDS也是一种理想的调制器,因为合成信号的三个参量频率、相位和幅度均可由数字信号精确控制,因此DDS可以通过预置相位累加器的初始值来精确地控制合成信号的相位,从而达到调制的目的。现代通信技术中调制方式越来越多,BPSK,QPSK,MSK都需要对载波进行精确的相位控制。而DDS的合成信号的相位精度由相位累加器的位数决定。~个32位的相位累加器可产生43亿个离散的相位电平,而相位精度可控制在二一度的范围内,因此,在转换频率时,只要通过预置相位累加器的初始值.即可精确地控制合成信号的相位,很容易实现各种数字调制方式。③实现频率精调,作为理想的频率源DDS能有效地实现频率精调。它可以在许多锁相环pl。L。设计中代替多重环路。在一个PLL中保持适当的分频比关系,可以将DDS的高频率分辨率及快速转换时间特性与锁相环路的输出频率高、寄生噪声和杂波低的特点有机地结合起来,从而实现更为理想的DDSPl L混合式频率合成技术。在频率粗调时用PI 1来覆盖所需工作频段,选择适当的分频tE可获得较高的相位噪声,而DDS被用来覆盖那些粗调增量,在其内实现频率精调。这种方案以其优越的相位稳定性和极低的颤噪效应满足了各种系统对频率源苛刻的技术要求。这也是目前开发应用LDS技术最广泛的一种方法。采用这种方案组成的频率合成器已在很高的频率上得以实现。6 自适应变带宽Chirp信号研究当然,DDS的应用不仅限于这些,随着DDS集成电路器件速度的飞速发展,它已成为一种可用于满足系统频率要求的重要而灵活的设计手段。本文在第三章解决了以下问题①如何实现线性调频信号;②在数字方法中,可以通过单通道方式或双通道方式产生线性调频信号载频为∞。,那么在这两种方式下对时钟信号的要求如何;③线性调频DDS与常规DDS有什么不同;④DDS和存储法在实现线性调频信号时各有什么特点⑤DDS产生噪声和杂散有那些原因;⑥在产生线性调频信号中存在的量化误差如何;⑦DDS中相位截断对输出信号的质量有什么影响;⑧采用新的方案改进DDS中的相位截断误差;⑨锁相频率合成PLL与DDS相结合的常用方法有那些;本文在第四章设计了一个产生线性调频信号的电路,由于公开的资料有限,所以简单了解一下它的应用背景。近二十多年来,国内外各种不同用途的新型雷达高度表被应用在轨道测量、弹道修正、卫星定位、巡航制导、航天着陆、大地测量、海洋测绘以及微波遥感等方面。美国60年代研制的天空实验室高度表S一19.3和70一80年代研制的陆地卫星和海洋卫星高度表GEOS系列,对地面的垂直分辨力达到几十厘米.甚至十几厘米,可用于测绘全球地表特征地形轮廓、表面粗糙度及海洋状态波高、海洋流、潮汐、怒涛、运动等。由于岛屿、海岸线、以及陆地散射回波信号的起伏较大,变化迅速,可能超出海洋卫星高度计跟踪的动态范围。虽然Seasat、Geoset、ERS.1/2、Topex/peseidon等卫星都已使用多年,证明了它们在空间高精度测量海况的能力,但是对粗糙表面测量时仍存在跟踪失锁问题。我国的海洋卫星研究工作电在进行,并研究了基于非模型跟踪算法Modelflee-Tracker algorithm。研究表明,对于不同地貌,要求发射信号的谱宽不同,才能保证高度计的有效跟踪,应用全去斜fallderamp技术精确测量高度。因此需要研制一种新的海洋卫星高度计,在不同的地貌采用不同时宽带宽信号,对回波信号进行检测和跟踪。因此新的海洋卫星高度计可采用发射不同时宽带宽线性调频Chirp信号,第四章设计的电路可以完成发射不同时宽带宽线性调频Chirp信号的要求。 苎三皇垡堡避堕曼塑鲎丝 _____。______。___。___-___。●。。●-_ __。。。’。。。。。。。。。●__-____。____。。_。。●‘。-’。第二章线性调频信号的特性§2.1引言线性调频信号的时宽带宽积大于I,后来人们称之为脉冲压缩信号或大时宽带宽乘积信号,大时宽带宽信号具有很多优点①为了保证系统的检测性能、距离分辨力和测量精度可以独立选择波形参数。通常脉宽T根据检测性能选取,而距离分辨力和测距精度则靠选择适当的}几厂l来保证,其中{U厂l为信号的振幅频谱,由于采用宽脉冲,系统的速度分辨力可同时得到提高。②有利于克服峰值功率限制,充分利用发射设备的平均功率,提高信号能量。③有利于提高系统的抗干扰能力。对有源噪声干扰来说,由于信号带宽很大,迫使干扰机发射宽带噪声,从而降低了干扰的谱密度。对回答式干扰【王采用了复杂的脉内调制,在信号的延迟、放大、转发过程中会产生更大的畸变,从而得到一定的抑制。至于消极干扰则由于提高了系统的分辨能力,抗干扰性能也有一定的改善。本章在第二节介绍了线性调频信号的表达形式及波形,以及它的振幅频谱和相位频谱。第三节介绍了匹配滤波器与输入信号的关系和匹配滤波器的意义,同时介绍了与线性调频信号所对应的匹配滤波器。箱四节引入了模糊函数概念和推导了线性调频信号的模糊函数。第五节介绍了线性调频信号的分辨特性。第六节介绍了线性调频信号抗干扰能力。§2.2线性调频信号的频谱线性调频Chirp信号是研究最早、应用最广泛的一种脉冲压缩信号,这种信号的突出优点是匹配滤波器对回波信号的多普勒频移不敏感,即使回波信号有较大的多普勒频移,原来的匹配滤波器仍能起到较好的脉冲压缩的作用,这将大大简化信号处理系统。单个线性调频矩形脉冲信号的复数表达式可写成则剐妒砷击删㈠∥舶m 2,1’,一iTiT 2-,其中“o万1 Mr争P∥ c z圳自适应变带宽Chirp信号研究为信号的复包络。线性调频信号的波形如下图2-1所示。J 、PU』I. r lr 0一T f2 ’线性调频信号包络图k j。、3}/。 .//≮‘一一一 一疗j上r 0 一T 』’瞬时频率随时问变化图时域波形图图2一1 线性调频信号波形图根据定义,其瞬时频率/∽为/f去掣』21r等【2丌¨Kt 2,z】五Kt,一iT三式中KB/T为调频斜率,B为频率变化范围,简称频偏。信号的频谱由2-2求傅氏变换可得【,Q2寺蛾ehJ 2e-2xpdt2而1 cⅡflK峨ej22xt-ix2dt设z瓜,一f/K,式2-4可化为232-4第二章线性调频信号的特性蝴丽1 e一陲。伊卜/肛三x2 dx] 江s,其中积分上下限分别为u瓜睁窘 c撕,巩瓜伊嘉] 阻·采用菲涅耳Fresnel积分公式c啦,_fc。4等k -8sG,_胁【等卜 z圳并考虑以下对称关系c卜,一c∽ 2一los卜,一J,2-11信号频谱表达式可最后写成7驴2了i雨1 ie_j,%’-I/K№G7,cG,,矗[,,sG,}】 212其振幅频谱为陟】赤№c㈣2∽s㈥坩 z书相位频谱为 口u一昙,zarctg[渊]Bup,cz一·。,黼,一詈邶为平蒯脚饵”黜嘻[器制k残余相慨下面看看时宽频偏积TB对振幅频谱和相位频谱的影响,K仍用BIT代替,则得,l√厨争否f 2_15、Z D,%厨睁百f] 2出根据菲涅耳积分的性质,当TBI时,菲涅耳波纹很小,信号能量95%以上集中在一B/2,B/2范围内,振幅{颢谱棒沂千锸形.而日南T-
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