雷达信号处理机通道隔离度提升方法与分析*

耿籍

(中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009)

雷达信号处理机通道隔离度提升方法与分析*

耿籍

(中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009)

脉冲多普勒雷达在进行目标角度测量时，尤其是在小信号小角度的情况下，和差差采样通道隔离度指标的恶化会影响到雷达测角精度。详细分析了通道间隔离度指标的主要影响因素并找到了具体的提升方法和窍门，从而有效地保障和提升了雷达测角精度。

脉冲多普勒雷达；隔离度；小信号；小角度；测角精度；多通道采样

0 引言

鉴于脉冲多普勒雷达的比相测角体制，天线和差器所输出的和路、俯仰路、方位路3路中频回波信号的能量间接的反映了目标的失调角信息，中频采样通道隔离度指标的恶化就意味着不能真实获取和差差3路信号的回波能量，不能精确地计算出失调角信息。因此，雷达信号处理机3路A/D中频采样通道间的隔离度指标的提高就显得至关重要[1-3]。

传统文献对于ADC通道隔离度的研究仅限于调理电路模拟传输部分的耦合、串扰以及辐射研究，改善隔离度的方法也仅为针对性的地平面分割、通道屏蔽等方法，但对数字部分的影响以及改善措施却鲜有提及。

本案详细并全面阐明了信号处理机采样通道隔离度指标恶化的深层原因和机理，真正从理论上分析了信号处理机隔离度指标随中频信号输入能量的变化趋势，并通过仿真和试验进行了佐证。同时也找到了影响隔离度指标的关键因素，并由此提出了提升隔离度指标的具体方法，从而保障了小信号小角度下的测角精度问题。

1 隔离度恶化时和差通道检测变化趋势初步分析

本节结合隔离度恶化情况下的具体测试案例进行回波检测能量变化趋势的描述与分析，表1为隔离度指标恶化情况下的3通道检测能量的测试数据，从该数据得到方位和俯仰路的检出幅度变化趋势如图1所示，该趋势可以明显看到3个变化阶段。

表1 3路AD通道检出幅度数据表Table 1 Amplitude table of three A/D channels

图1 和路不同功率情况下，方位/俯仰路 检出幅度趋势图Fig.1 Amplitude figure of azimuth and pitch channel as the different input power of sum channel

第1阶段：输入信号功率+5～-10 dBm，此时串扰到其他通道的信号功率随输入信号的功率下降而下降，此时可以肯定该串扰信号主要来自于中频输入信号；第2阶段：输入信号功率从-10 dBm下降到-30 dBm时,串扰到未加信号通道端的信号检测幅度会缓慢上升；第3阶段：输入信号小到-30 dBm之后又迅速下降。

由于第2，3阶段的串扰幅度变化趋势与输入中频信号幅度变化趋势不一致，可以初步排除中频输入信号引起的直接串扰。相应地，初步怀疑小信号输入时的串扰来主要自于AD的数字部分，且该因素在第2，3阶段起主导作用。

2 影响隔离度指标的具体技术分析过程

本节结合信号处理机3通道隔离度测试数据(表1)和隔离度耦合趋势图(图1)，从“A/D芯片输出数据位及符号位所造成的同频串扰”，“输出数据格式符号位数的多少所造成的趋势的变化”，“A/D本身的直流大小对隔离度恶化趋势的影响”等3个方面详细分析阐明了3通道隔离度指标恶化的原因，并据此提出了合理的提升隔离度指标的具体方法和技术窍门，措施切实有效，指标改善显著。

2.1A/D数字输出部分同频信号来源分析

信号处理机采用的AD芯片的输出为二进制码的CMOS电平输出。CMOS输出的特点是单端输出，需要地线作为其信号回线，其数据线容易对外产生干扰。

二进制码的特点是：符号位为0表示正数，用原码表示；符号位1为表示负数，并用补码表示。以14位二进制码为例，+1二进制码为0000000000001，-1二进制码为1111111111111，这2个数有13个符号位；+8 191二进制码为01111111111111，而-8 192二进制码为10000000000000，这2个数只有1个符号位。因此，可以得到规律，信号越小，其符号位数越多，其同步翻转所产生的干扰越大[4-5]。

本案假设中频模拟信号频率59.997 8 MHz、功率-25 dBm，采样频率为48 MHz，AD采集数据如图2所示[6-7]，从图2可知bit8～bit13都是信号的符号位；取出AD采集数据中的符号位bit13，用Matlab进行的FFT处理，结果见图3[8-10]，其峰值对应的输出频率为11.997 8 MHz。根据采样定律，对48 MHz的采样系统来说，该频点信号波形、频谱与59.997 8 MHz信号完全相同，下称同频串扰信号。

图2 AD采样数据Fig.2 Sampled data of A/D

图3 AD采样数据符号位的FFT结果(零均值)Fig.3 FFT result of the sign bit of A/D sampled data (zero-mean)

由以上仿真结果可知，AD输出数据码中的符号位数据线的同步翻转会产生与输入信号相同频率的同频串扰信号。

2.2同频串扰信号功率变化趋势分析

由二进制编码的特征可知：

(1) 大信号的采样数据，其同步翻转的符号位较少，其发出的串扰信号功率比较小，此时中频输入信号的串扰是AD通道间串扰的主要贡献者；

(2) 对-10～-30 dBm之间的小信号采样数据，其二进制编码中的符号位较多，在正负切换的时候，所有符号位同步进行翻转，如图2中-25 dBm信号的符号位为6位同步翻转。

若没有噪声的影响，信号越小，同步变化的符号位数越多，其输出同频串扰信号因幅度叠加而增强。

图1中的中频输入信号功率在-10～-30 dBm之间时串扰检出幅度的曲线，可以印证上述分析。

2.3AD直流偏移影响分析[11-12]

在理想情况下，从中频输入口输入交流信号时，AD应输出零均值的采样数据。而实际上，由于运放电路和AD自身芯片特性等因素影响，AD输出的采样数据均值总是不等于0。本文称这个非零的均值为直流偏移。

不可避免地，每一个AD采样通道的输出数据里总是存在或大或小的直流偏移量。由于这个偏移量的存在，在输入信号功率小到一定程度之后，AD输出数据码就会恒为正数或负数；此时的符号位不再翻转，由符号位翻转而产生同频串扰信号就会消失。例如鉴定件和路AD输出码中直流偏移为73，若信号采样幅度峰峰值一直小于146，同步翻转的符号位为0位(恒为正数，符号位不翻转)，此时不会发出同频串扰信号。

图4是输入信号功率为-30 dBm时和路采集结果，此时符号位还存在切换，会输出同频串扰信号。而采集-35 dBm信号时，AD所得数据均为正数，见图5，此时符号位不存在翻转，就不会输出的同频串扰信号。

图4 输入信号-30 dBm 时AD采集结果Fig.4 A/D sampled data -30 dBm power input

图5 输入信号-35 dBm 时AD采集结果Fig.5 A/D sampled data -35 dBm power input

另外，因各AD通道直流偏移值不同，使同频串扰信号消失所对应的输入信号功率点也不相同(下文将该输入信号功率值称为临界功率点)。本案直流偏移值与临界功率点大致对应关系见表2。

表2 各AD通道直流偏移值及对应的临界功率值Table 2 Critical power value vs different channel DC-offset

以本案和路AD为例，在和路信号变小到-31 dBm以下时，因数据全部变成正数，泄露到其他通道的同频串扰信号迅速消失。而对俯仰和方位路AD来说，该临界功率点分别为-27 dBm和-28 dBm，这在图1测试数据中得到印证。

若考虑噪声影响，对功率过小(比如小于-35，-40 dBm)且功率还没有达到临界功率点的小信号，其符号位翻转会受噪声的影响而出现随机特性，输出的同频串扰信号功率也会随信噪比下降而缓慢下降。

3 提升隔离度指标的具体方法

由以上分析过程可知，影响隔离度指标的因素是多方面的，若要提升隔离度指标必须针对每个影响因素均采取抑制措施，以下为本项目提出的提升隔离度指标的具体方法。

3.1对AD输出的数据位进行编码输出

由第2节分析可知，在小信号时符号位过多，符号位的同步翻转会带来较强的与输入信号同频的干扰，为了抑制这个干扰，采取措施如下：利用AD数据输出的最低位与其他位进行异或编码操作，由于最低位的随机性，其频谱也必然没有固定杂散，因此符号位与最低位异或后也变得随机，从而打乱了原有的周期性，抑制了同频干扰，在FPGA内部接收数据时将数据进行解码利用即可。

3.2改变AD输出的数据电平形式

由第2节分析可知，由于AD输出采用的是CMOS电平单端输出，信号的只有通过地平面才能回流到驱动端，这样信号在回流时就会因为地平面而带来串扰，因此将AD的数据输出方式改为LVDS电平差分输出，由于LVDS的低摆幅和部分回流自闭环特性，对地平面的干扰显著降低，从而很大程度上抑制了同频信号的串扰。

3.3对地平面进行合理的分割和分布[13-15]

AD的模拟通道部分(信号调理电路部分)通过的为模拟信号，在小体积多通道的情况下，通道间的串扰难以避免，为了抑制模拟通道间的串扰需要采取以下措施：在AD的采样通道的上下方向尽量多的分配地平面，每个通道的左右方向也交错的打双过孔(地属性)进行隔离，使得串扰的几率降到最低。

4 结束语

本文结合具体案例对A/D采样通道间隔离度恶化趋势进行了详细的分析和论证，并针对不同的影响因素找到了针对地解决方法，通过多项解决措施地共同实施，本案例最终的隔离度指标在全温度范围及全动态范围内提升到50 dB以上，使得小信号情况下的目标失调角的测量更加稳定和精确。

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InfluencingFactorandPromotingMethodofRadarSignalProcessor

GENG Ji

(The Air to Air Missile Academy of China，Henan Luoyang 471009，China)

Whenever PD radar measures a target's angle, especially at the situation of small-angle and small-signal, the worsening of multichannel isolation indicator can influence angle measure precision of radar. The primary influencing factor of interchannel isolation is analyzed and a specific promoting method is found. Thereby, the angle measure precision of radar is effectively guaranteed and promoted.

PD radar；isolation；small-signal；small-angle；angle measure precision；multichannel sample

2016-12-15；

2017-02-14

耿籍(1974-)，男，辽宁本溪人。高工，硕士，主要从事雷达导引头嵌入式计算机设计。

通信地址：471009 河南省洛阳市030信箱7分箱E-mail：ji_geng@sina.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2017.05.019

TN958.2;TN957.51

A

1009-086X(2017)-05-0120-05