雷达接收机技术基本理论.pptx

第2章 雷达接收机的基本理论 内容内容1.1.噪声特性；噪声特性；2.2.采样定理；采样定理；3.3.频率稳定度。频率稳定度。1.1.雷达接收机的噪声特性雷达接收机的噪声特性 1 1）噪声的概率特性噪声的概率特性 1.1.雷达接收机的噪声特性雷达接收机的噪声特性 1 1）噪声的概率特性噪声的概率特性 1.1.雷达接收机的噪声特性雷达接收机的噪声特性 1 1）噪声的概率特性噪声的概率特性 1.1.雷达接收机的噪声特性雷达接收机的噪声特性 1 1）噪声的概率特性噪声的概率特性 1.1.雷达接收机的噪声特性雷达接收机的噪声特性 1 1）噪声的概率特性噪声的概率特性 （1）电阻热噪声电阻热噪声 它它是是由由于于导导体体中中自自由由电电子子的的无无规规则则热热运运动动形形成成的的噪噪声声。因因为为导导体体具具有有一一定定的的温温度度,导导体体中中每每个个自自由由电电子子的的热热运运动动方方向向和和速速度度不不规规则则地地变变化化,因因而而在在导导体体中中形形成成了了起起伏伏噪噪声声电电流流,在在导导体体两两端呈现起伏电压。端呈现起伏电压。根据奈奎斯特定律根据奈奎斯特定律,电阻产生的起伏噪声电压均方值电阻产生的起伏噪声电压均方值(3.2.1)1.1.雷达接收机的噪声特性雷达接收机的噪声特性 2 2）接收机的噪声和噪声系数接收机的噪声和噪声系数式式中中，k为为玻玻尔尔兹兹曼曼常常数数,k=1.3810-23J/K;T为为电电阻阻温温度度,以以绝绝对对温温度度(K)计计量量,对对于于室室温温17,T=T0=290K;R为为电电阻阻的的阻阻值值;Bn为为测试设备的通带。测试设备的通带。式式(3.2.1)表表明明电电阻阻热热噪噪声声的的大大小小与与电电阻阻的的阻阻值值R、温温度度T和和测试设备的通带测试设备的通带Bn成正比。成正比。电电阻阻热热噪噪声声的的功功率率谱谱密密度度p(f)是是表表示示噪噪声声频频谱谱分分布布的的重重要要统统计特性计特性,其表示式可直接由式其表示式可直接由式(3.2.1)求得求得 p(f)=4kTR(3.2.2)显显然然,电电阻阻热热噪噪声声的的功功率率谱谱密密度度是是与与频频率率无无关关的的常常数数。通通常常把把功功率率谱谱密密度度为为常常数数的的噪噪声声称称为为“白白噪噪声声”,电电阻阻热热噪噪声声在在无无线电频率范围内就是白噪声的一个典型例子。线电频率范围内就是白噪声的一个典型例子。图3.7 噪声带宽的示意图 噪声带宽噪声带宽 功率谱均匀的白噪声,通过具有频率选择性的接收线性系统后,输出的功率谱pno(f)就不再是均匀的了,如图3.7的实曲线所示。为了分析和计算方便,通常把这个不均匀的噪声功率谱等效为在一定频带Bn内是均匀的功率谱。这个频带Bn称为“等效噪声功率谱宽度”,一般简称“噪声带宽”。因此,噪声带宽可由下式求得:(3.2.7)即 式中,H2(f0)为线性电路在谐振频率f0处的功率传输系数。（2）天线噪声天线噪声 天天线线噪噪声声是是外外部部噪噪声声,它它包包括括天天线线的的热热噪噪声声和和宇宇宙宙噪噪声声,前前者者是是由由天天线线周周围围介介质质微微粒粒的的热热运运动动产产生生的的噪噪声声,后后者者是是由由太太阳阳及及银银河河星星系系产产生生的的噪噪声声,这这种种起起伏伏噪噪声声被被天天线线吸吸收收后后进进入入接接收收机机,就就呈呈现现为为天天线线的的热热起起伏伏噪噪声声。天天线线噪噪声声的的大大小小用用天天线线噪噪声声温温度度TA表示表示,其电压均方值为其电压均方值为 式中式中,RA为天线等效电阻。为天线等效电阻。天天线线噪噪声声温温度度TA决决定定于于接接收收天天线线方方向向图图中中(包包括括旁旁瓣瓣和和尾尾瓣瓣)各各辐辐射射源源的的噪噪声声温温度度,它它与与波波瓣瓣仰仰角角和和工工作作频频率率f等等因因素素有有关关,如如图图3.6所所示示。图图中中天天线线噪噪声声温温度度TA是是假假设设天天线线为为理理想想的的(无无损损耗耗、无无旁旁瓣瓣指指向向地地面面),但但是是大大多多数数情情况况下下必必须须考考虑虑地地面面噪噪声声温温度度Tg,在在旁旁瓣瓣指指向向地地面面的的典典型型情情况况下下,Tg=36 K,因因此此修修正正后后的的天天线线总总噪噪声温度为声温度为 由由图图3.6可可以以看看出出,天天线线噪噪声声与与频频率率f有有关关,它它并并非非真真正正白白噪噪声声,但但在在接接收收机机通通带带内内可可近近似似为为白白噪噪声声。毫毫米米波波段段的的天天线线噪噪声声温温度度比比微微波波段段要要高高些些,22.2GHz和和60GHz的的噪噪声声温温度度最最大大,这这是是由由于于水水蒸气和氧气吸收谐振引起的。蒸气和氧气吸收谐振引起的。图3.6 天线噪声温度与频率波瓣仰角的关系 （3）接收机的噪声接收机的噪声 1.1.雷达接收机的噪声特性雷达接收机的噪声特性 2 2）接收机的噪声和噪声系数接收机的噪声和噪声系数（4）噪声系数和噪声温度）噪声系数和噪声温度 1.噪声系数噪声系数 噪噪声声系系数数的的定定义义是是:接接收收机机输输入入端端信信号号噪噪声声比比与与输输出出端端信信号号噪声比的比值。噪声比的比值。噪声系数的说明见图噪声系数的说明见图3.8。根据定义根据定义,噪声系数可用下式表噪声系数可用下式表示示:(3.2.9)式式中中,Si为为输输入入额额定定信信号号功功率率;Ni为为输输入入额额定定噪噪声声功功率率(Ni=kT0Bn);So为输出额定信号功率为输出额定信号功率;No为输出额定噪声功率。为输出额定噪声功率。图3.8 噪声系数的说明图 噪噪声声系系数数F有有明明确确的的物物理理意意义义:它它表表示示由由于于接接收收机机内内部部噪噪声声的的影影响响,使使接接收收机机输输出出端端的的信信噪噪比比相相对对其其输输入入端端的的信信噪噪比比变变差差的的倍数。倍数。式式(3.2.9)可以改写为可以改写为(3.2.10)式式中中，Ga为为接接收收机机的的额额定定功功率率增增益益;NiGa是是输输入入端端噪噪声声通通过过“理理想接收机想接收机”后后,在输出端呈现的额定噪声功率。在输出端呈现的额定噪声功率。因因此此噪噪声声系系数数的的另另一一定定义义为为:实实际际接接收收机机输输出出的的额额定定噪噪声声功功率率No与与“理想接收机理想接收机”输出的额定噪声功率输出的额定噪声功率NiGa之比。之比。实实际际接接收收机机的的输输出出额额定定噪噪声声功功率率No由由两两部部分分组组成成,其其中中一一部部分分是是NiGa(NiGa=kT0BnGa),另另一一部部分分是是接接收收机机内内部部噪噪声声在在输输出出端端所呈现的额定噪声功率所呈现的额定噪声功率N,即即 No=NiGa+N=kT0BnGa+N 将将No代入式代入式(3.2.10)可得可得(3.2.11)(3.2.12)从从上上式式可可更更明明显显地地看看出出噪噪声声系系数数与与接接收收机机内内部部噪噪声声的的关关系系,实实际际接接收收机机总总会会有有内内部部噪噪声声(N0),因因此此F1,只只有有当当接接收收机机是是“理理想接收机想接收机”时时,才会有才会有F=1。下面对噪声系数作几点说明下面对噪声系数作几点说明:噪噪声声系系数数只只适适用用于于接接收收机机的的线线性性电电路路和和准准线线性性电电路路,即即检检波波器器以以前前部部分分。检检波波器器是是非非线线性性电电路路,而而混混频频器器可可看看成成是是准准线线性性电电路路,因因其其输输入入信信号号和和噪噪声声都都比比本本振振电电压压小小很很多多,输输入入信信号号与噪声间的相互作用可以忽略。与噪声间的相互作用可以忽略。为为使使噪噪声声系系数数具具有有单单值值确确定定性性,规规定定输输入入噪噪声声以以天天线线等等效效电电阻阻RA在在室室温温T0=290K时时产产生生的的热热噪噪声声为为标标准准,所所以以由由式式(3.2.12)可以看出可以看出,噪声系数只由接收机本身参数确定。噪声系数只由接收机本身参数确定。噪声系数噪声系数F是没有单位的数值是没有单位的数值,通常用分贝表示通常用分贝表示 F=10 lg F(dB)(3.2.13)噪声系数的概念与定义噪声系数的概念与定义,可推广到任何无源或有源的四端网络。可推广到任何无源或有源的四端网络。接接收收机机的的馈馈线线、放放电电器器、移移相相器器等等属属于于无无源源四四端端网网络络,其其示示意意图图见见图图3.9,图图中中Ga为为额额定定功功率率传传输输系系数数。由由于于具具有有损损耗耗电电阻阻,因此也会产生噪声因此也会产生噪声,下面求其噪声系数。下面求其噪声系数。从从网网络络的的输输入入端端向向左左看看,是是一一个个电电阻阻为为RA的的无无源源二二端端网网络络,它它输出的额定噪声功率为输出的额定噪声功率为(3.2.14)图3.9 无源四端网络经过网络传输经过网络传输,加于负载加于负载RL上的外部噪声额定功率为上的外部噪声额定功率为(3.2.15)从从负负载载电电阻阻RL向向左左看看,也也是是一一个个无无源源二二端端网网络络,它它是是由由信信号号源源电电阻阻RA和和无无源源四四端端网网络络组组合合而而成成的的,同同理理,这这个个二二端端网网络络输输出出的的额额定定噪噪声声功功率率仍仍为为kT0Bn,它它也也就就是是无无源源四四端端网网络络输输出出的的总总额额定噪声功率定噪声功率,即即(3.2.16)根据式根据式(3.2.10)可得可得(3.2.17)由于无源四端网络额定功率传输系数由于无源四端网络额定功率传输系数Ga1,因此其噪声系数因此其噪声系数F1。2.等效噪声温度等效噪声温度 前前面面已已经经提提到到,接接收收机机外外部部噪噪声声可可用用天天线线噪噪声声温温度度TA来来表表示示,如果用额定功率来计量如果用额定功率来计量,接收机外部噪声的额定功率为接收机外部噪声的额定功率为 NA=kTABn(3.2.18)为为了了更更直直观观地地比比较较内内部部噪噪声声与与外外部部噪噪声声的的大大小小,可可以以把把接接收收机机内内部部噪噪声声在在输输出出端端呈呈现现的的额额定定噪噪声声功功率率N等等效效到到输输入入端端来来计计算算,这这时时内内部部噪噪声声可可以以看看成成是是天天线线电电阻阻RA在在温温度度Te时时产产生生的的热热噪噪声声,即即 N=kTeBnGa(3.2.19)温温度度Te称称为为“等等效效噪噪声声温温度度”或或简简称称“噪噪声声温温度度”,此此时时接接收收机机就变成没有内部噪声的就变成没有内部噪声的“理想接收机理想接收机”,其等效电路见图其等效电路见图3.10。图3.10 接收机内部噪声的换算 将式将式(3.2.19)代入式代入式(3.2.12),可得可得(3.2.20)Te=(F-1)T0=(F-1)290(K)(3.2.21)此此式式即即为为噪噪声声温温度度Te的的定定义义表表示示式式,它它的的物物理理意意义义是是把把接接收收机机内内部部噪噪声声看看成成是是“理理想想接接收收机机”的的天天线线电电阻阻RA在在温温度度Te时时所所产产生生的的,此时实际接收机变成如图此时实际接收机变成如图3.10所示的所示的“理想接收机理想接收机”。图图中中TA为为天天线线噪噪声声温温度度。系系统统噪噪声声温温度度Ts由由内内、外外两两部部分分噪声温度所组成噪声温度所组成,即即(3.2.22)表表3.2给给出出Te与与F的的对对应应值值。从从表表中中可可以以看看出出,若若用用噪噪声声系系数数F来来表表示示两两部部低低噪噪声声接接收收机机的的噪噪声声性性能能时时,例例如如它它们们分分别别为为1.05和和1.1,有有可可能能误误认认为为两两者者噪噪声声性性能能差差不不多多。但但若若用用噪噪声声温温度度Te来来表表示示其其噪噪声声性性能能时时,将将会会发发现现两两者者的的噪噪声声性性能能实实际际上上已已相相差差一一倍倍(分分别别为为14.5 K和和29.K)。此此外外,只只要要直直接接比比较较Te和和TA,就就能能直直观观地地比比较较接接收收机机内内部部噪噪声声与与外外部部噪噪声声的的相相对对大大小小。因因此此,对对于于低低噪噪声接收机和低噪声器件声接收机和低噪声器件,常用噪声温度来表示其噪声性能。常用噪声温度来表示其噪声性能。表表3.2 Te与与F的对照表的对照表 3.级联电路的噪声系数级联电路的噪声系数 为了简便,先考虑两个单元电路级联的情况,如图3.11所示。图中F1、F2和G1、G2分别表示第一、二级电路的噪声系数和额定功率增益。为了计算总噪声系数F0,先求实际输出的额定噪声功率No。由式(3.2.10)可得 No=kT0BnG1G2F0 而(3.2.24a)(3.2.24b)图3.11 两级电路的级联 No由两部分组成:一部分是由第一级的噪声在第二级输出端呈现的额定噪声功率No12,其数值为kT0BnF1G1G2,第二部分是由第二级所产生的噪声功率N2,由式(3.2.12)可得 N2=(F2-1)kT0BnG2(3.2.25)于是式(3.2.24)可进一步写成 No=kT0BnG1G2F0=kT0BnG1G2F1+(F2-1)kT0BnG2 化简后可得两级级联电路的总噪声系数(3.2.26)同理可证,n级电路级联时接收机总噪声系数为(3.2.27)上式给出了重要结论:为了使接收机的总噪声系数小,要求各级的噪声系数小、额定功率增益高。而各级内部噪声的影响并不相同,级数越靠前,对总噪声系数的影响越大。所以总噪声系数主要取决于最前面几级,这就是接收机要采用高增益低噪声高放的主要原因。图3.12 典型雷达接收机的高、中频部分 将图3.12中所列各级的额定功率增益和噪声系数代入式(3.2.27),即可求得接收机的总噪声系数:(3.2.28)一般都采用高增益(GR20dB)低噪声高频放大器,因此式(3.2.28)可简化为(3.2.29)若不采用高放,直接用混频器作为接收机第一级,则可得(3.2.30)式中 tc为混频器的噪声比,本振噪声的影响一般也计入在内。若接收机的噪声性能用等效噪声温度Te表示,则它与各级噪声温度之间的关系为(3.2.31)连连续续时时间间信信号号的的处处理理往往往往是是通通过过对对其其采采样样得得到到的的离离散散时间序列的处理来完成的。时间序列的处理来完成的。1、信号被抽样后频谱如何变换？、信号被抽样后频谱如何变换？2、什什么么情情况况下下，可可以以从从抽抽样样信信号号中中不不失失真真地地恢恢复复出原来信号？出原来信号？2.2.采样定理采样定理 1.1.实际抽样与理想抽样实际抽样与理想抽样2.理想采样信号的频谱理想采样信号的频谱我我们们首首先先看看看看通通过过理理想想采采样样后后信信号号频频谱谱发发生生了了什么变化。什么变化。傅氏变换仍为冲激序列导致频域周期延拓最高截止频率为c1/T回答问题回答问题1 1回答问题回答问题2 2 抽样信号抽样信号 的频谱为周期性信号，的频谱为周期性信号，其周期为其周期为当当 将在将在 发生频率混叠发生频率混叠 或或 1、信号被抽样后频谱如何变换？、信号被抽样后频谱如何变换？由此得出由此得出 由于由于 所以所以 根据傅氏级数的知识，系数根据傅氏级数的知识，系数ak可以通过以下运算求得可以通过以下运算求得 利用了以下关系:因而 根据冲激函数的性质，可得根据冲激函数的性质，可得 或者或者 抽样的恢复抽样的恢复(1)(1)对连续信号进行等间隔采样形成采样信号，采样信对连续信号进行等间隔采样形成采样信号，采样信号的频谱是原连续信号的频谱以采样频率为周期进号的频谱是原连续信号的频谱以采样频率为周期进行周期性的延拓形成的行周期性的延拓形成的奈奎斯特取样定理奈奎斯特取样定理称为折叠频率称为折叠频率(2)(2)设连续信号设连续信号xa(t)xa(t)属带限信号，最高截止频率为属带限信号，最高截止频率为cc，如果采样角频率，如果采样角频率s2cs2c，那么让采样信号，那么让采样信号xa(t)xa(t)通过一个增益为通过一个增益为T T，截止频率为，截止频率为s/2s/2的理想低的理想低通滤波器，可以唯一地恢复出原连续信号通滤波器，可以唯一地恢复出原连续信号xa(t)xa(t)。否。否则则s2cs=2(f H-f L)=2B 的最大整数(0,1,2,)，则用fs 进行等间隔采样所得到的信号采样值 x(nTs)能准确的确定原信号x(t)。注意：1）上述采样定理的适用前提条件是：只允许在其中的一个频带上存在信号，而不允许在不同的频带上同时存在信号，否则将引起混叠。2）为了能使用最低采样速率即：f S=2B，带通信号的中心频率必须满足 即信号的最高频率加上最低频率是带宽的整数倍。3）带通采样的结果是把位于(nB,(n+1)B)(n=0,1,2.)不同频带上的信号，都挪位于 (0,B)上相同的基带信号频谱来表示，但是当 n 为奇数时，其频率对应关系是相对于中心频率“反折”的，即奇数通带上的高频分量对应基带上的低频分量，奇数通带上的低频分量对应基带上的高频分量。带通信号采样的频率对应关系带通信号采样的频率对应关系 3.3.频率稳定度频率稳定度 频率稳定度频率稳定度 频率稳定度是指在一定时间间隔内，信号源在规定的频率稳定度是指在一定时间间隔内，信号源在规定的时间内频率的相对变化，所以实际上是频率时间内频率的相对变化，所以实际上是频率不稳定度不稳定度，它，它表征频率源维持其工作于恒定频率上的工作能力。表征频率源维持其工作于恒定频率上的工作能力。影响频率稳定度因素：系统误差和随机误差。影响频率稳定度因素：系统误差和随机误差。信号源厂商给出的频率稳定度所对应的统计时间为信号源厂商给出的频率稳定度所对应的统计时间为15min15min 24h24h。测量频率稳定度具体方法：首先规定频率变化对应的测量频率稳定度具体方法：首先规定频率变化对应的时段时段 ，在大于或等于，在大于或等于 的时间的时间 内，以明显小于内，以明显小于 的时间间隔的时间间隔 测出信号源的输出频率并绘出变化曲测出信号源的输出频率并绘出变化曲线。线。频率稳定度频率稳定度 衡量频率稳定程度时还常用到基本上只考虑系统误差衡量频率稳定程度时还常用到基本上只考虑系统误差影响的老化率和基本上只考虑随机误差影响的阿仑方差。影响的老化率和基本上只考虑随机误差影响的阿仑方差。短期频率稳定度的时域表示方法短期频率稳定度的时域表示方法阿仑（阿仑（AllanAllan）方差）方差 阿仑（阿仑（AllanAllan）方差是反映频率在很短时间内变化的）方差是反映频率在很短时间内变化的常用指标。由于考虑的时间间隔很短，以致系统误差引起常用指标。由于考虑的时间间隔很短，以致系统误差引起的频率漂移可以忽略不计，所以它只考虑了频率的随机变的频率漂移可以忽略不计，所以它只考虑了频率的随机变化。化。阿仑方差是讨论阿仑方差是讨论m m组相邻测量时间为组相邻测量时间为的频率值之的频率值之差异。期中每组都是在两相邻时间差异。期中每组都是在两相邻时间内测得，因此又称内测得，因此又称为双取样测量。其测量值分别为为双取样测量。其测量值分别为f fi1i1及及f fi2i2，其中，其中i i表示第表示第i i组，组，f fi1i1表示该组第一个时间表示该组第一个时间内的测量值，实际上是内的测量值，实际上是第一个时间第一个时间内频率的平均值，内频率的平均值，f fi2i2是该组第二个时间是该组第二个时间内的测量值。根据第二章求方差估计值的公式（内的测量值。根据第二章求方差估计值的公式（2-2-20a20a），代入条件），代入条件n=2n=2，可求得该组两数据的方差估计值，可求得该组两数据的方差估计值 该方差越小，说明该组两数据离散性越小，即时间该方差越小，说明该组两数据离散性越小，即时间频率变化越小。但是讨论频率的随机变化不能用一组数频率变化越小。但是讨论频率的随机变化不能用一组数据来说明，因此，定义阿仑方差为据来说明，因此，定义阿仑方差为m m组双取样方差平均值组双取样方差平均值方根的相对值，即方根的相对值，即短期频率稳定度的频域表示方法短期频率稳定度的频域表示方法相位起伏谱密度的幂律谱表示方法相位起伏谱密度的幂律谱表示方法频率稳定度与雷达改善因子的关系频率稳定度与雷达改善因子的关系