雷达接收机分析.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,第三章 雷达接收机,内容提要,接收机的任务和组成,接收机的主要质量指标,接收机的噪声系数和灵敏度,接收机的高频部分,本机振荡器和自动频率控制,接收机的动态范围和增益控制,滤波和接收机带宽,雷达接收机的任务,通过适当的滤波将天线接收到的,微弱,高频,信号从伴随的,噪声和干扰,中选择出来，并经过放大和检波后，送至显示器、信号处理器或由计算机控制的雷达终端设备中。,微弱信号,放大,噪声和干扰,滤波,高频信号,检波（解调）,接收机结构,超外差式接收,：将接收信号与本机振荡电路的振荡频率，经混频后得到一个中频信号，这称为外差式接收。得到固定的中频信号后再经中频放大器放大的，称为超外差式。中频信号经检波后得到视频信号。,1,、在中频上要比在射频上更容易得到所需 的滤波器形状、带宽、增益和稳定性。,2,、减小半导体闪烁噪声（,1/f,噪声）的影响，提高接收机灵敏度,灵敏度高,增益高,选择性好,适用性广,超外差接收机的优点,雷达接收机几乎都是超外差式。,超外差式雷达接收机组成基本框图,简化框图,1,、高频部分，又称接收机前端，包括接收机保护器、低噪声高频放大器、混频器和本机振荡器,2,、中频放大器，包括匹配滤波器,3,、检波器和视频放大器,同步检波器,检波器,灵敏度,放大倍数（增益）,动态范围,中频的选择和滤波特性,抗干扰能力,工作稳定性,接收机的主要质量指标,衡量接收机接收（检测）微弱信号的能力。通常用最小可检测信号功率,S,imin,表示。,能检测的信号越微弱,则接收机的灵敏度越高,因而雷达的作用距离就越远。,灵敏度,灵敏度,如果不存在噪声，则不管目标回波有多小，理论上都能够检测到。,但实际系统都不可避免地在噪声，因此接收机的输入信号功率如果低于噪声水平，目标就会完全淹没在噪声中，从而不可能被可靠地检测出来。,最小可检测功率不仅与噪声有关，还有要求的检测概率和虚警概率有关,能量,信号,噪声,目标距离,能量,信号,噪声,目标距离,灵敏度,目前,超外差式雷达接收机的灵敏度一般约为,(10,-14,10,-12,)W,保证这个灵敏度所需增益约为,120dB160dB(,放大倍数,10,6,10,8),这一增益主要由中频放大器来完成。,表示接收机放大信号的能力,若用对数表示，则称为,增益,G=20lgK,雷达接收机的电压放大倍数一般为 倍,相应的增益为,120-180dB,放大倍数（增益）,10,6,10,9,动态范围,定义：接收机能够正常工作所容许的输入信号强度变化范围。,在接收机内部噪声电平一定的条件下，信号太弱便不能检测；信号太强，接收机会发生饱和过载，使目标回波显著减小，甚至丢失。,使接收机开始出现过载时的输入功率与最小可检测功率之比,中频的选择和滤波特性,中频选择与发射波形特性、接收机的工作带宽、所能提供的高频部件和中频部件的性能有关。一般在,30M-500MHz,滤波特性,-,是减小接收机噪声的关键,输出信噪比最大化,-,匹配滤波,接收机的噪声系数,内部噪声,接收机内部器件产生的噪声。,外部噪声,由天线进入接收机的各种人为干扰、天电干扰、工业干扰、宇宙干扰和,天线热噪声,等。,接收机的噪声来源,电阻热噪声,起伏噪声电压均方值,由导体中自由电子的无规则热运动形成,k,为波尔兹曼常数，,k=1.28*10(-23)J/K,T,为电阻绝对温度，,R,为电阻阻值，,Bn,为带宽,额定,噪声功率,额定信号功率,负载阻抗与信号源内阻匹配时，信号源输出的信号功率最大,R,R,s,额定噪声功率,任何无源二端网络的额定噪声功率只与其温度,T,和通带,B,n,有关。,R,R,s,噪声系数的定义,定义：,接收机输入端信号噪声比和输出端信号噪声比的比值。,它表示由于接收机内部噪声的影响，使接收机输出端的信噪比相对其输入端的信噪比变化的倍数。,G,a,N,S,i,/N,i,S,o,/N,o,接收机内部噪声在输出端所呈现的额定噪声功率,噪声系数的另一定义：,实际接收机输出的额定噪声功率与“理想接收机”输出的额定噪声功率之比。,关于接收机噪声系数的几点说明,噪声系数只适用于接收机的线性电路和准线性电路。,为使噪声系数具有单值确定性，规定输入噪声以天线等效电阻在室温,290K,时产生的热噪声为标准。噪声系数只由接收机本身参数确定。,噪声系数没有单位。通常用分贝表示,4.,无源四端网络的噪声系数,无源四端网络,G,a,R,A,R,L,N,i,=kT,0,B,n,N,o,=kT,0,B,n,等效噪声温度,接收机外部噪声可用天线噪声温度,T,A,来表示,如果用额定功率来计量,接收机外部噪声的额定功率为,N,A,=,kT,A,B,n,为了更直观地比较内部噪声与外部噪声的大小,可以把接收机内部噪声在输出端呈现的额定噪声功率,N,等效到输入端来计算,这时内部噪声可以看成是天线电阻,R,A,在温度,T,e,时产生的热噪声,即,N,=,kT,e,B,n,G,a,温度,T,e,称为,“,等效噪声温度,”,或简称,“,噪声温度,”,此时接收机就变成没有内部噪声的,“,理想接收机,”,噪声温度,系统噪声温度,T,S,对于低噪声接收机和低噪声器件，常用噪声温度来表示其噪声性能。,表,3.2,，,P,57,级联电路的噪声系数,根据定义，有,实际输出噪声有三部分组成,其中,级联电路的噪声系数,两级电路级联时接收机总噪声系数,n,级电路级联时接收机总噪声系数为,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。因此，接收机要采用高增益低噪声高频放大器。,噪声系数计算举例,无低噪声高放,G,R,20dB,用噪声温度,T,e,表示：,接收机灵敏度,衡量接收机接收（检测）微弱信号的能力。,在虚警概率一定条件下，要使检测概率较高，信噪比不能太低,接收机,S,i,N,i,S,o,N,o,接收机灵敏度,接收机灵敏度,识别系数,提高接收机灵敏度的措施,接收机中频放大器采用匹配滤波器，得到白噪声背景下输出最大信号噪声比。,尽量降低接收机的总噪声系数,F,0,尽量采用高增益、低噪声高放,识别系数,M,与所要求的检测质量、采用的检测方法、天线波瓣宽度、扫描速度、雷达脉冲重复频率等均有关系。在保证整机性能的前提下，尽量减小,M,的数值。,临界,灵敏度,令,M,=1,图,3.13,，,P60,对数表示,一般接收机的灵敏度在,-90-110dBmW,雷达接收机的高频部分,接收机的,“,前端,”,收发转换开关,接收机保护电路,高频放大器,混频器,本级振荡器,收发转换开关,功能：,发射时，使天线与发射机接通，同时与接收机断开，避免高功率发射信号进入接收机把高放或混频器烧毁。,接收时，使天线与接收机接通，同时与发射机断开，以免因发射机旁路而使微弱的接收信号受损失。,组成：,高频传输线,+,气体放电管,(,传统,),种类：,分支线型收发开关,平衡式收发开关,铁氧体环形器,收发转换开关,-,分支线型,TR,气体放电管,ATR,接收机保护放电器,发射机隔离,放电器,大功率,小功率,大功率,小功率,等效电路,收发转换开关,-,分支线型,高频传输线,高频传输线和气体放电管组成,分支线型收发开关,收发转换开关,-,分支线型,收发转换开关,-,平衡式,3dB,裂缝桥,1,2,3,4,气体放电管,平衡式收发开关原理,收发转换开关,-,平衡式,收发转换开关,-,环形器,优点：功率大、损耗小,缺点：隔离度差（,20-30dB,）,高频放大器,超低噪声的非致冷参量放大器,低噪声晶体管放大器,目的：降低接收机噪声系数,要求：低噪声、高增益,混频器,目的：,f,H,f,I,关键：,乘法器？,实现：,g,为非线性函数,非线性电路,选频回路,本 振,混频器,信号输入,中频输出,f,H,f,I,=f,H,-,f,L,f,L,寄生频率,镜频干扰,有用信号频率,干扰信号频率,f,L,f,H,f,H,-2f,L,滤波器,滤波器,f,L,f,H,f,H,-2f,L,镜像频率无影响：,镜像频率有影响：,自动频率控制,(AFC),f,H,:,磁控管振荡器的预热漂移、温度漂移、负载变化引起的频率拖曳效应以及电子频移；,f,L,:,电源变化、温度变化引起本机振荡器的频率漂移,自动频率控制,(AFC),目标：使发射信号频率与本机振荡器频率之差保持为正确的中频。根据其自动频率控制的对象不同,控制方式分为两类：,早期脉冲振荡型雷达：控制由反射式速调管和压控振荡器构成的,本机振荡器,(f,H,),。,现代脉冲振荡型雷达：采用不可调谐的稳定本振，控制,磁控管,的频率,(f,L,),。,现代脉冲调制雷达中的自动频率控制,频率跟踪状态时,鉴频器根据差频偏离额定中频的方向和大小,输出一串脉冲信号,经过放大、峰值检波后,取出其直流误差信号,去控制调谐电机转动。电机转动的方向和大小取决于直流误差信号的极性,(,正或负,),和大小,从而使磁控管频率与稳定本振频率之差接近于额定中频。,增益控制,目的：,1,、防止强信号引起的过载，增加接收机动态范围,2,、防止信号的强弱随目标距离、性质的不同而发生变化,3,、防止近地杂波使接收机过载,自动增益控制,(AGC),在跟踪雷达中,为了保证对目标的自动方向跟踪,要求接收机输出的角误差信号强度只与目标偏离天线轴线的夹角,(,称为“误差角”,),有关,而与目标距离的远近、目标反射面积的大小等因素无关。为了得到这种归一化的角误差信号,使天线正确地跟踪运动目标,必须采用自动增益控制,(AGC),。,自动增益控制：,使放大电路的增益自动地随信号强度而调整的自动控制方法,。,自动增益控制,(AGC),近程增益控制,(STC),近程增益控制电路又称“时间增益控制电路”或“灵敏度时间控制,(STC),电路”,它用来防止近程杂波干扰所引起的中频放大器过载。,距离,幅度,近程增益控制,(STC),杂波干扰,(,如海浪杂波和地物杂波干扰等,),主要出现在近距离,干扰功率随着距离的增加而相对平滑地减小,如图所示。如果把发射信号时刻作为距离的起点,则横轴实际上也就是时间轴。,防止近程杂波干扰引起的中频放大器过载。,当发射及发射信号之后，接收机产生一个与干扰功率随时间变化规律相,“,匹配,”,的控制电压,U,c,，控制接收机的增益按此规律变化。,近程增益控制,(STC),接收机滤波器设计,滤波器设计准则,:,输出信噪比在,某个时刻,t,o,达到最大。,匹配滤波器,某时刻 的输出信号为,假设高斯白噪声的功率谱密度为,输出信号噪声比,(SNR),考虑在,t,0,=0,时刻的信噪比,输出信噪比的最大化,施瓦茨不等式,当且仅当下式成立时等号成立,其中,K,为常数,输出信噪比的最大化,根据施瓦茨不等式,当且仅当下式满足时等号成立,为简化分析，通常取,K=1,t,0,=0,匹配滤波幅相特性,滤波器的幅频特性：,滤波器的相频特性：,匹配滤波幅相特性,1.,典型的超外差式雷达接收机主要由哪几部分组成？衡量接收机性能的主要质量指标有哪些？,2.,某接收机的带宽,B,n,=500KHz,，增益为,20dB,，,噪声系数为,3,分贝,(dB),。则接收机内部噪声在输出端呈现的额定功率,N,是多少？接收机的等效噪声温度,T,e,是多少？,(k=1.38*10(-23)J/K,T,0,=290K),3.,某接收机的线性部分由传输线、变频器和中频放大器三部分组成。前两部分的额定功率增益分别是,G,1,=0.8,，,G,2,=0.2,，后一部分的噪声系数,F,3,=3dB,增益,G,3,=60dB,。试求总噪声系数和等效噪声温度。,作业,