（电磁场与微波技术专业论文）微波近距测距收发前端技术研究.pdf

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c o l o n i a l n 砒h s ，n i l r o a d s n 砒m c l i o nw a si n t 盯f e r e db y 也o d e v c l o p c dc a p i t a l i s mn a o n sd u et ot h e i r u n d c 卜d e v e l o p e dn a t i 蚰a l p i t a l ，柚dt l l ep r o p e n yo ft b e i fr a i l r o a d sw e r ea l s oc o n 咖l l e db yt h e m ， o ro w n e d b yt h eg m 旧m m e n t t h e 瑚j l m d si nt h eu n i t c ds t a 刚h a v e 毋f o w ni n t 0t h el a r g e s t 憾山l o a d st 珀n s p o r t t w o r ki dt h e w o d d i l so r g 蛆主z 毫6 0 ns 扛i l c t u 碍如w v 盯a ld i 砥n c 虹v oc h 糖c e d s t i c s ：f i 巧y a a s s1n 丑r d s 晌u 丑l i ye ，叩卸d 。d 伍c i rn c h ，o 止血咖曲m e f g i 唱a n da c q u i s i t 妇a 册n gt h e m l v e s ；s e n d l y ， 曲喀b i 艇阻c o 叫m i c s m b i n c dw i mo 山盯t 删i 印0 nm o d e s ，勰w i a t i 锄，o c c 粕，c t c ，t of o 哪 i n 岫t e d “m u l t i m o d et 瑚s p o r t a 墙”c o m p 卸y ；t h j 砌l y ，h u n d r e d so fs h o nl i n 髂w 盯es e tu p p 州甜i n gl o c a ls c 耐c e s 如f t h 0 c l a s s1 s ；a n df 砸n h ，m ea c 虹v i t i c s ，s u c ha st f a n s f e r l d 柚d n 山dj nt h e 柏璐p o i l a t j 佃p r o c e s s ，w e r e 伽t s o u 晰db yc l a 鼹l s a tt h em e 柚血把，p i i v a t i 黯t i o n 丑n d 讲g 舯i i z a t i o n 他f o 加强w e 障a l i i e do m i nt h 稍霉n a t i o 璐w h oo n h c l da n d o j p c f a t c df a i l m a d s b y 凼e 誉w 龃n m t 缸l k1 9 烈kv 曲啦l 喀知缸l t i o np l 阻sc 枷畦i n l of o r l ：hi n d 如恤c dm 柚y m 明棚d e 扛哪匹那嘛既l 培甲f i s ，锄cs 非d 立l i z e d 缸l o c “灯a n s p o i t r v 妣s ，m c 印。d i l i 黯di n h e i g 址o rp 躯鞴n 萨rt 唧n a t i o n ，锄d m eo t k 培f o 雠dt h e i rb u s i n c 豁o ns p e c 砸c 胁s p o r t s c r y i s ，鲫c h 牯伽t a i n 盯仃缸l s p o 坞l u 昭a 擘e 嘞s p o n e l c s o m er c f o 皿sm d c 锄僦嚣f 0 r e 衄纠e ，j nt h ee 叫珥峙毫nu n i o nd 锄毫d e f i 留db ，p m t i gb e t 孵e n 扛蛆印_ o r fs e r v i sa n d i n 丘a s h u c t u 糟o p e f 锄i 彻”，鞠wh i g h he 茁c i e n 。yo fn i l m d si g e 皿a y ，f r a n c e 柚ds w e d e n ；l n j a p 丑皿，w h od i v i d c d 沤a 虹o n a lr a i l i 鼍i d si n t o6 妣a lp a s s e n g e rc o m p a n i e s ，s a w3o ft 1 1 e mm a d e p r o 丘t s 柚d 汕ei n t ot h cm a r k e t i b w e v e r ，m eo t h e rr e f o 珊sf a i k d f o ri n s 诅n c c ，s c v e 脚t 础i c a c c i d c n t so c c u 仃e di nb i t a i na f t e rr a i l t n c l 【t h c m p a n yo p e r a t i n gt h en i l r o a d sn c t w o r k ，w a s 北京交通大学博士学位论文 e x i s t e dt h e o r i e se x p l a i n i n gt h ee v o l v e m e n to fr a i l m a di n d u s t i yo r g a n i z a t i o ns t n l c t u r e ，s u c ha s t h et h r yo fe c o n o m i e so fs c a l e 如de c o n o m i e so fs p e ，t h e o r yo fm a r k e tp o w e r ，t h e o r yo f t r a n s a d i o nc o s t ，锄dt h f yo f i t e g r a 怔dt a n s p o f lp r 甜u c t ”e a c ho f 诧r sp a r t i a le x p l 柚a t i o n t h i s d i s s e r t a t i o nw i j le s t a b l i s han e wa n a l y t i c a lf r a m eo ni n d u s t r yo r g a i z a t i o s t 阳c t u r cf r o mt h el e v e l o fa c t i “t i e s ，r e v e a li h ei n f l u e n so fm i l r o a di n d u s t r ys p e c i a l i t i e so ni t so r g 蛆i 瓿t i o ns t r u c t u 阳， c o m p a 他t h en e wa n a l y “c a lf r a m ew i t he x i s t e dt b r i e s ，a n dt e s ta n da p p l y “t h m u g ht h r e ec a 辩 s t u d i c s ，w h i c ha r ct h ec o m p a r a t i v e 柚a l y s i so f “s e p a m t i n gb e 押t r 柚s p o n e r v i c c s a n d i n f n s i c t u r co p e r a t i o n ”i nd i f l - e r c n tn a t i o n s ，t h et n s f o 姗a t i o o fr a i l r o a dp a r c e la n dp a c k a g e t 砌s p o f to r g a n i z a t i o ns u c t u 尬i n ( 、h i n aa n dt b cp l d c c s s e sa n dd i r e c t i o no fn i l f o a d si n d u s t r y o r g a n i 组t i o ns l n l c t u r ei c h i n a i n 岫e o r e t i c a ls t u d i 鹤，t h em a i nv i e w p o i n t sa n d 。o d u s i o n so f 出i sd i s 辩r t a t i o na ma sf o l l o w i g ： 1 t be s t a b l i s han e wa n a l y t i c a lf r a m eo ni i i d u s t r yo r g a n i z a t i o ns m i c t r e p f o d 瞅i o np r o c c s s c a 皿b cd i v i d c di n t oa c t i v i t i e s t w ob a s i ci e l a t i o n se x i s tb e t w e e na c t i v i t i e s h o r i 乃o n t a lf e l a t i o n sa n d v c n i c a l l a t i o n s 1 1 i e 出键弦eo fh o r i z o n t a l 他l a t i sr e f e 璐t ot h cs i n l n a f i t yo fu t j l i z i n gn s 叩r s b c 帆e na c t i v i t i e s ，w h i kt h cd e g e0 fv e n i c a l l a t i 锄sr e f e f st ot h ee x 呦to fm a t e r i a la n d i n f 妇t i 0 t n 璐f o 皿a l i o nb e t w e 蚰虻d v i t i 鹋h d 惦竹硼g a n i 臻t i 蚰s t m c t u r ec 卸b es e e n 勰ak i n d o fi n s t i m t i o nt oa d j u s tt h c “帕k i n d so f l a t i o n sb c t w 啪a c t i v i t i e s u n d e rc e r t a i nm a l td e m a n d c d i t h 坫柚dp r o d u c t i 蛐t e c h n i q u e s 血ca c t i v i t i 姗u 咖犯f o r 重i n a lp r o d u c t 蛆dt h em l a t i 仰s b e t w e e na c t i v i t i e sa 咒g j v e n ，w h i c ht h e nd c f i n e dt h es b d ci d u s t r yo r g a n i z a d o ns t n i c t i l r e w h i l e f r o md y n a m i cp e f s p e c 虹v e t h ec h 柚萨o fm a f k e td e m 柚do rp f o d u c t i t h n i q s 谢hc h 如g ct h e p o 忙n t 柚p i o 丘t so f 船协m i 曲b gan 删垴叫o fj n d 惦h y 啊苷l n i z i t i o n 蛐m c 坩僻i n d u s t r yo 唱a n 龃i t o n 甜删c 吣他仰l yc h a 咿s 椭科i l h ep l o 丘t 帅d 酣n e w 或m c 味扭b j 髓阿也蛐l h es 啪o f p 瑚t 蚰d 盱 o l ds t i 咖托a dt h e s to fd e s i g n i g 柚de s t a 啊i s h i n g kn 州s t n l c t i l 他 2t 0 佗v e a l 岫即c c i a l i t i 髓o f 舶di n d 璐t f y 衄dt h c i ri n n u e n c 髂伽i 扭o r 蓦；a n i z a t i o n s t n 圮l u 托r 豫i l a di n d u 哪ss p e c i a l i t i nb cd e s 口i b e d 矗岫4a s p e c t s ：1 h es p e d a l i e so f 沤 p l o d u c tm a i n l yi n d u d e 舢l t i p l i d t y 明d 舢m a 吲b n t 髓o fm 叫u c b t h ec h a n g c so fn sm a r l 【e t d e m a n di n c i u d ec h 柚g e s 矗o mq u a d t “y s p a c ed i s t r i b i u t i o n 如dq u a m y t h ec o m p i e x i t yo fi t s p r o d u d i o np f o s s a i n l yi n c l u d 髂i t st i m ea n ds p a c cc h a n c t e r i s t i c sa n d “g hh o r i z o n t a l a n d v e n i c a l 聘l a t i 锄sb e 佃e ! c na c t i v i t i e s a 丑dt h cc h a n g e so fi t sp r o d u c t i p f o c c 豁m a i n l yi n c l u d e h i g h s p e e d i n gt e c h n i q u e s 血p a s s e g c rt r a n s p o n ，h c a v y - l o a d i n gt c c h n i q u e sj nf r e 培h tt r a n s p o r ta n d m i c r o e l e c t r o n i c st e c h n i q 眦si nt f a n s p o no 曙a n i 船t i o n 电子科技大学硕士学位论文 的时间延迟0 就可以求得目标与雷达之间的距离。发射信号的脉冲宽度f ，脉冲重 复周期n 以及脉冲平均功率p 而帽是发射信号波形设计的主要参数。其中脉冲宽 度f 影响最小可测量距离，脉冲重复周期丁影响最大单值测量距离，脉冲平均功率 尸姚决定雷达探测距离。 2 1 2 三角形调频连续波测距基本原理 三角形调频连续波雷达的原理框图如图2 2 所示。发射机产生调频连续波信 号，其频率在时间上按三角形规律变化，经定向耦合器，一部分功率作为接收机 混频器的本振信号，大部分通过天线向外发射，发射信号碰到目标后，目标反射 信号进入天线，目标回波信号和发射机直接耦合过来的发射信号在接收机混频器 内混频。在无线电波传播到目标并返回天线的这段时间内，发射机频率较之回波 频率已有了变化，因此在混频器输出端便出现了差频信号。后者经放大、限幅后 加到频率计上。由于差频的频率与目标距离有关，所以频率计的指数就反映了目 标距离。下面具体讨论三角形调频连续波的测距原理。 困 u 图2 2 调频连续波雷达原理框图 三角形调频连续波的发射频率按周期性三角形波的规律变化，如图2 3 所示。 签霹 一百 j 上 图2 3 三角形调频连续波收发频率变化规律 6 第二章近距离测距系统分析 图中崩力为发射信号的线性扫频输出，发射信号的起始频率为而，调制带宽为 口，调制周期为丁k ，扫频斜率为= 2 剧功。知( r ) 为回波信号的线性扫频输出，它和 发射信号的变化规律相同，但在时间上延迟协铲2 冗詹。崩f ) 为发射和接收信号之 间的差频频率。 如图2 3 所示，发射信号的频率胤d 可写成如下表达式； 删= 厶糍茄是乏 陋， 则发射信号的瞬时相位为 e r p ) = 2 7 c l 再( t ) 出 2 7 c ( 五h 三+ e 1 o r ，2 ( 2 - 4 ) 2 毗f + 2 肛三+ e 2 2 f 因此发射信号可表示为 咋( f ) = 彳c o s ( o r ( f ) )( 2 5 ) 式中挣和岛为发射信号的相位常数。回波信号的频率办( t ) 可写成如下表达式： 胁胁2 k 叠裂抛菘兰搿，。 b 。、 则回波信号的瞬时相位为 e r p ) = 2 兀i 厶( t ) 凼 2 7 c ( 口+ 三( f 砌棚怕 f ”2( 2 7 ) 2 7 c ( f + 2 丑f 一要叫( ，一2 。) + 币：。+ 2 f 屹+ 凼此到渡信号可表示为 ( r ) 2b c o s ( o 月0 ) ) ( 2 - 8 ) 式中伊和即为回波信号的相位常数。回波信号和发射信号在混频器中混频产生差 频信号，差频信号的频率可表示为式( 2 9 ) 。 对于一定距离r 的目标回波，除去在r 轴上很小一部分2 尺c 以外，其它时间 妇r z 2 和幻+ n 犯， z m 差频是不变的。这个固定的差频知是一个与 7 电子科技大学硕士学位论文 距离有关的常数，通过测量这个固定的差频局可以得到目标的距离r ，如式( 2 - 1 0 ) 所示。 ，( r ) = i 厶( r ) 一厶( r ) i j厶+ p ro f 0 ：筹o f 2 & o + 2 f ( 2 。9 ) = ；=0 f ，0 2 & 0 + ? 0 2 f z k 、 i m f ij 2 b 一2 + p 0 i2 f 0 + 2 月= 等 函 调频连续波的特点为【1 4 l ：( 1 ) 不存在距离盲区，由于调频连续波雷达的发射 机和接收机是同时工作的，不像脉冲雷达那样需要在发射机工作期间关闭接收机， 所以调频连续波雷达不存在距离盲区；( 2 ) 容易实现极高的距离分辨力，根据雷达 系统理论，雷达的理论分辨力由雷达信号带宽决定。在线性调频连续波雷达中， 易得到大带宽信号，而接收机视频部分的带宽却远远小于信号带宽，因此易于工 程实现；( 3 ) 信号能量大，时宽带宽积大，根据雷达统计检测理论，在噪声功率一 定的情况下，雷达的检测能力由信号能量决定。调频连续波雷达采用的是大时宽 带宽积信号，所以它具有远远大于具有同等信号电平和信号带宽的脉冲信号能量： ( 4 ) 抗截获性能强，由于调频连续波雷达的平均功率低且带宽时宽积大，因此不易 被电子侦察设备检测到；( 5 ) 功率要求小，结构简单，由于调频连续波雷达是依靠 大时宽带宽积来获得信号能量的，一般不需要很高的峰值功率，因此使得系统易 于采用微波固态组件实现调频连续波，简化了结构，减小了体积、重量，并降低 了成本。 调频连续波的缺点为：( 1 ) 作用距离近，由于连续波体制的发射机和接收机是 同时工作的，当收发共用一副天线时，发射机泄漏功率将阻塞接收机，因而限制 了发射功率的大小，使得作用距离近：( 2 ) 存在距离一速度耦合，由于调频连续波 是大时宽带宽积信号，根据雷达模糊函数理论，它必然存在距离和速度的耦合问 题，这将导致实际分辨力下降，引起测距误差；( 3 ) 难于同时测量多个目标，如欲 测量多个目标，必须采用大量滤波器，使得装置复杂，从而限制其应用范围。 表2 1 将单载频脉冲法和调频连续波技术在关于距离测量方面的性能进行了 对比。 8 第二章近距离测距系统分析 表2 1 单载频脉冲法和调频连续波技术的性能比较 单载频 调频 参数 脉冲体制连续波 测距精度优一般 距离分辨力般优 测距盲区有无 作用距离中远程近程 峰值功率高低 抗截获能力弱强 2 2 脉冲法和三角形调频连续波的波形设计 本课题被测目标的特性为，飞行速度s1 0 0 0 1 l l s ，距测距器5 5 0 m ，入射角度 ! 士2 5 。，在6 g h z 时目标的散射截面约为0 1 ，时一。测距精度要求s 土2 m 。根据这些 已知的参数以及测距精度可以设计发射信号波形参数。 2 2 1 脉冲法测距的波形参数设计 脉冲发射信号的波形参数主要有脉冲宽度f 、脉冲重复周期r 。脉冲宽度决定 最小测量距离，而脉冲重复周期决定最大单值测量距离。 系统作用距离为5 m 5 0 m 。为不模糊测量最小距离，脉冲宽度t 应满足下式 f 2 r 。c = o 3 3 3 胪( 2 - 1 2 ) 目标的最大运动速度为1 0 0 0 州s ，对应最大多普勒频率力= 2 1 ，a = 4 0 k h z ( 发射脉冲 中心频率为6 g h z ，波长为5 0 m m ) 。为保证不模糊测速，则 力 五。( 2 x 电子科技大学硕士学位论文 且脉冲发射功率较大，会增加发射机末级功率放大器及散热装置设计的难度，同 时也增加了功耗。调频连续波的波形参数对微波部件和调频连续波信号源的设计 要求较低，发射功率较脉冲法也较小，降低了系统对末级功率放大器l d b 压缩点 的要求，这也增加了器件芯片的选择范围，降低了整个系统的设计难度。因此本 文选择调频连续波作为系统测距方法，发射信号波形为三角形调频连续波，调制 周期z 矿1 0 肛s ，调制频偏b = 1 0 0 m h z ，中心频率6 g h z ，发射信号输出功率大于 2 0 d b m 。 2 _ 3 调频连续波频率源的产生方法 产生调频连续波( f m c w ) 信号的方法主要有以下三种： ( 1 ) 用y i g 振荡器，易实现大时带宽积，但调频速度受限； ( 2 ) 用压控振荡器( v c o ) ，易实现大时带宽积，可实现较快的调频速度。它是 通过把模拟信号加到变容二极管调谐v c o 的电压控制端实现的。由于变容二极管 的固有特性，v c o 的输出频率与控制电压之间是非线性关系，在不进行线性度校 正的情况下，发射信号的线性度一般只有2 5 ，不能满足高线性f m c w 雷达的 总体要求。图2 4 为h i n i t e 公司生产的h m c 3 5 8 m s 8 gv c o 芯片的调谐电压和输 出频率之间的关系。从图中看出，虽然该v c o 输出频率满足本文要求，但是线性 度不理想。 f r 唧唧c y 愧砌加k 塑耸冀? l 螽| 霪。妻 蒌l 睫蓍些墓i 塔g g 阵塞翼誊零星薹予嚣囊劳蕈簿0 耋鸳 茗龃翟鼎魁妒粤篓妒暨引，缎业型嘏线髓蛳鳓圳婴譬形鲤奏羹蓉孽暑置岛_ ? 蓦文稿羟甜群抓必娶始蒙采意薛辫韩魏j 薪赫影根稳茸“甜弱畦溉；基葙符瑁喜汞 j - 不同，相位增量也就不同。对于低的合成频率，相位增量小 第二章近距离测距系统分析 类型【1 5 】【1 6 】【1 7 】【1 8 】。电抗补偿线性校正通过电抗补偿回路调整v c o 谐振回路的拓扑 结构，改变其谐振频率与电调组件之间的函数关系，从而实现对v c o 电调特性的 线性校正。电抗补偿线性校正的缺点是调试工作较为繁琐，校正后的v c o 电调特 性的波纹起伏较大，线性校正精确度不易得到可靠保证。开环线性校正通过在v c o 电调电压与v c o 电调端口之间插入转移特性函数为v c o 电调特性函数反函数的 线性校正器，实现对v c 0 电调特性的线性校正。开环校正一般只能达到千分之几 的线性度。开环校正实现方案简单、成本低，但线性校正器电路本身存在的底噪 声会增加v c o 的输出噪声，同时对v c 0 电调信号带宽( 即电调速度) 有一定限 制，而且电调特性随温度等环境因素的变化而变化，固定的控制电压波形不能适 应变化的电调特性。闭环线性度校正是获得高线性度调频信号的最有效的方法， 因为它能根据v c o 实际输出信号频率偏离理想线性频率的多少而实时、动态地修 正控制电压。实时闭环线性度校正的出发点是根据需要随时调节控制电压波形， 使得频率误差趋于零。图2 5 给出了典型的闭环线性度校正系统方案。在对v c o 进行闭环线性度校正后，v c o 的稳态线性度可到o 0 1 。 图2 5 典型闭环线性度校正方案 ( 3 ) 频率综合法实现调频连续波，该方法能够获得很好的相位噪声和杂散，以 及较好的线性度。主要的技术方案【19 】有： 1 - d d s + 倍频技术 石畅拐 图2 - 6 d d s + 倍频方案 这种方案可以获得很快的频率捷变速度，线性度以及频率步进时间只与d d s 1 3 电子科技大学硕士学位论文 有关，可以实现纳秒量级的步进时间。但杂散多，最高工作频率取决于倍频器的 工作频率。 2 d d s + 上变频技术 五) 图2 - 7d d s + 上变频方案 这种方案可以将数字法产生的调频信号扩展到微波，甚至毫米波波段，只需 更改混频器的本振频率即可实现。相位噪声低，线性度以及频率步进时间只与d d s 有关，也可以实现纳秒量级的步进时间。但是对于混频后的滤波器设计以及频段 的选择提出了高要求。 3 d d s + p l l 技术 d d s 与锁相环一起使用可以得到很好的相位噪声和低杂散，也易将调频信号 扩展到微波毫米波波段。其线性度及频率步进时间与d d s 和锁相环路有关，一般 可以实现微秒量级的步进时间。d d s p l l 方案主要有三种：环外混频式d d s p l l 、 内插混频式d d s p l l 、以及d d s 激励p l l 。图2 8 为d d s 激励p l l 方案。 l 一一一j 图2 8 d d s 激励p l l 方案 由于发射信号调制周期为1 0 螂，若采用d d s 激励p l l 方案，则受到锁相环 频率建立时间的限制而达不到要求。若采用v c o 闭环校正技术，则需采用d s p 技术进行实时处理，这增加了硬件成本，并且闭环校正时间也不满足调制周期的 要求。由于线性度和体积等原因而不采用y i g 方式。d d s 产生基带调频信号再直 接倍频产生微波频段调频信号存在倍频次数多、频率设计复杂等困难。若采用d d s 产生基带调频信号直接与微波本振信号上混频产生微波频段调频信号则对滤波器 1 4 第二章近距离测距系统分析 要求较高。因此本文结合d d s 高速调频的特点以及倍频、混频易得到微波频段的 特性设计了d d s + 倍频+ 上变频的c 波段三角形调频连续波频率源的生成方法。首 先通过d d s 产生调制带宽为曰的基带调频信号，该调制带宽b 小于系统要求调 制带宽。再通过倍频器n 倍频后产生调制带宽为脚的射频调频信号，最后与固 定微波本振上混频产生c 波段调制带宽为b = 蛆的微波调频连续波信号，电路 框图如图2 9 所示。该方法没有复杂的数字信号处理技术，同时由于没有采用锁相 环路，因此频率步进时间只和d d s 有关，只要d d s 的参考时钟频率足够小，就 可以满足系统对调制周期的要求。由于先产生小的调制带宽，再通过倍频的方式 产生全带宽，最后和微波本振信号上混频得到系统要求的频率范围的方法，使得 滤波器易于设计。 n 盛| 2 图2 9d d s + 倍频+ 上混频电路框图 根据设计的电路方法，设1 5 【女* 好的步进时间为出，步进频率4 厂以及半周期步迸 数。由于笑射醋输出频率是阶梯步进式，因此由阶梯步进频率导致的测距误差应 小于测距精度，即 个 k 卷v ( 2 _ 2 4 ) 其中b = 4 所以上式简化为 t 出= 二等等 1 3 3 n j ( 2 - 2 5 ) 所以步进时间要小于1 3 3 n s ，这样快的步进时间也只有d d s 可以达到。本文取步 进时间血= 1 0 雕，半周期步进数= 5 0 0 ，根据调制带宽可得步进频率4 r = o 2 m h z 。 综上所述，本文根据被测量目标参数，在对比各种方法后确定了发射信号频 率源的产生方法。该方法为d d s 输出基带的窄带调频连续波信号，经过倍频后与 固定微波本振信号上混频得到完整带宽的c 波段调频连续波信号。该调频连续波 发射信号波形参数为，调制周期丁k = 1 0 “s ，调制带宽b = 1 0 0 m h z ，半周期步进数 电子科技大学硕士学位论文 = 5 0 0 ，步进时间出= l o n s ，步进频率4 厂= 0 2 z 。 2 4 理论测距精度分析 1 固定误差f 9 】 根据差频信号的分析可知，调频连续波雷达的差频信号频谱是离散的，数值 是调制频率乃f 的整数倍，它随目标距离的变化而阶跃变化。从而产生阶跃测量误 差，常称为固定误差。固定误差大于等于差频频率为甩f k 和0 + ) ，k 时所对应的距 离差，因此固定误差r ，为 蝇蠢2 0 7 5 m ( 2 - 2 6 ) 2 调频线性度引起的测距误差4 r 2 调频线性度的定义为 t 1 ：年 ( 2 2 7 )t 1 2 。崇2( 2 2 ，) 其中蛳。为实际扫频相对于理想线性扫频的最大频偏。因为d d s 输出信号按照阶 梯式步进，因此最大频率偏差就是步进频率，所以本文设计调频连续波信号的调 频线性度为”= 0 2 坛阮，l o o 如= o 2 。调频线性度引入差频信号频率误差为 蛳，其值为 颤：= ( 4 加b ) 扣( 2 2 8 ) 将上式带入( 2 1 6 ) 可得线性度引入的测距误差为 r 2 = q r( 2 - 2 9 ) 当目标距离取最大作用距离。= 5 0 m 时，测距误差r 2 = o 1 m 。 3 多普勒效应引起的测距误差刎t 3 当目标与雷达之间存在相对运动时，多普勒效应产生的差频信号频率误差用 蛳表示，其值为 蜕：以：掣 因此引入的测距误差为 蜗= 鲁蛎 1 6 ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) 第二章近距离测距系统分析 当v ：l o o o “l s ，由多普勒效应导致的测距误差为丑r ，= o 3 m 。 4 d d s 步进频率引起的测距误差欲。 步进频率产生的差频信号频率误差为 醌= 等，_ 1 r 5 m ( 2 _ 3 2 ) 根据上述分析可得总的测距误差为 月= ( 猷，) 2 + ( 艋：) 2 + ( 艄。) 2 + ( 艘。) 2 = 1 7 l m 2 聊( 2 3 3 ) 因此采用本文设计的波形参数能够满足系统对测距精度的要求。 2 5 本章小结 本章根据被测目标参数对比了脉冲和调频连续波两种测距方法的优劣，确定 了微波近距测距收发前端的系统体制以及发射信号波形参数，即采用调频连续波 进行距离测量。然后根据系统要求设计了c 波段调频连续波频率源的产生方法， 即采用d d s 产生窄带的基带调频信号，再倍频上混频得到c 波段的三角形调频连 续波信号。所设计的波形参数的理论铡距精度小于2 m 。表2 - 2 给出微波收发前端 和天线部分的设计目标。 表2 2 微波前端及天线设计目标 中心频率 6g h z 调制带宽 1 0 0 m h z 调制周期1 0 “s 步进频率 0 2 m h z 步进时间l o n s 发射功率2 0 d b m 接收机噪声系数野d b 天线增益 8 d b i 天线波瓣宽度兰5 0 。 电子科技大学硕士学位论文 第三章c 波段f m c w 频率源设计 调频连续波频率源是微波近距测距系统中的核心部件，通过它产生用于距离 测量的调频连续波信号。根据第二章的分析可知，若采用传统的调频连续波测距 电路，压控振荡器( v c o ) 的调频非线性特性、模拟电路中很低的频率分辨率等都对 f m c w 雷达的测距精度产生很大影响，而闭环校正电路需使用d s p 技术，增加了 系统设计的复杂度。d d s + 倍频+ 上混频方法可以产生高线性度、频率捷变的调频 连续波信号，其线性度和频率步进时间只与d d s 有关。本章将对c 波段f m c w 频率源进行详细叙述。首先对产生基带调频信号的d d s 进行理论介绍，其次设计 c 波段f m c w 频率源的系统方案，然后介绍各电路的设计，最后给出所设计的c 波段f m c w 频率源的测试结果。 3 1d d s 的基础理论 直接数字式频率合成d d s ( d i r e c td i g i t a ls y n 山e s i s ) 是产生频率的一釉新颖的频 率合成技术【l9 】口。这种技术是直接对参考正弦时钟进行抽样、数字化，然后用数 字计算技术产生频率合成。这种技术的实现完全是由高速数字电路和d a 变换器 产生。d d s 使用稳定的参考时钟源规定抽样时间，直接产生数字正弦抽样值，然 后经滤波平滑输出。与其它频率合成方法相比较，它的主要优点是：相位连续： 分辨率小，典型值为o 0 0 1 h z ：频率转换速度快，小于1 0 n s ；具有低价和良好的可 再制性；系统的相位噪声性能主要取决于参考时钟振荡器。 d d s 是根据正弦函数的产生，从相位出发，用不同的相位，给出不同的电压 幅度，最后滤波平滑输出需要的频率。图3 1 表示了半径r 长度为l 的单位圆。 半径r 绕圆旋转与x 轴的正方向形成夹角甙f ) ，即相位角。令r 在) ，轴上的投影为 s 。当r 连续不断地绕圆旋转时，s 将取+ l 1 之间的任意值，俄幻从0 。3 6 0 。变化。 s 的长度就是正弦函数的幅度，也就是p 尺s i n 觑0 ，如图3 2 ( a ) 所示。如果r 不是 连续不断地围绕圆旋转，比如8 步旋转一周，那么s 的值将形成阶梯式的近似正 弦函数，如图3 2 ( b ) 所示。当步长数目增加( 相位增量减小) 时，阶梯式正弦波就接 近实际的正弦函数。图3 - 2 ( c ) 和( d ) 表示3 2 步长和6 4 步长的近似正弦函数。 1 8 莹”婶聂譬她纛焉皓北 翡鍪坚笺囊赣酗烈朝。催悟悻互暑滔制囊学墨准倦惜喏璨璎嗌掣雒弘髹醵匕二晶 缝醑登焉锅输签：催浠域辫舔洋矗堪雌嚣峨盈罐孽鲤翥善焉港泼壤m 螂溜强埋墨 堪睫瞄絮；董罢r 羲墓豇戮型舶郦笠，婪叫黟戤瞳印甄卜影骖刨旧；豪藿型蚕县 ：出铷；剃靳强鼓靴跹挑鼎燮羞热邺尊怂； 磁鏊涩懑鼍壕鞭m 砸用羽。动掰嘱 渐艘咱佩瑚国懈矗潞灞搽淄增濡坚峨：篙嘎掣式强掣孟葡越型尘草翠尘! 型其 牮屋i 蒜l i 番；i 隧滢翮篙霎l l l 虬蠢；瓣瞎彳遵! 譬羹q j 篷隔豺箍矍旃滞群蔼牵 孽茑萝耋誊； 囊l 鍪囊冀羹囊婆蔫鎏露琴萋鋈蠢 辐掣妊弪罂理塔9 蚕魁蓦寓i 型篓蠢莓籁象耙数字鲁霉禽t i i ! 疑謇 蔼制裁耐；鹪懿翔咱骑到抛纠i 弪鲣群丝腆矬戆i ；i i 黼崭律湾藤猁；萋墓墓i j 翕葚管萌带外杂散i 载誉羹嬲鼎曙灌瞄基虱；溪酲 墼霹冀孺嚆穗鬻豢垂爵珏姑掣景垒濡篓差荔冀薯形缮默鹜篡掣芒；鬟鬻雅酥褂针嚣 张妯捎翮j 篓萎藩型鲁量得桔蛙潮强怫羹秫穹纠霸驰葡荔鳓；潲碰提阻追霪钢可 川影蠹诫氡；蠢剥般堕藩军委。洛瑕蠢一n 击；单弭辫攀忑料娶季皆囊寓署茄篇 精骱鬟j ；攀d - ? 蛾薹；霪! l ；辟耐蠢攀轰蠢则薹i l l 衍 j 囊璧萋善i 琵茁蠢鬈藩酿簖肄 娶铆硐拍委蚕鄹彗! 爿蠢麓警塞j 丘比聱氍冀霎晷菱、，j 嘴卧m 勤懿f 融= 襞烂曙强 翟错蜡娌； 鬟l 篓器謦謦霉鏊缓童k 塑耸霉薹? ；蠹l 霪。妻 蒌l 睫蓍些墓i 塔g g 阵塞翼誊零星薹予嚣囊劳蕈簿0 耋鸳 茗龃翟鼎魁妒粤篓妒暨引，缎业型嘏线髓蛳鳓圳婴譬形鲤奏羹蓉孽暑：_ ? 蓦文稿羟甜群抓必娶始蒙采意薛辫韩魏j 薪赫影根稳茸“甜弱畦溉；基葙符瑁喜汞 j - 不同，相位增量也就不同。对于低的合成频率，相位增量小(最小时fsw=1 )；对于高的合成频率，相位增量大。根据nyqii自i采样定理，最大fsw=2“1。 x 第三章c 波段f m c w 频率源设计 岛。= 箝 ( 3 - 2 ) 这个增量也是最低的合成频率。最高合成频率受n y q u i s t 定理的限制为 ， 兀。= 冬 ( 3 3 ) z 实际应用中，为了保证输出波形的质量和更好地滤波，通常将d d s 的输出频率限 制在o 职以下。 表3 1 列出了目前a d i 公司的四种典型d d s 芯片的部分性能参数。在本文中， d d s 芯片首先要产生窄带的调频连续波信号，再倍频得到完整的调频连续波信号。 为了让倍频次数尽可能的少，d d s 输出带宽应尽可能大。a d 9 8 5 8 在参考频率为 1 0 0 0 m h z 时可以直接输出最高频率为4 0 0 m h z 的信号，但是其工作模式没有自动 三角形扫频功能，难于准确设计三角形调频连续波波形。a d 9 9 5 6 输出频率较 a d 9 8 5 2 和a d 9 8 5 4 稍高，且具有自动三角形扫频功能，但其i o 接口为串口，单 片机指令较多，对单片机的存储量要求较大。a d 9 8 5 2 满足本课题的要求且实验经 验较多，因此选择a d 9 8 5 2 作为产生调频连续波的d d s 芯片。 表3 1a d i 公司的典型d d s 芯片部分性能参数对比 最大最大 参考输出频率控制满负荷 i ，0 型号 工作模式 频率频率字位数工作电源接口 ( m h z )( m h z ) s m 西e - t o i l e 用s k 瓜锄p e d p a r a i l e l a d 9 8 5 2 3 0 01 2 04 8 3 _ 3 v 9 9 2 m a f s c h l r p ，b p s k s e r l a l s i n g l e - t o n e 限s k 瓜a n l p e d p a a e 1 a d _ 9 8 5 43 0 01 2 04 8 3 3 v 1 2 1 0 m a f s k ，c h i r p ，b p s k s e r i a l s i n g i e - t o n e 佃s k ，r m p e d a d 9 9 5 6 4 0 0 1 6 0 4 8n ，a s e a l f s k p a r a l l e l a d 9 8 5 8 1 0 0 04 0 03 2 s i n 出e t o n e f s k c h i r p3 3 v 7 5 7 m a s e r i a i a d 9 8 5 2 是一款高集成度的d d s 芯片，它具有以下优良性能：最高3 0 0 m h z 的时钟采样速率；可以实现f