雷達(dá)接收機(jī)分析PPT課件

1、內(nèi)容提要接收機(jī)的任務(wù)和組成接收機(jī)的主要質(zhì)量指標(biāo)接收機(jī)的噪聲系數(shù)和靈敏度接收機(jī)的高頻部分本機(jī)振蕩器和自動(dòng)頻率控制接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍和增益控制濾波和接收機(jī)帶寬第1頁(yè)/共66頁(yè)通過(guò)適當(dāng)?shù)臑V波將天線接收到的微弱高頻信號(hào)從伴隨的噪聲和干擾中選擇出來(lái)，并經(jīng)過(guò)放大和檢波后，送至顯示器、信號(hào)處理器或由計(jì)算機(jī)控制的雷達(dá)終端設(shè)備中。微弱信號(hào)放大噪聲和干擾濾波高頻信號(hào)檢波（解調(diào)）第2頁(yè)/共66頁(yè) 超外差式接收：將接收信號(hào)與本機(jī)振蕩電路的振蕩頻率，經(jīng)混頻后得到一個(gè)中頻信號(hào)，這稱為外差式接收。得到固定的中頻信號(hào)后再經(jīng)中頻放大器放大的，稱為超外差式。中頻信號(hào)經(jīng)檢波后得到視頻信號(hào)。 1、在中頻上要比在射頻上更容易得到所需 的

2、濾波器形狀、帶寬、增益和穩(wěn)定性。2、減小半導(dǎo)體閃爍噪聲（1/f 噪聲）的影響，提高接收機(jī)靈敏度第3頁(yè)/共66頁(yè) 靈敏度高 增益高 選擇性好 適用性廣雷達(dá)接收機(jī)幾乎都是超外差式。第4頁(yè)/共66頁(yè)接收機(jī)保護(hù)器低噪聲高頻放大器混頻器本振中頻放大器檢波器視頻放大器高頻輸入至終端設(shè)備高頻部分簡(jiǎn)化框圖1、高頻部分，又稱接收機(jī)前端，包括接收機(jī)保護(hù)器、低噪聲高頻放大器、混頻器和本機(jī)振蕩器2、中頻放大器，包括匹配濾波器3、檢波器和視頻放大器第5頁(yè)/共66頁(yè)收發(fā)開關(guān)低噪聲高頻放大器接收機(jī)保護(hù)器混 頻 器中頻放大器中頻增益衰減中頻濾波器線性放大器包絡(luò)檢波器同頻檢波器對(duì)數(shù)放大器限幅放大器相干本振相位檢波器發(fā)射機(jī)穩(wěn)定本

3、振近程增益控制(STC)AGC視 頻 放 大 器天線uI(t)uQ(t)cossin90同步檢波器檢波器第6頁(yè)/共66頁(yè) 靈敏度 放大倍數(shù)（增益） 動(dòng)態(tài)范圍 中頻的選擇和濾波特性 抗干擾能力 工作穩(wěn)定性第7頁(yè)/共66頁(yè)衡量接收機(jī)接收（檢測(cè)）微弱信號(hào)的能力。通常用最小可檢測(cè)信號(hào)功率Simin表示。能檢測(cè)的信號(hào)越微弱, 則接收機(jī)的靈敏度越高, 因而雷達(dá)的作用距離就越遠(yuǎn)。 靈敏度1/4max2min(4)tiPGARS第8頁(yè)/共66頁(yè) 靈敏度如果不存在噪聲，則不管目標(biāo)回波有多小，理論上都能夠檢測(cè)到。但實(shí)際系統(tǒng)都不可避免地在噪聲，因此接收機(jī)的輸入信號(hào)功率如果低于噪聲水平，目標(biāo)就會(huì)完全淹沒(méi)在噪聲中，從而

4、不可能被可靠地檢測(cè)出來(lái)。最小可檢測(cè)功率不僅與噪聲有關(guān)，還有要求的檢測(cè)概率和虛警概率有關(guān)能量信號(hào)噪聲目標(biāo)距離能量信號(hào)噪聲目標(biāo)距離第9頁(yè)/共66頁(yè) 靈敏度目前, 超外差式雷達(dá)接收機(jī)的靈敏度一般約為(10-1410-12)W, 保證這個(gè)靈敏度所需增益約為120dB160dB(放大倍數(shù)106108), 這一增益主要由中頻放大器來(lái)完成。 第10頁(yè)/共66頁(yè) 表示接收機(jī)放大信號(hào)的能力 若用對(duì)數(shù)表示，則稱為增益 G=20lgK雷達(dá)接收機(jī)的電壓放大倍數(shù)一般為 倍相應(yīng)的增益為120-180dB 放大倍數(shù)（增益）106109第11頁(yè)/共66頁(yè) 動(dòng)態(tài)范圍 定義：接收機(jī)能夠正常工作所容許的輸入信號(hào)強(qiáng)度變化范圍。 在接

5、收機(jī)內(nèi)部噪聲電平一定的條件下，信號(hào)太弱便不能檢測(cè)；信號(hào)太強(qiáng)，接收機(jī)會(huì)發(fā)生飽和過(guò)載，使目標(biāo)回波顯著減小，甚至丟失。 使接收機(jī)開始出現(xiàn)過(guò)載時(shí)的輸入功率與最小可檢測(cè)功率之比第12頁(yè)/共66頁(yè) 中頻的選擇和濾波特性中頻選擇與發(fā)射波形特性、接收機(jī)的工作帶寬、所能提供的高頻部件和中頻部件的性能有關(guān)。一般在30M-500MHz 濾波特性-是減小接收機(jī)噪聲的關(guān)鍵輸出信噪比最大化-匹配濾波第13頁(yè)/共66頁(yè)內(nèi)部噪聲 接收機(jī)內(nèi)部器件產(chǎn)生的噪聲。外部噪聲 由天線進(jìn)入接收機(jī)的各種人為干擾、天電干擾、工業(yè)干擾、宇宙干擾和天線熱噪聲等。第14頁(yè)/共66頁(yè)電阻熱噪電阻熱噪聲聲起伏噪聲電壓均方值nnkTRBu42由導(dǎo)體中自由

6、電子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)形成k為波爾茲曼常數(shù)，k=1.28*10(-23)J/K, T為電阻絕對(duì)溫度，R為電阻阻值，Bn為帶寬第15頁(yè)/共66頁(yè)額定額定噪聲功率噪聲功率 額定信號(hào)功率 負(fù)載阻抗與信號(hào)源內(nèi)阻匹配時(shí)，信號(hào)源輸出的信號(hào)功率最大22()24nnouuNRRRun 4kTRBnN0Z* R j XZ R j X2RRs第16頁(yè)/共66頁(yè)額定噪聲功率額定噪聲功率204nnuNkTBR任何無(wú)源二端網(wǎng)絡(luò)的額定噪聲功率只與其溫度T和通帶Bn有關(guān)。un 4kTRBnN0Z* R j XZ R j X2RRs第17頁(yè)/共66頁(yè)噪聲系數(shù)的定義定義：接收機(jī)輸入端信號(hào)噪聲比和輸出端信號(hào)噪聲比的比值。 00 ii

7、SNFSN它表示由于接收機(jī)內(nèi)部噪聲的影響，使接收機(jī)輸出端的信噪比相對(duì)其輸入端的信噪比變化的倍數(shù)。Ga, NSi/NiSo/No第18頁(yè)/共66頁(yè)接收機(jī)內(nèi)部噪聲在輸出端所呈現(xiàn)的額定噪聲功率噪聲系數(shù)的另一定義：實(shí)際接收機(jī)輸出的額定噪聲功率與“理想接收機(jī)”輸出的額定噪聲功率之比。00ianaNN GNkT B GN 001ianaNNFN GkT B G 01naNFkT B G00000 iiiiiaSNNNFSNN SSN G第19頁(yè)/共66頁(yè)關(guān)于接收機(jī)噪聲系數(shù)的幾點(diǎn)說(shuō)明關(guān)于接收機(jī)噪聲系數(shù)的幾點(diǎn)說(shuō)明1. 噪聲系數(shù)只適用于接收機(jī)的線性電路和準(zhǔn)線性電路。2. 為使噪聲系數(shù)具有單值確定性，規(guī)定輸入噪聲

8、以天線等效電阻在室溫290K時(shí)產(chǎn)生的熱噪聲為標(biāo)準(zhǔn)。噪聲系數(shù)只由接收機(jī)本身參數(shù)確定。3. 噪聲系數(shù)沒(méi)有單位。通常用分貝表示第20頁(yè)/共66頁(yè)4. 無(wú)源四端網(wǎng)絡(luò)的噪聲系數(shù) 1 = oiaaNFN GG無(wú)源四端網(wǎng)絡(luò)GaRARLNi=kT0BnNo=kT0Bn第21頁(yè)/共66頁(yè)等效噪聲溫度接收機(jī)外部噪聲可用天線噪聲溫度TA來(lái)表示, 如果用額定功率來(lái)計(jì)量, 接收機(jī)外部噪聲的額定功率為 NA=kTABn 為了更直觀地比較內(nèi)部噪聲與外部噪聲的大小, 可以把接收機(jī)內(nèi)部噪聲在輸出端呈現(xiàn)的額定噪聲功率N等效到輸入端來(lái)計(jì)算, 這時(shí)內(nèi)部噪聲可以看成是天線電阻RA在溫度Te時(shí)產(chǎn)生的熱噪聲, 即N=kTeBnGa 溫度T

9、e稱為“等效噪聲溫度”或簡(jiǎn)稱“噪聲溫度”, 此時(shí)接收機(jī)就變成沒(méi)有內(nèi)部噪聲的“理想接收機(jī)”第22頁(yè)/共66頁(yè)aneGBkTN 0(1)(1)290eTFTFK噪聲溫度理 想接收機(jī)GaRARLTeTA01naNFkT B G第23頁(yè)/共66頁(yè)系統(tǒng)噪聲溫度TSeAsTTT對(duì)于低噪聲接收機(jī)和低噪聲器件，常用噪聲溫度來(lái)表示其噪聲性能。表3.2，P57理 想接收機(jī)GaRARLTeTA第24頁(yè)/共66頁(yè)級(jí)聯(lián)電路的噪聲系數(shù)F1， G1， BnF2， G2， BnNo No12 N2Ni kT0Bn0012iNFN GG012122iNN GGN GN 根據(jù)定義，有實(shí)際輸出噪聲有三部分組成11011nNFkT

10、B G22021nNFkT B G其中第25頁(yè)/共66頁(yè)級(jí)聯(lián)電路的噪聲系級(jí)聯(lián)電路的噪聲系數(shù)數(shù)兩級(jí)電路級(jí)聯(lián)時(shí)接收機(jī)總噪聲系數(shù)3201112121111nnFFFFFGGGGGG20111FFFG n級(jí)電路級(jí)聯(lián)時(shí)接收機(jī)總噪聲系數(shù)為第26頁(yè)/共66頁(yè)重要結(jié)論：重要結(jié)論： 為了使接收機(jī)的總噪聲系數(shù)小，要求各級(jí)的噪聲系數(shù)小、額定功率增益高。而各級(jí)內(nèi)部噪聲的影響并不相同，級(jí)數(shù)越靠前，對(duì)總噪聲系數(shù)的影響越大。因此，接收機(jī)要采用高增益低噪聲高頻放大器。3201112121111nnFFFFFGGGGGG第27頁(yè)/共66頁(yè)噪聲系數(shù)計(jì)算舉例噪聲系數(shù)計(jì)算舉例饋線接收機(jī)放電器限幅器低噪聲高 放混頻器中 頻放大器自天線

11、Gf1/GfGg1/GgGl1/GlGRFRGcFcGIFI至檢波器cRRcRgfGGFGFFGGGF11111010GGGFFgfR10111cfgcFFFG G GG驏-=+桫無(wú)低噪聲高放GR20dB第28頁(yè)/共66頁(yè)用噪聲溫度Te表示：321112121nenTTTTTGGGGGG3201112121111nnFFFFFGGGGGG320111212111111nnFFFFFGGGGGG 32001000011212111111nnFFFFTFTTTTGGGGGG第29頁(yè)/共66頁(yè)衡量接收機(jī)接收（檢測(cè)）微弱信號(hào)的能力。在虛警概率一定條件下，要使檢測(cè)概率較高，信噪比不能太低第30頁(yè)/共66

12、頁(yè)接收機(jī)SiNiSoNominiSminooSN000iiS NFSN00min00000minminiinSSSF NkT B FNNminooooSSNN000miniiooSS NSNFN0minoiioSSF NN第31頁(yè)/共66頁(yè)0,min00min000()innSSkT B FkT B F MN識(shí)別系數(shù)第32頁(yè)/共66頁(yè)提高接收機(jī)靈敏度的措施提高接收機(jī)靈敏度的措施 接收機(jī)中頻放大器采用匹配濾波器，得到白噪聲背景下輸出最大信號(hào)噪聲比。 盡量降低接收機(jī)的總噪聲系數(shù)F0,盡量采用高增益、低噪聲高放 識(shí)別系數(shù)M與所要求的檢測(cè)質(zhì)量、采用的檢測(cè)方法、天線波瓣寬度、掃描速度、雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率等

13、均有關(guān)系。在保證整機(jī)性能的前提下，盡量減小M的數(shù)值。,min00inSkT B F M第33頁(yè)/共66頁(yè)臨界臨界靈敏度靈敏度,min00inSkT B F M令M=1,min00inSkT B F第34頁(yè)/共66頁(yè),min,min3,min0(dBmW)10lg(dBmW)10(dBmW)114dB 10lg()10lgiiinSSSB MHzF 圖3.13，P60對(duì)數(shù)表示一般接收機(jī)的靈敏度在-90-110dBmW第35頁(yè)/共66頁(yè)收 發(fā) 開 關(guān)接 收 機(jī) 保護(hù) 器發(fā) 射 機(jī)低 噪 聲 高放本 機(jī) 振 蕩前 置 中 放混 頻 器天 線至 主 中 放接收機(jī)的 “前端”收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)接收機(jī)保護(hù)電路高

14、頻放大器混頻器本級(jí)振蕩器第36頁(yè)/共66頁(yè)收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)功能：l 發(fā)射時(shí)，使天線與發(fā)射機(jī)接通，同時(shí)與接收機(jī)斷開， 避免高功率發(fā)射信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)把高放或混頻器燒毀。l 接收時(shí)，使天線與接收機(jī)接通，同時(shí)與發(fā)射機(jī)斷開，以免因發(fā)射機(jī)旁路而使微弱的接收信號(hào)受損失。組成：高頻傳輸線+氣體放電管 (傳統(tǒng))種類：l 分支線型收發(fā)開關(guān)l 平衡式收發(fā)開關(guān)l 鐵氧體環(huán)形器第37頁(yè)/共66頁(yè)收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)-分支線型分支線型TR氣體放電管ATR接收機(jī)保護(hù)放電器發(fā)射機(jī)隔離放電器大功率小功率大功率小功率等效電路第38頁(yè)/共66頁(yè)收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)-分支線型高頻傳輸線44第39頁(yè)/共66頁(yè)高頻傳輸線和氣體放電管組成分支線型

15、收發(fā)開關(guān)發(fā)射機(jī)ATRTR接收機(jī)4abab4天線4收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)-分支線型第40頁(yè)/共66頁(yè)收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)-平衡式天線假負(fù)載接收機(jī)保護(hù)器TR1和TR2發(fā)射機(jī)3 dB 裂縫橋12(a)TR1和TR23dB 裂縫橋43假負(fù)載接收機(jī)保護(hù)器432天線發(fā)射機(jī)(b)13dB裂縫橋天線假負(fù)載接收機(jī)保護(hù)器TR1和TR2發(fā)射機(jī)3 dB 裂縫橋12(a)TR1和TR23dB 裂縫橋43假負(fù)載接收機(jī)保護(hù)器432天線發(fā)射機(jī)(b)11234氣體放電管第41頁(yè)/共66頁(yè)平衡式收發(fā)開關(guān)原理天線假負(fù)載接收機(jī)保護(hù)器TR1和TR2發(fā)射機(jī)3 dB 裂縫橋12(a)TR1和TR23dB 裂縫橋43假負(fù)載接收機(jī)保護(hù)器432天線發(fā)射機(jī)(b)1

16、收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)-平衡式第42頁(yè)/共66頁(yè)發(fā)射機(jī)TR管(有源或無(wú)源)二極管限幅器TR限幅器天線2341鐵氧體環(huán)行器至接收機(jī)收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)-環(huán)形器優(yōu)點(diǎn)：功率大、損耗小缺點(diǎn)：隔離度差（20-30dB）第43頁(yè)/共66頁(yè)高頻放大器超低噪聲的非致冷參量放大器低噪聲晶體管放大器目的：降低接收機(jī)噪聲系數(shù)要求：低噪聲、高增益第44頁(yè)/共66頁(yè)混頻器目的：fH fI關(guān)鍵：HLcos 2cos 2f tf tHLcos 2fft乘法器 ？HLcos 2cos 2ygf tf t實(shí)現(xiàn)：g為非線性函數(shù)第45頁(yè)/共66頁(yè)非線性電路選頻回路本 振混頻器信號(hào)輸入中頻輸出fHfI=fH-fLfL第46頁(yè)/共66頁(yè)寄生頻率寄生頻率

17、第47頁(yè)/共66頁(yè)鏡頻干擾HLIfff有用信號(hào)頻率HILI2ffff 干擾信號(hào)頻率fLfHfH-2fL濾波器濾波器fLfHfH-2fL鏡像頻率無(wú)影響：鏡像頻率有影響：第48頁(yè)/共66頁(yè)輸入高頻信號(hào)fH本機(jī)振蕩信號(hào)fL混頻器輸出中頻信號(hào)fI中頻濾波放大fI=fH-fL fH: 磁控管振蕩器的預(yù)熱漂移、溫度漂移、負(fù)載變化引起的頻率拖曳效應(yīng)以及電子頻移； fL: 電源變化、溫度變化引起本機(jī)振蕩器的頻率漂移第49頁(yè)/共66頁(yè)自動(dòng)頻率控制自動(dòng)頻率控制(AFC)(AFC) 目標(biāo)：使發(fā)射信號(hào)頻率與本機(jī)振蕩器頻率之差保持為正確的中頻。根據(jù)其自動(dòng)頻率控制的對(duì)象不同,控制方式分為兩類：早期脈沖振蕩型雷達(dá)：控制由反

18、射式速調(diào)管和壓控振蕩器構(gòu)成的本機(jī)振蕩器(fH) ?，F(xiàn)代脈沖振蕩型雷達(dá)：采用不可調(diào)諧的穩(wěn)定本振，控制磁控管的頻率(fL)。第50頁(yè)/共66頁(yè)現(xiàn)代脈沖調(diào)制雷達(dá)中的自動(dòng)頻率控制現(xiàn)代脈沖調(diào)制雷達(dá)中的自動(dòng)頻率控制調(diào)諧馬達(dá)可調(diào)諧磁控管振蕩器穩(wěn)定本振搜索/轉(zhuǎn)換跟蹤器峰值檢波器視頻放大器鑒頻器中頻放大器AFC混頻器至天線轉(zhuǎn)換開關(guān)頻率跟蹤狀態(tài)時(shí), 鑒頻器根據(jù)差頻偏離額定中頻的方向和大小, 輸出一串脈沖信號(hào), 經(jīng)過(guò)放大、 峰值檢波后, 取出其直流誤差信號(hào), 去控制調(diào)諧電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和大小取決于直流誤差信號(hào)的極性(正或負(fù))和大小, 從而使磁控管頻率與穩(wěn)定本振頻率之差接近于額定中頻。第51頁(yè)/共66頁(yè)增益控

19、制目的：1、防止強(qiáng)信號(hào)引起的過(guò)載，增加接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍2、防止信號(hào)的強(qiáng)弱隨目標(biāo)距離、性質(zhì)的不同而發(fā)生變化3、防止近地雜波使接收機(jī)過(guò)載第52頁(yè)/共66頁(yè)自動(dòng)增益控制自動(dòng)增益控制(AGC)(AGC)在跟蹤雷達(dá)中, 為了保證對(duì)目標(biāo)的自動(dòng)方向跟蹤, 要求接收機(jī)輸出的角誤差信號(hào)強(qiáng)度只與目標(biāo)偏離天線軸線的夾角(稱為“誤差角”)有關(guān), 而與目標(biāo)距離的遠(yuǎn)近、目標(biāo)反射面積的大小等因素?zé)o關(guān)。為了得到這種歸一化的角誤差信號(hào),使天線正確地跟蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo), 必須采用自動(dòng)增益控制(AGC)。自動(dòng)增益控制：使放大電路的增益自動(dòng)地隨信號(hào)強(qiáng)度而調(diào)整的自動(dòng)控制方法。第53頁(yè)/共66頁(yè)自動(dòng)增益控制(AGC)中頻放大器包絡(luò)檢波器視頻放大

20、器低通濾波器峰值檢波器uiu0輸入輸出UAGCAGC電路第54頁(yè)/共66頁(yè)近程增益控制近程增益控制(STC)(STC)近程增益控制電路又稱“時(shí)間增益控制電路”或“靈敏度時(shí)間控制(STC)電路”, 它用來(lái)防止近程雜波干擾所引起的中頻放大器過(guò)載。距離幅度第55頁(yè)/共66頁(yè)P(yáng)niOR(t)R(t)UCO(a)(b)近程增益控制(STC)雜波干擾(如海浪雜波和地物雜波干擾等)主要出現(xiàn)在近距離, 干擾功率隨著距離的增加而相對(duì)平滑地減小, 如圖所示。 如果把發(fā)射信號(hào)時(shí)刻作為距離的起點(diǎn), 則橫軸實(shí)際上也就是時(shí)間軸。第56頁(yè)/共66頁(yè)防止近程雜波干擾引起的中頻放大器過(guò)載。當(dāng)發(fā)射及發(fā)射信號(hào)之后，接收機(jī)產(chǎn)生一個(gè)與干擾功率隨時(shí)間變化規(guī)律相“匹配”的控制電壓Uc，控制接收機(jī)的增益按此規(guī)律變化。近程增益控制(STC)PniOR(t)R(t)UCO(a)(b)第57頁(yè)/共66頁(yè)濾波器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則:輸出信噪比在某個(gè)時(shí)刻to達(dá)到最大。 iis tn t oostnt( )h t第58頁(yè)/共66頁(yè) 2ojftistSfHf edf匹配濾波器 02o0jf