2-数字正交双通道处理

正交双通道处理1、正交双通道处理概述——定义、优点2、目标回波模型——高频窄带过程及其表示式3、正交双通道处理框图4、单/双通道处理比较：输出表达式、时域/频域SNR分析5、理想正交双通道处理的要求6、正交双通道处理的实现方式模拟方式及其缺点数字方式一般方法：希尔伯特变换、频域法特殊方法：内插法、多相滤波法7、窄带滤波器组的实现方法FFT——频域多相结构——时域2020/3/14哈尔滨工业大学电子工程系2正交双通道处理概述正交双通道处理定义：中频回波信号经过两个相似的支路分别处理，其差别仅是其基准的相参电压相位差900，这两路称为：同相支路(InphaseChannel)——I支路正交支路(QuadratureChannel)——Q支路2020/3/14哈尔滨工业大学电子工程系3正交双通道处理概述正交双通道处理的优点(相对于单通道处理)：可区分，以确定目标相对运动方向；平均有3dB的SNR改善；能消除盲相(单通道MTI时目标多普勒信号的相位取样对消导致零输出，将在讲述MTI时详细分析)。df2020/3/14哈尔滨工业大学电子工程系4点目标回波信号频率(单基地主动雷达)：式中通常在雷达探测区域中同时存在许多不同径向速度(方向有正有负、速率有大有小)的运动目标/杂波，则雷达回波信号将是一个带通信号，其中心频率为f0，而带宽为目标多普勒频移的范围(取决于所探测目标的最大多普勒频率)，不同频率分量的幅度反映不同速度目标的回波强度。该信号可表示为一个高频窄带过程：目标回波模型——高频窄带过程目标多普勒频率雷达载频：2,：0rdvffrdrvffff200tjretutttats0)(Re)(cos)()(00f0f实回波信号对称频谱000)()(宽即信号带均是慢变化过程相对于相位式中包络，t、ta2020/3/14哈尔滨工业大学电子工程系5高频窄带过程的两种表示形式《随机信号分析》第四章“窄带随机过程”讲述任何一个实平稳窄带随机过程X(t)均可表示为：莱斯表示式：式中准正弦振荡表示式：对于窄带过程，上述两种表示式分别涉及两个低通过程，其关系为：)()(tan)()()()(122tAtAttAtAtACSSC)(cos)()(0tttAtX)(sin)()()(cos)()(ttAtAttAtASCttAttAtXSC00cos)(cos)()(ttXttXtAttXttXtASC0000cos)(ˆsin)()(,sin)(ˆcos)()(直角坐标/极坐标变换复包络：A(t)=AC(t)+jAS(t)=A(t)exp[jΦ(t)]2020/3/14哈尔滨工业大学电子工程系6正交双通道处理的框图相位检波器相干振荡器900移相器相位检波器低通滤波低通滤波A/DA/DIQ中频回波信号)(cos)()(0tttatrt0cost0sin注：尽管传统正交双通道处理是针对中频信号而言(尤其是对微波雷达)，但随着A/D采样频率的提高，为减少射频前端模拟器件引入的通道不一致性，直接在射频端进行A/D采样、数字处理的方案已逐渐成为可能，尤其适用于高频雷达情形，即所谓的“软件雷达”。概念的相对性2020/3/14哈尔滨工业大学电子工程系7单/双通道处理输出的数学表达式设实高频窄带回波信号：式中复包络，载频单通道处理：双通道处理：tjtjetuetutttatr00)()(21)(cos)()(0)()()()()(tjutuetatuirtj0tjtjetuetutututtr00220)()(41)()(41cos)(tjtjetutuetr002)(21)(21)()()(21)(21:tntsturrr实信号)()(21)(21:tntstu解析信号jQIttjrttrLPF00sin)(cos)(2020/3/14哈尔滨工业大学电子工程系8时域SNR分析：单通道输出实信号、对称双边谱：双通道输出复信号、非对称谱：其中sr(t),nr(t)分别对应复信号s(t),n(t)的实部，分别表示回波带宽内信号、噪声的时域表达式，故如果在时域进行信号检测，单/双通道处理的SNR相同。考虑到点目标的单频特性，为有效抑制杂波/噪声，通常需要进行相参积累(窄带滤波)以提高SNR，故应在频域进行目标检测。单/双通道处理的SNR分析)()()(tntsturrr)()()(tntstu2020/3/14哈尔滨工业大学电子工程系9单/双通道处理的SNR分析假设雷达回波仅有单个目标，在目标所在的频率单元上，双通道处理比单通道处理能获得SNR的改善(改善程度与噪声频谱分布及目标多普勒频率有关)图示如下：单通道处理频谱混叠双通道处理的频谱00f复频谱00f0f实频谱0频域检测单元0点目标回波谱噪声/杂波谱射频信号频谱零中信号频谱2020/3/14哈尔滨工业大学电子工程系10如果噪声功率谱具有对称性，即关于载频/中频对称，则对于多普勒频率为fd的点目标，由于频谱混叠引入的噪声加倍，则双通道处理相对于单通道处理有3dB的SNR改善。若同时存在-fd的点目标，则SNR改善更大且能区分±fd。单/双通道处理的SNR分析0f单通道处理频谱混叠0f0f实频谱双通道处理的频谱00复频谱0f0+fdf0-fd2020/3/14哈尔滨工业大学电子工程系11雷达基带(零中频)信号的目标频率分辨单元中一般包含有：目标信号S+外部杂波C+接收机内部噪声N目标信号：有用的信号，待检测成分外部杂波：主要指地杂波、海杂波、云雨杂波及外部干扰等；接收机内部噪声：接收机中馈线、高放、混频器等产生的热噪声，通常假设为白噪声。C与N的相对强度与雷达工作频段、工作方式、目标类型有关，例：1)AEW雷达，由于下视工作且平台运动，外部地物/海杂波占优；2)HF地波雷达：舰船目标：外部海杂波(中近距离)、电离层杂波(远距离)占优；飞机目标：外部大气噪声、电离层杂波(远距离)占优。信号检测背景2020/3/14哈尔滨工业大学电子工程系12理想正交化处理要求I、Q通道的幅频特性严格一致，相位差900。当I、Q两通道的幅相特性非理想时，复带通信号的负谱就会有一定的残余(称为镜像分量)，当把复带通信号的频谱从f0搬移到零处时，残余的负谱也从-f0搬移到零处，从而造成正负多普勒频谱混叠，使解调后复信号多普勒频谱的精度降低。一般采用镜像比(所产生的镜像分量与理想频谱分量的功率比)来衡量镜像分量的大小。若I、Q两通道增益相对误差为，相位正交误差为，则镜像比为：理想正交双通道处理的要求)(1cos)1(2)1(1cos)1(2)1(lg1022dBIReeIQI)(edB，IRe302,05.0时当A.I.Sinsky,C.P.Wang.ErrorAnalysisofaQuadratureCoherentDetectorProcessor.IEEETransactiononAES.1974,10(1):880~8832020/3/14哈尔滨工业大学电子工程系13传统方法——模拟正交双通道处理传统的正交I、Q通道处理是将接收机输出的中频回波信号分别与正交的两路相参信号混频(采用模拟乘法器)，然后进行低通滤波，从而得到I、Q两路基带信号，再通过A/D变换给出同相分量和正交分量的数字量正交双通道处理的实现方式低通滤波低通滤波A/DIQ中频带通信号)2sin(0tf)2cos(0tf)](2cos[)(0ttftAA/D2020/3/14哈尔滨工业大学电子工程系14模拟正交双通道处理的缺点由于I、Q两路模拟乘法器、低通滤波器本身的不一致性、不稳定性，传统的模拟正交双通道处理具有如下缺点：两路幅度一致性只能达到约0.5dB两路相位正交误差约20零漂比较大，长期稳定性不好设一复正弦信号实虚部(对应I、Q两路)仅存在相位误差，即则负谱与正谱的幅度比为0tjjtjjtjtjtjtjeeeeeeeetjtts0000000000212121)sin(cos)()()(0002lg20cos22cos22lg1011lg2000000tgeejjdB3520时比值约理想复正弦信号2020/3/14哈尔滨工业大学电子工程系15数字正交双通道处理数字方法——直接中频采样、数字正交化数字正交双通道处理一般是指直接对低中频带通回波进行采样，对采样序列进行数字正交化、数字解调以获得基带I、Q序列。若按特殊采样频率可以同时实现正交及解调处理，并获得交替出现的I、Q序列，再采用其他方法可得到同步的I、Q序列。数字正交、解调A/DIQ中频带通信号sf)(0ns)](2cos[)(0ttftA2020/3/14哈尔滨工业大学电子工程系16数字正交双通道处理的实现方法希尔伯特变换法频域法内插法多相滤波法——模拟正交双通道的直接数字化一般方法：采样频率满足带通信号采样定理特殊方法：采样频率fs=4f0/(2M-1)，M为正整数2020/3/14哈尔滨工业大学电子工程系17希尔伯特变换法原理：将接收到的实回波信号认为实部，利用Hilbert变换处理得到虚部，即可构成解析信号。若取原采样序列为I路，对其进行Hilbert变换获得Q路。缺点：由于只有Q路进行滤波，则I、Q两路的幅度一致性和正交性能的精度取决于所采用的滤波器的理想程度。要求的精度越高，滤波器的级数越多，实现越复杂。中频回波信号A/D延迟(N-1)/2个样本I（n）Q（n）希尔伯特变换器(N阶)数字解调)(0nssf0f2020/3/14哈尔滨工业大学电子工程系18频域法前面时域处理方法目的在于抑制或消除实信号频谱中对称的负频谱分量，这可用频域方法完成：对实序列作DFT/FFT，得到谱结构完全对称的频谱，直接将负频谱段的幅度、相位值置为0，并将正频谱段进行频移以实现解调，然后做逆FFT得到正交I、Q序列。中频回波信号A/DDFT/FFTI（n）Q（n）截取频移)(0nssf0fIDFT/IFFT2020/3/14哈尔滨工业大学电子工程系19特殊的数字正交双通道处理数学原理：一般地按采样频率(M为正整数)直接对中频为的带通信号进行采样可得到交替的I、Q两路基带信号采样序列。设复带通信号的实部为，以周期采样得(取M=1))12(40Mffs0f)](cos[)()(00tttats)4(110ffTss为奇数为偶数nnQnnInnQnnInnTnTannTnTanTTnnTanTsnnssssssss),()1(),()1()2sin()()2cos()(2sin)](sin[)(2cos)](cos[)()](cos[)()(212002020/3/14哈尔滨工业大学电子工程系20特殊的数字正交双通道处理中频信号经过上述采样后，可交替得到如下采样序列：采样序列：I(0)、-Q(1)、-I(2)、Q(3)、I(4)、-Q(5)、…分选I路：I(0)-I(2)I(4)分选Q路：-Q(1)Q(3)-Q(5)由此可见能从采样序列中分选出I、Q序列，但两者在时间上相差一个采样周期，且采样频率降为fs/2=2f0。因此只要对采样序列进行分选及简单的符号变换即可完成正交解调，问题的关键是：如何获得同时刻的I、Q基带采样序列？2020/3/14哈尔滨工业大学电子工程系21获得同时刻I、Q序列的方法希尔伯特变换法、频域法分别是在时域、频域构造具有单边频谱的解析信号，可用来由实部I(n)构造对应的虚部Q(n)。采用插值法、多相滤波法也可获得同时刻的I、Q序列，具体框图如下。2020/3/14哈尔滨