CN116125405A - 一种双本振注入多普勒雷达信号的方法及模拟器 - Google Patents

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CN116125405A CN202211451200.XA CN202211451200A CN116125405A CN 116125405 A CN116125405 A CN 116125405A CN 202211451200 A CN202211451200 A CN 202211451200A CN 116125405 A CN116125405 A CN 116125405A
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Abstract

本发明涉及一种双本振注入多普勒雷达信号的方法，其解决了现有多普勒雷达信号模拟动目标时，混频引入的双边带无法得到动目标的解调多普勒信号的技术问题，其步骤包括：RX端接收到雷达芯片的发射信号，对其进行下变频，本振频率使用f1，此时第一级混频器输出端具有的频率分量为fRx‑f1；接着进行上变频，第二级混频器使用本振频率为f1+100Hz，在TX天线处可获得的频率为fRx+100Hz，从而获得了单边带信号；将步骤2获得的信号送入到雷达芯片内部与内部本振混频，其不受时延的影响。同时本发明还提供一种双本振注入多普勒雷达信号的模拟器，本发明可广泛应于模拟多普勒雷达信号领域。

Description

一种双本振注入多普勒雷达信号的方法及模拟器
技术领域
本发明涉及雷达信号领域，特别是涉及一种双本振注入多普勒雷达信号的方法及模拟器。
背景技术
在如图1所示，假设RX接收到雷达芯片的信号为：
Figure BDA0003948289800000011
由于路径延迟，造成时间延迟，其中d0为雷达芯片到模拟目标源的距离，经过方案一电路，不考虑上下边带幅度偏差的情况，到达TX发射天线处的雷达信号为：
Figure BDA0003948289800000012
当STX到达雷达芯片混频器的射频输入端口时，此时的STX可表示为：
Figure BDA0003948289800000013
此时的芯片内部的本振信号可表示为：
SLO＝cosω0t
以上推导忽略电路自身时延，同时假设中频频率足够小。
于是S’TX与SLO在雷达芯片内部混频可以得到SIF为
Figure BDA0003948289800000014
其中φ＝4πd0/λ与距离有关，φ＝90度时，得到的中频输出为0。所以此方法作为模拟动目标源存在局限性，且问题来源于混频引入的双边带。
如图2所示，使用另一路混频器、移相器和矢量网络分析仪模拟雷达芯片的中频解调过程，其中调整移相器得到不同的移相值来模拟不同模拟目标源与雷达芯片的距离。并且调节不同的移相值Δ、Φ便能够得到不同的边带合成情况。
在图1中第一级混频器输出观察频谱，设置低频信号源频率为5MHz，峰峰值为2Vpp(50Ω)，同时矢量网络分析仪输入10GHz，0dBm信号作为本振，得到观测点的频谱图3，可以看到，频谱出现了双边带(Mark1及与其对称的频点)，即频谱的频点关于本振频率10GHz对称。
通过改变第二路矢量网络分析仪输出本振的相位来模拟距离的变化，其中此输出本振等效于雷达芯片内部混频器的本振，用本振的偏移代替回波信号的延迟，通过改变本振相位从0到90°的变化，观察中频频谱功率和波形幅度来获得双边带解调的规律。此项测试设置低频信号源输出70MHz，2Vpp(50Ω)正弦波，本振频率为10GHz。得到不同时延(与本振移相值对应)下的中频频谱与波形如图4a-l所示，从频谱和波形上均能看到，调节本振移相值将导致解调得到的信号幅度变化，说明此种双边带结构将受到时延的影响。对于10GHz的发射信号，零点的位置为每隔7.5mm分布在空间中，在零点位置两个边带解调得到的相位相反、幅度频率相同，导致相互抵消，无法得到动目标的解调多普勒信号，在零点附近，灵敏度也将受到一定程度的影响。
发明内容
本发明为了解决现有多普勒雷达信号模拟动目标时，混频引入的双边带无法得到动目标的解调多普勒信号的技术问题，提供一种避免产生双边带回波信号的双本振注入多普勒雷达信号的方法。
本发明提供一种双本振注入多普勒雷达信号的方法，其步骤包括：
步骤1，RX端接收到雷达芯片的发射信号，对其进行下变频，本振频率使用f1，此时第一级混频器输出端具有的频率分量为fRx-f1；
步骤2，接着进行上变频，第二级混频器使用本振频率为f1+100Hz，在TX天线处可获得的频率为fRx+100Hz，从而获得了单边带信号；
步骤3，将步骤2获得的信号送入到雷达芯片内部与内部本振混频，其不受时延的影响。
优选地，所述双本振产生方法为使用两个DDS模块共用一个晶振的情况下产生两路低频频率，硬件最小能实现的两路低频频率的频率差为0.1Hz，通过锁相环倍频之后便能够得到多普勒频差可调的两路本振。
优选地，所述双本振产生方法为直接控制两个PLL模块产生频差为100Hz的两个本振频率。
本发明还提供一种双本振多普勒雷达信号模拟器，其采用上述双本振注入多普勒雷达信号的方法，其射频部分设有时钟源、低噪声放大器、第一混频器、第一锁相环、可变增益放大器、第二混频器和第二锁相环，所述低噪声放大器与第一混频器电连接，所述第一混频器与可变增益放大器电连接，所述可变增益放大器与第二混频器电连接；所述第一混频器与第一锁相环电连接，所述第二混频器与第二锁相环电连接。
优选地，所述第一混频器和第二混频器具有倍频功能以减小锁相环的工作频率。
本发明的有益效果：
本发明在RX端接收到雷达芯片的发射信号，使用两个双向混频器分别进行下变频和上变频，从而获得了单边带信号，将单边带信号送入到雷达芯片内部与内部本振混频，其不受时延的影响。本发明得到的中频信号的相位受到距离、模拟目标源的频率与相位影响，并不影响其幅度。本发明仅需两个锁相环和一个时钟源产生双本振，同时调整可变增益放大器的位置，降低了可变增益放大器和锁相环的要求。本发明第一混频器和第二混频器具有倍频功能以减小锁相环的工作频率从而减小成本和设计难度。
附图说明
图1是传统模拟目标源方案示意图；
图2是传统模拟目标源方案在验证不同的时延对输出幅度的影响示意图；
图3是传统模拟目标源方案双边带频谱(存在本振泄漏)示意图；
图4a-l是传统模拟目标源方案不同时延(与本振移相值对应)下的中频频谱与波形示意图；
图5是本发明双混频注入多普勒频率流程图；
图6是本发明双本振产生方案示意图；
图7是本发明单边带频谱观察方案示意图；
图8是本发明第一级下变频输出频谱示意图；
图9a-b是本发明单边带频谱(无本振泄漏)示意图；
图10是本发明系统解调方案示意图；
图11a-c是本发明系统解调方案下得到的雷达芯片RX端单边带频谱示意图；
图12是本发明系统解调方案下得到的雷达芯片IF端波形示意图；
图13是本发明时延无关性验证示意图；
图14a-f是本发明不同时延(移相值)下的雷达芯片中频输出波形(示波器t＝0时刻切换相位)示意图；
图15a是本发明最优本振选择示意图；
图15b是本发明最优中频选择示意图；
图16是本发明模拟动目标源(单边带法)射频部分最终设计框图；
图17是本发明模拟动目标源(单边带法)板TX输出频谱示意图；
图18是本发明雷达芯片输出中频波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，以使本发明所属技术领域的技术人员能够实施本发明。
实施例：如图5所示，本发明在RX端接收到雷达芯片的发射信号，首先对其进行下变频，本振频率使用f1，此时第一级混频器输出端具有的频率分量为fRx-f1，接着进行上变频，第二级混频器使用本振频率为f1+100Hz，于是在TX天线处可获得的频率为fRx+100Hz，从而获得了单边带信号，此信号送入到雷达芯片内部与内部本振混频将不受时延的影响。
同时需注意避免第一次混频生成与本振频率f1接近的频率，造成在RX端无信号的时候，由于本振f1泄漏，上变频产生在雷达芯片带宽内的频率2f1+100Hz。
当雷达中心频率为9.85GHz时，建议f1＝6.6GHz；当雷达中心频率为10.525GHz时，建议f1＝7GHz。这样保证两次混频滤波，被保留的频率与最近其它频率都保持较远距离。
图6描述了一种可能的双本振产生方法，使用两个DDS模块共用一个晶振的情况下产生两路低频频率，硬件最小能实现的两路低频频率的频率差为0.1Hz，通过锁相环倍频之后便能够得到多普勒频差可调的两路本振。另一种可能的方案是直接控制两个PLL模块产生频差为100Hz的两个本振频率。
测试验证方案
设计实验如图7所示，对单边带频谱观察，为了便于区分频率，选择多普勒频率为1MHz，使用矢量网络分析仪的两个独立的发射信号通道和一个接收通道、两个混频器、一个锁相环，便能够完成此项功能的观察。
首先在第一级混频器输出观察下变频频谱，锁相环提供射频信号，频率10GHz，功率为-12dBm，矢量网络分析仪提供本振信号，频率为7GHz，得到频谱如图8所示。其中需要关心的是频率为fRF±fLO的频谱成分，两个频率分量不能同时存在，否则将在第二次上变频时引入双边带，所以设fRF-fLO为所需频率，fRF+fLO为需要使用低通滤波器抑制的频率分量，但由于混频器中频端口本身的带宽限制，所以输出的频率fRF+fLO能量得到很好的抑制，后级不需要再使用低通滤波器进行和频滤除。
第二级的本振信号通过矢量网络分析仪产生，频率为7GHz+fIF，观察第二级混频器的输出频谱如图9a-b所示，可以看到单边带频谱的形成，此信号将发射到雷达芯片接收端进行解调。
系统解调验证
如图10所示，此步骤验证X波段雷达解调输出波形，其中雷达芯片的TX与RX通过同轴线与模拟动目标源相连，记录模拟动目标源不同频率时的雷达芯片中频端口输出频率与幅度。
实验设置与上面类似，将图7中的锁相环替换成雷达芯片的TX端口，将上变频输出接到雷达芯片RX端，首先观察RX端的频谱如图11a-c所示。
将图11a-c得到的信号送进至雷达芯片RX端，调整双本振源频率差为10Hz、100Hz、1000Hz，得到雷达芯片中频输出如图12，解调成功。
时延无关性验证
假设图5中RX接收到雷达芯片的信号为：
Figure BDA0003948289800000062
第一次与频率为ωpLL的本振下变频，得到：
Figure BDA0003948289800000063
其中φ1为本振初始相位。第二次与频率为ωpLL+ωIF的本振上变频，得到：
Figure BDA0003948289800000064
此信号通过模拟动目标源的发射天线TX发射出去，到达雷达芯片接收端的信号为：
Figure BDA0003948289800000065
此时的芯片内部的本振信号可表示为：
SLo＝cosω0t
混频得到中频输出为：
Figure BDA0003948289800000066
可见此方法得到的中频信号的相位受到距离、模拟目标源的频率与相位影响，但并不影响其幅度，为设计所需方案。
设计实验验证如图13，在上变频本振处插入移相器，根据上述分析，调整本振的相位等同于调整目标的距离。
改变不同的移相器的移相值，通过示波器捕获中频输出的相位跳变点，得到中频输出如图14a-f，可以看到，仅仅中频瞬时相位在移相器相位切换时发生突变，且相位变化量与移相值相同，证明了上述数学分析。间接证明了由于时延引起的波形相位变化不会影响中频输出幅度。
本振与中频选择
为了确定最优本振频率与最优中频频率，以实现最优化方案设计，采用如下实验进行确定。
扫描本振频率从100MHz-10GHz，取两本振频率差为100Hz，观察雷达芯片中频输出频谱如图15a。
在上面确定的最优本振频率下，扫描两本振频率差从1Hz-1kHz，观察雷达芯片中频输出频谱如图15b。
可以看到，为了降低本振频率同时获得最优的性能，可以选择本振频率为7-8GHz，同时中频不宜选取过大，但过小又将提高基带算法处理时间，所以可选择中频频率为100Hz左右。
根据以上实验，确定了单边带方案的可行性，同时在图5方案框图中可去掉高低通滤波器，图6双本振产生仅需两个锁相环和一个时钟源，同时为了降低可变增益放大器和锁相环的要求，调整可变增益放大器的位置，同时挑选具有本振倍频功能的混频器，设计框图如图16所示。
器件选型
Figure BDA0003948289800000071
测试结果
设置两个锁相环频率间隔为20MHz，雷达芯片TX接模拟动目标源板RX，使用频谱仪观察模拟动目标源板TX得到频谱如图17所示。marker2对应的频率为雷达信号，marker1对应的为模拟动目标产生的单边带频谱，与雷达信号相差20MHz，marker3为杂散，推测与混频器本振倍频有关。
调整两个锁相环频率间隔为76.29Hz，将此TX信号接回雷达芯片的RX端，从雷达芯片运放输出波形如图18所示。
图中杂波来自于图17的marker3对应的频率，产生的波形频率为76.28Hz≈76.29Hz。
以上所述仅对本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡是在本发明的权利要求限定范围内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种双本振注入多普勒雷达信号的方法，其特征是，其包括如下步骤：
步骤1，RX端接收到雷达芯片的发射信号，对其进行下变频，本振频率使用f1，此时第一级混频器输出端具有的频率分量为fRx-f1；
步骤2，接着进行上变频，第二级混频器使用本振频率为f1+100Hz，在TX天线处可获得的频率为fRx+100Hz，从而获得了单边带信号；
步骤3，将步骤2获得的信号送入到雷达芯片内部与内部本振混频。
2.根据权利要求1所述双本振注入多普勒雷达信号的方法，其特征在于，所述双本振产生方法为使用两个DDS模块共用一个晶振的情况下产生两路低频频率，硬件最小能实现的两路低频频率的频率差为0.1Hz，通过锁相环倍频之后便能够得到多普勒频差可调的两路本振。
3.根据权利要求1所述双本振注入多普勒雷达信号的方法，其特征在于，所述双本振产生方法为直接控制两个PLL模块产生频差为100Hz的两个本振频率。
4.一种双本振多普勒雷达信号模拟器，其采用如权利要求1-3任一所述双本振注入多普勒雷达信号的方法，其特征是，其射频部分设有时钟源、低噪声放大器、第一混频器、第一锁相环、可变增益放大器、第二混频器和第二锁相环，所述低噪声放大器与第一混频器电连接，所述第一混频器与可变增益放大器电连接，所述可变增益放大器与第二混频器电连接；所述第一混频器与第一锁相环电连接，所述第二混频器与第二锁相环电连接。
5.一种双本振多普勒雷达信号模拟器，其特征在于，所述第一混频器和第二混频器具有倍频功能以减小锁相环的工作频率。
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