数字正交双通道处理课件.ppt

1、正交双通道处理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(Inphase Channel)I支路正交支路(Quadrature Channel)Q支路1/3/20231单目标回波信号频率(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(有正有负)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

2、载频：2 ,：0rdvffrdrvffff200tjretutttats0)(Re)(cos)()(00f0f实回波信号频谱000)()(宽即信号带均是慢变化过程相对于相位式中包络，t、ta1/3/20232正交双通道处理的优点正交双通道处理的优点(相对于单通道处理)：n可区分 ，以确定目标相对运动方向。n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时分析)df1/3/20233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)()(0tttatsrt0cost0sin注：尽管传统正交双通道

3、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1/3/20234单/双通道处理的数学表达式设实高频窄带回波信号：式中复包络 ，载频n单通道处理：n双通道处理：tjtjretuetutttats00)()(21)(cos)()(0)()()(tjetatu0tjtjretuetutututts00220)()(41)()(41cos)(tjtjretutuets002)(21)(21)()()(21)(21 :tn

4、tsturrr实信号)()(21)(21 :tntstu解析信号jQIttjsttsrr00sin)(cos)(1/3/20235时域SNR分析：l单通道输出实信号、双边谱：l双通道输出复信号、单边谱：其中sr(t),nr(t)分别是解析信号的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。考虑单目标的单频性，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并在频域进行目标检测。单/双通道处理的SNR分析)()()(tntsturrr)()()(tntstu1/3/20236单/双通道处理的SNR分析

5、 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复回波频谱00f0f实回波频谱0频域检测单元01/3/20237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0f0f实回波频谱双通道处理的频谱00复回波频谱0f0+fdf0-fd1/3/20238雷达基带信号

6、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、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1/3/20239 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

7、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(lg1022dBIReeIQI)(edB，IRe302,05.0时当A.I.Sinsky,C.P.Wang.Error Analysis of a Quadrature Coherent Detector P

8、rocessor.IEEE Transaction on AES.1974,10(1):880883 1/3/202310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低通滤波低通滤波A/DA/DIQ中频带通信号)2sin(0tf)2cos(0tf)(2cos)(0ttftA1/3/202311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

9、具有如下缺点：n两路幅度一致性只能达到约0.5dBn两路相位正交误差约20n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0tjjtjjtjtjtjtjeeeeeeeetjtts00000000002121 21)sin(cos)()()(0002lg20cos22cos22lg1011lg2000000tgeejjdB3520时比值约理想信号1/3/202312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

10、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)(0ttftA1/3/202313数字正交双通道处理的实现方法l 希尔伯特变换法l 频域法l 内插法l 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)1/3/202314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

11、、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)(0nssf0f1/3/202315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/IFFT1/3/202316特殊

12、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(40Mffs0f)(cos)()(00tttAts0411ffTss为奇数为偶数nnQnnInnQnnInnTnTAnnTnTAnTTnnTAnTsnnssssssss ),()1(),()1()2sin()()2cos()(2sin)(sin)(2cos)(cos)()(cos)()(212001/3/202317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)、

13、-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？1/3/202318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。1/3/202319插值法原理：插

14、值法基本想法根据已有Q(n)的奇数项由数学上的插值理论求出偶数项。由于得到的插值点正好位于两个样点的正中间，故应当用中点插值。当然也可以对I路信号进行插值，还可以对两路都进行插值，只要能实现要求分数相移，使两路信号在时域对齐即可。插值方法：Sinc函数插值、Bessel插值、最小二乘法中频回波信号A/D插值滤波器I（n）Q（n）插值滤波器奇偶抽取符号修正)(0nssf 40f1/3/202320多相滤波器法模拟正交双通道的直接数字化L.E.Pellon.A double Nyquist Digital Product Detector for Quadrature Sampling.IEEE

15、Transactions on Signal Processing.1992,40(7):16701681采用多相(Polyphase)滤波器实现不同的分数相移以获得同时刻I、Q序列。下面直接通过与模拟正交双通道处理对比进行分析：1/3/202321模拟低通滤波模拟低通滤波A/DA/DIQ中频带通信号)2sin(0tf)2cos(0tf)(2cos)(0ttftA数字低通滤波数字低通滤波4选14选1IQ中频带通信号,1,0 ,1 ,0)2sin(0snTf,0 ,1,0 ,1)2cos(0snTf)(2cos)(0ttftAA/D04 ffs模拟正交双通道处理的直接数字化(A/D提前且单路A/

16、D完成)模拟正交双通道处理1/3/202322前面框图可进一步简化为：hQhI2选12选1IQ中频带通信号)(2cos)(0ttftAA/D04 ffsODDEVEN图中两滤波器的单位冲激响应序列分别为：hIk=(-1)k+1h2k+1,k=0,1,2,N/2-1 hQk=(-1)kh2k,k=0,1,2,N/2-1其中hn,n=0,1,2,N-1为原低通滤波器的单位冲激响应序列1/3/202323多相滤波法的优点：由于I、Q两路的滤波器系数是从同一个低通滤波器中抽取出来的，可以证明I、Q两路滤波器的幅度响应完全一致，I、Q两路的不正交主要由相位差引起，这可以靠增加滤波器长度来减小。K.Tei

17、telbaum,A Flexible Processor for a Digital Adaptive Array Radar,IEEE AESS Systems Magazine,May 1991,pp.18-221/3/202324窄带滤波器组的实现FFT某距离单元基带复信号I(n)+jQ(n)FFT(窄带滤波)目标检测由于非合作目标径向速度未知，因此需要将某距离单元回波的基带复信号通过一窄带滤波器组实现频域分选(相参积累)，然后进行目标检测，这可很方便地由FFT实现。1/3/202325选通滤波器1选通滤波器N宽带阵元子频段1放大滤波A/D窄带处理本振1子频段N放大滤波A/D本振N选通滤波器子频段扫描放大滤波A/D窄带处理通信信号处理模块雷达信号处理模块本振步进、循环控制窄带处理窄带滤波器组的实现多相滤波器宽带电子侦察系统框图1/3/202326窄带滤波器组的直接结构h0(nT1)h1(nT1)hK-1(nT1)(1nTx)(10nTv)(21nTy)(21nTyKK)(20nTyKK)(11nTvK)(11nTv1/3/202327窄带滤波器组的多相结构 宗孔德，多抽样率信号处理，清华大学出版社，19961/3/202328