【正文】 第 3 章 雷 達 接 收 機 接收機的動態(tài)范圍和增益控制 對一般放大器 , 當信號電平較小時 , 輸出電壓 Uom隨輸入電壓Uim線性增大 , 放大器工作正常 。 但信號過強時 , 放大器發(fā)生飽和現(xiàn)象 , 失去正常的放大能力 , 結(jié)果輸出電壓 Uom不再增大 , 甚至反而會減小 , 致使輸出 輸入振幅特性出現(xiàn)彎曲下降 , 見圖 。 這種現(xiàn)象稱為放大器發(fā)生 “ 過載 ” 。 圖中表示寬脈沖干擾與回波信號共同通過中頻放大器的情況 (為了簡便起見 , 僅畫出它們的調(diào)制包絡(luò) ): 當干擾電壓振幅 Unm較小時 , 輸出電壓中有與輸入信號 Uin相對應(yīng)的增量 。 但當 Unm較大時 , 由于放大器飽和 , 致使輸出電壓中的信號增量消失 , 即回波信號被丟失 。 同理 , 視頻放大器也會發(fā)生上述的飽和過載現(xiàn)象 。 第 3 章 雷 達 接 收 機 圖 信號與寬脈沖干擾共同通過中頻放大器的示意圖 UomOOUnm 1Unm 2UsmUsmtUimUimUomOt第 3 章 雷 達 接 收 機 因此 , 對于疊加在干擾上的回波信號來說 , 其放大量應(yīng)該用“ 增量增益 ” 表示 , 它是放大器振幅特性曲線上某點的斜率 imomd dUdUK ?() 由圖 , 可求得 KdUim的關(guān)系曲線 , 如圖 。 由此可知 , 只要接收機中某一級的增量增益 Kd≤0, 接收機就會發(fā)生過載 , 即丟失目標回波信號 。 接收機抗過載性能的好壞 , 可用動態(tài)范圍 D來表示 , 它是當接收機不發(fā)生過載時允許接收機輸入信號強度的變化范圍 , 其定義式如下 : )(lg10m inm a x dBPPDii?() 第 3 章 雷 達 接 收 機 或 )(lg20m inm a x dBUUDii?() 式中 , Pi min、 Ui min為最小可檢測信號功率 、 電壓 。 Pi max、 Ui max為接收機不發(fā)生過載所允許接收機輸入的最大信號功率 、 電壓 。 接收機各部件的動態(tài)范圍典型值見表 。 通過該表可迅速判明哪些部件影響動態(tài)范圍 。 但需注意 : 表中各部件的動態(tài)范圍是用各部件輸出端的最大信號與系統(tǒng)噪聲電平進行比較而算出的 , 該部件的所有濾波應(yīng)在飽和之前完成 。 表中同時還給出了與動態(tài)范圍有關(guān)的一些重要參數(shù) 。 第 3 章 雷 達 接 收 機 圖 信號與寬脈沖干擾共同通過中頻放大器的示意圖 KdOUim第 3 章 雷 達 接 收 機 表 接收機各部件的動態(tài)范圍典型值 第 3 章 雷 達 接 收 機 1. 自動增益控制 (AGC) 在跟蹤雷達中 , 為了保證對目標的自動方向跟蹤 , 要求接收機輸出的角誤差信號強度只與目標偏離天線軸線的夾角 (稱為“ 誤差角 ” )有關(guān) , 而與目標距離的遠近 、 目標反射面積的大小等因素無關(guān) 。 為了得到這種歸一化的角誤差信號 ,使天線正確地跟蹤運動目標 , 必須采用自動增益控制 (AGC)。 第 3 章 雷 達 接 收 機 圖 AGC電路方框圖 , 它由一級峰值檢波器和低通濾波器組成 。 接收機輸出的視頻脈沖信號 , 經(jīng)過峰值檢波 , 再由低通濾波器除去高頻成分之后 , 就得到自動增益控制電壓 UAGC, 將它加到被控的中頻放大器中去 , 就完成了增益的自動控制作用 。 當輸入信號增大時 , 視頻放大器輸出 uo隨之增大 , 引起控制電壓 UAGC增加 , 從而使受控中頻放大器的增益降低； 當輸入信號減小時 , 情況正好相反 , 即中頻放大器的增益將要增大 。 因此自動增益控制電路是一個負反饋系統(tǒng) 。 第 3 章 雷 達 接 收 機 2 . 瞬時自動增益控制 (IAGC) 圖 一種簡單的 AGC電路方框圖 中 頻放大器包 絡(luò)檢波器視 頻放大器低 通濾波器輸出uo輸入uiUAGCAGC峰 值檢波器電路第 3 章 雷 達 接 收 機 圖 AGC電路方框圖 , 它由一級峰值檢波器和低通濾波器組成 。 接收機輸出的視頻脈沖信號 , 經(jīng)過峰值檢波 , 再由低通濾波器除去高頻成分之后 , 就得到自動增益控制電壓 UAGC, 將它加到被控的中頻放大器中去 , 就完成了增益的自動控制作用 。 當輸入信號增大時 , 視頻放大器輸出 uo隨之增大 , 引起控制電壓 UAGC增加 , 從而使受控中頻放大器的增益降低； 當輸入信號減小時 , 情況正好相反 , 即中頻放大器的增益將要增大 。 因此自動增益控制電路是一個負反饋系統(tǒng) 。 第 3 章 雷 達 接 收 機 圖 瞬時自動增益控制電路的組成方框圖 小時常數(shù)電 路控制電壓放 大 器控制電壓檢 波 器放大器K0輸出輸入uniunoECunoEd第 3 章 雷 達 接 收 機 瞬時自動增益控制的目的是使干擾電壓受到衰減 (即要求控制電壓 UC能瞬時地隨著干擾電壓而變化 ), 而維持目標信號的增益盡量不變 。 因此 , 電路的時常數(shù)應(yīng)這樣選擇 : 為了保證在干擾電壓的持續(xù)時間 τn內(nèi)能迅速建立起控制電壓 UC, 要求電路時常數(shù)τi＜ τn。 為了維持目標回波的增益盡量不變 , 必須保證在目標信號的寬度 τ內(nèi)使控制電壓來不及建立 , 即 τiτ, 為此電路時常數(shù)一般選為 τi=(5~20)τ () 干擾電壓一般都很強 , 所以中頻放大器不僅末級有過載的危險 , 前幾級也有可能發(fā)生過載 。 為了得到較好的抗過載效果 , 增大允許的干擾電壓范圍 , 可以在中放的末級和相鄰的前幾級 , 都加上。 第 3 章 雷 達 接 收 機 3 . 近程增益控制 (STC) 近程增益控制電路又稱 “ 時間增益控制電路 ” 或 “ 靈敏度時間控制 (STC)電路 ” , 它用來防止近程雜波干擾所引起的中頻放大器過載 。 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平滑地減小 , 如圖 (a)所示 。 如果把發(fā)射信號時刻作為距離的起點 , 則橫軸實際上也就是時間軸 。 第 3 章 雷 達 接 收 機 圖 瞬時自動增益控制電路的組成方框圖 PniOR ( t )R ( t )UCO( a )( b )第 3 章 雷 達 接 收 機 根據(jù)試驗 , 海浪雜波干擾功率 Pim隨距離 R的變化規(guī)律為 aim KRP ??() 式中 ， K為比例常數(shù) , 它與雷達的發(fā)射功率等因素有關(guān) 。 a為由試驗條件所確定的系數(shù) , 它與天線波瓣形狀等有關(guān) , 一般 a=~。 近程增益控制的基本原理是 : 當發(fā)射機每次發(fā)射信號之后 , 接收機產(chǎn)生一個與干擾功率隨時間的變化規(guī)律相 “ 匹配 ” 的控制電壓 UC, 如圖 (b)所示 , 控制接收機的增益按此規(guī)律變化 。所以近程增益控制電路實際上是一個使接收機靈敏度隨時間而變化的控制電路 , 它可以使接收機不致受近距離的雜波干擾而過載 。 第 3 章 雷 達 接 收 機 濾波和接收機帶寬 1 . 匹配濾波器是在白噪聲背景中檢測信號的最佳線性濾波器 , 其輸出信噪比在某個時刻可以達到最大 。 如果已知輸入信號 s(t), 其頻譜為 S(ω), 則可以證明匹配濾波器在頻率域的特性為 H(ω)=kS*(ω)exp(jωt0) () 第 3 章 雷 達 接 收 機 式中 ， S*(ω)為頻譜 S(ω)的共軛值 。 k為濾波器的增益常數(shù) 。 t0是使濾波器實際上能夠?qū)崿F(xiàn)所必須的延遲時間 , 在 t0時刻將有信號的最大輸出 。 同樣可以證明，匹配濾波器在時間域的函數(shù) , 即其脈沖響應(yīng)為 h(t)=ks*(t0t) () 式中 ， s*(t0t)為輸入信號的鏡像 , 它與輸入信號 s(t)的波形相同 , 但從時間 t0開始反轉(zhuǎn)過來 。 第 3 章 雷 達 接 收 機 在對匹配濾波器作理論研究時 , 延時 t0和增益常數(shù) k可以不予考慮 , 因此匹配濾波器的上述方程式特性可以簡化為 H(ω)=S*(ω) h(t)=s*(t) () () 從式 ()和式 ()可以看出 : 匹配濾波器的傳輸函數(shù)是輸入信號頻譜的復(fù)共軛值 , 匹配濾波器的脈沖響應(yīng)是輸入信號的鏡像函數(shù) 。 還可以進一步證明 , 匹配濾波器在輸出端給出的最大瞬時信噪比為 0m a x2)(NENS ? () 第 3 章 雷 達 接 收 機 式中 , N0是輸入噪聲的譜密度 , 它是匹配濾波器輸入端單位頻帶內(nèi)的噪聲功率 。 E是輸入信號能量 : ? ???? ????? dttsdffSE 22 |)(||)(|() 第 3 章 雷 達 接 收 機 2 . 單個矩形中頻脈沖的匹配濾波器 多數(shù)常規(guī)雷達采用簡單矩形脈沖調(diào)制 , 所以有必要研究一下矩形包絡(luò)的單個中頻脈沖的匹配濾波器 。 設(shè)矩形脈沖的幅度為 A, 寬度為 τ, 信號波形的表達式為 ??????????2||02||c o s)(0???tttAts i () 第 3 章 雷 達 接 收 機 其圖形表示見圖 (a), 用傅里葉變換可求得信號頻譜［見圖(b)］為 ????????????????? ?????2)(2)s i n (2)(2)s i n (2)()(0000?????????????? ?AdtetsS tjii() 因而由式 ()可得匹配濾波器的傳輸函數(shù)［見圖 (c)］為 ?????????????????2)(2)s i n(2)(2)s i n(2)()(0000*???????????????ASH i() 第 3 章 雷 達 接 收 機 圖 (a) 矩形脈沖波形 。 (b) 矩形高頻脈沖頻譜 。 (c) 匹配濾波器特性 4 ???0??Si( ? )2A ?0( b )si( t )2?tA－ A2?－( a )4 ???0??H ( ? )2A ?0( c )0第 3 章 雷 達 接 收 機 由式 ()可得匹配濾波器輸出的最大信噪比為 020m a x2NANENS ????????? () 理想匹配濾波器的特性一般比較難于實現(xiàn) , 例如對于單個矩形中頻脈沖來說 , 圖 (c)所示的頻率特性 H(ω)就不易實現(xiàn) 。 因此需要考慮它的近似實現(xiàn) , 即采用準匹配濾波器 。 第 3 章 雷 達 接 收 機 3 . 準匹配濾波器是指實際上容易實現(xiàn)的幾種典型頻率特性 , 例如對于圖 (c)所示的頻率特性 , 通?？梢杂镁匦?、 高斯形或其它形狀的頻率特性來作近似 。 適當選擇該頻率特性的通頻帶 , 可獲得準匹配條件下的 “ 最大信噪比 ” 。 雷達中頻放大器的級數(shù)較多 , 其合成頻率特性有時可近似為矩形 。 下面討論采用矩形近似的準匹配濾波器輸出 “ 最大信噪比 ” (S/N)≈max與圖 (c)所示的匹配濾波器輸出的最大信噪比(S/N)max相比較 , 二者之間的差別 。 第 3 章 雷 達 接 收 機 設(shè)矩形特性濾波器的角頻率帶寬為 W, 傳輸函數(shù)為 ????? 01)(?H2200WW????????() 其頻率特性見圖 。 準匹配濾波器輸出的最大信噪比與理想匹配濾波器輸出的最大信噪比之比值定義為失配損失 ρ, 經(jīng)過計算可求得 ??????