一種新穎的前沿檢測接收機的設計

雷華相,周國安,孫佳佳

(空軍工程大學導彈學院,陜西三原713800)

0 引言

前沿檢測是一種較為簡單的脈沖接收機,在UWB沖激雷達系統中有著廣泛的應用[1]。相對于當前其他的極窄脈沖接收機:相關接收機[2]、自相關接收機[3]、采樣接收機[4]而言具有結構簡單、實現容易和靈敏度高等優點。但簡單的結構也導致了接收機不能進行復雜的信號處理,因此在環境噪聲復雜多變的情況下,接收機的虛警概率就大大增加,這較大地限制了當前前沿檢測接收機的廣泛使用。這里在簡單分析現有典型前沿檢測接收機的基礎上,設計了一種新穎的前沿接收接收機,使其實現了高靈敏度、恒虛警檢測和消除近區響應。

1 一般前沿檢測接收機

前沿檢測一般是利用隧道二極管(Tunnel Diode,TD)進行設計。由于隧道二極管的重摻雜特性,因此具有超高速的響應特性,可以對極窄的脈沖成功地進行積分、展寬和放大,從而很方便地進行后端檢測。其最簡單的電路形式如圖1所示。

在一定的時間門內,選通開關接通,信號得以進入接收機;電容C具有隔直通交的作用,同時它還起著積分的作用;當信號到來時給電容C充電,當電平達到一定值時,隧道二極管被觸發,形成檢測脈沖;檢測脈沖經放大器放大,由判斷電路來確定信號的有無以及目標的距離。

圖1 前沿檢測接收機原理

2 新設計與實現

2.1 系統組成原理

新設計接收機系統的結構圖如圖2所示。

圖2 接收系統結構

系統主要由超寬帶低噪聲放大器(UWB_LNA)、包絡檢波器、門限檢測器、反饋回路和數字信號處理模塊組成。

系統工作原理是:回波信號經天線接收后,由超寬帶低噪聲放大器進行放大,送至包絡檢波器,產生接收信號的包絡,再進行恒虛警檢測。

2.2 恒虛警的實現

要實現降低前沿檢測接收機的虛警概率的目的,主要在于實現2個功能:對噪聲電平的實時檢測和檢測門限的實時控制。因此該接收機中設計了噪聲支路(移位寄存器1、SUM1、SUM3)和反饋回路來完成。

其具體實現為:當系統時鐘到來時,移位寄存器對接收信號進行錄入,當信號超過門限時記為“1”,否則記為“0”。接著對寄存器的狀態進行加法運算,得出當前接收信號的信息,即過門限數。由于移位寄存器1和移位寄存器2采用分時工作,給移位寄存器2的輸入觸發脈沖中加入了距離延時,因此認為SUM2反映的是目標信息,SUM1反映的是距離門外的噪聲信息。盡管有時真實目標會落在移位寄存器1中,但還是認為其為噪聲,即此時目標不存在。SUM1輸出一路送至反饋回路,經D/A轉換后,產生合適的控制電壓,改變門限檢測器的門限。當噪聲數增加時,意味著檢測門限偏低,需要調小偏置電壓(由門限檢測器設計決定),反之則增加偏置電壓,以保證較好的噪聲抑制能力。同時,另一路加上一個D(控制虛警概率)后數值變為N+D,送至比較器與來自SUM2的數M進行比較,當且僅當M＞N+D時產生點火信號。顯然,無論是目標是否在噪聲支路內,系統只有在設定距離帶內存在目標時才有可能產生點火信號。

假設噪聲超過門限的概率為p,則對于一般前沿檢測接收機而言,虛警概率為p,顯然隨著噪聲的復雜程度增加,虛警概率會大大增加,以至于影響整個系統的性能。而對于這里設計接收機,可以得到系統的虛警概率為:

Z為移位寄存器的位數,即反映存儲接收信號的數量。上式可以看出這里設計的前沿檢測接收機的虛警概率大大降低。

2.3 設計電路實現

設計電路如圖3所示,該電路已在某型超寬帶近炸引信中得到了測試,測試結果達到預期效果。

圖3 設計電路圖

3 優越性分析

3.1 接收機靈敏度高

為了接收極窄信號,能被快速觸發的低能脈沖器件是非常必要的。當前雪崩晶體管和隧道二極管是2個比較新穎的選擇,由于雪崩晶體管,靈敏度相對較低,而且不穩定。考慮到TD有確定的V-I特性和較高且穩定的靈敏度。相同條件下,隧道二極管的最小可檢測門限為10～15 mV,而雪崩管最小可檢測門限約為50 mV[5]。因此采用TD門限檢測器可提高接收機的最小可檢測信號功率。

3.2 消除近區響應影響

同步脈沖的存在導致大多數接收機存在著較大的近區響應,容易造成接收機雜波抑制特性變差、接收機靈敏度降低和虛警概率提高,較大地影響了接收機的性能。

設計接收機在對于發射機送來的時鐘,在可編程邏輯器件內進行不同量的延時(其中一路含距離信息),因此并不會出現同步脈沖的泄漏,致使產生較大的近區效應,即使存在脈沖泄漏,其泄露的也是時鐘脈沖,且其反射回波信號并不在距離門內,也不在噪聲支路內,因此對設計接收機來說,就不存在近區響應的問題。其消除近區響應示意圖如圖4所示。

圖4 消除近區響應影響

3.3 實現CFAR

4 結束語

新設計前沿檢測接收機實現了高靈敏度、恒虛警檢測和消除近區效應,該設計簡單、可靠、易行,其最大的亮點就是在簡單的系統里實現了CFAR,這對同類接收機的性能提升有一定借鑒作用。

[1]FONTANA R J,LARRICK J F,JEFFERY E.Code,UWB Dual Tunnel Diode Detectoin,Measurement,or Avoidance[P].U.S Pat.6239741B1,2001:654-677.

[2]SIWIAK K.Radiowave Propagation and Antennas for Personal Communications[M].Second Edition,Norwood,MA:Artech House,1998:454-478.

[3]HOCTOR R,TOMLINSON H.Delay-Hopped Transmitted-Reference RF Communications[J].IEEE Ultra Wideband Systems and Technologies,2002(8):265-269.

[4]劉文生,李錦林.取樣技術原理與應用[M].北京:科學出版社,1981:325-338.

[5]KENEETH W.Short Base-band Pulse Receiver[P].U.S pat.3662316,1972:326-345.