来源 | 雷达信号处理matlab

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雷达接收机的任务是通过适当的滤波将天线上接收到的微弱高频信号从伴随的噪声和干扰中提取出来，并经过滤波、放大、混频、中放、检波后，送至信号处理机或由计算机控制的雷达终端设备。

一般来说，可以将雷达接收机分为超外差式、超再生式、晶体视放式和调谐高频（TRF）式等四种类型，其中超外差式雷达接收机具有灵敏度高、增益高、选择性好和适用性广等优点。

现代所有的雷达系统中都采用超外差式接收机。

接收机的基本组成

超外差式雷达接收机的简化图如下图所示。其主要组成部分有：

（1）高频部分，又称为接收机的“前端”，其中包括接收机保护机、低噪声高频放大器、混频器和本机振荡器；

（2）中频放大器，包括匹配滤波器；

（3）检波器和视频放大器。

超外差式雷达接收机的一般组成框图如下图所示，检波或视频放大部分有四种情况：

(a)、(b)两种情况只保留了信号的幅度信息，而没有相位信息，称之为非相参雷达接收机。非相参雷达接收机通常需要采用自动频率微调（AFC）电路，把本机振荡器调谐到比发射频率高或低一个中频的频率。

其中，情况（a）采用对数放大器作为检波器，增大接收机的瞬时动态范围。对数放大器是一种输入输出信号成对数关系的瞬时压缩动态范围的放大器。

在雷达、通信和遥测等系统中，接收机输入信号的动态范围通常很宽，信号幅度常会在很短的时间间隔内变化 70～120 dB，但若要求输出信号保持在 20～40 dB 变化范围内，对数放大器正好可以满足这种要求，对数放大器能提供大于80 dB的有效动态范围。

情况（b）采用线性放大器和包络检波器，为后续检测电路和显示设备提供目标幅度信息。包络检波器只适用于调幅信号，主要用于标准调幅信号的解调，从接收信号中检测出包络信息，它的输出信号与输入信号包络成线性关系。

情况（c）和情况（d）均保留了回波信号的相位信息，称之为相参接收机。在相参接收机中，稳定本机振荡器（STALO）的输出是由产生发射信号的相参源（频率合成器）提供的。

输入的高频信号与稳定本机振荡信号或本机振荡器输出相混频，将信号频率降为中频。经过多级中频放大和匹配滤波后，有两种处理方法：

情况（c）是对信号线性放大后再通过正交相干检波，得到信号的同相分量  和正交分量  ，既包含信号的幅度信息又包含信号的相位信息；

情况（d）是将信号经过限幅放大（幅度恒定）后再进行相位检波，此时正交相位检波器只能保留回波信号的相位信息而不包含幅度信息。

现代雷达大多对中频输出信号直接进行中频采样，然后在数字域进行数字正交相位检波，得到信号的同相分量和正交分量，才能对接收信号进行相参信号处理。

超外差式雷达接收机的主要性能指标

• 噪声系数和噪声温度

噪声系数和噪声温度见上期#噪声系数和噪声温度#所讲内容。

• 灵敏度

灵敏度表示接收机接收微弱信号的能力。能接收的信号越微弱，表示接收机的灵敏度越高，即雷达的作用距离就越远。雷达接收机的灵敏度通常用最小可检测信号功率  来表示。

当接收机的输入信号功率达到  时，接收机就能正常接收并在输出端检测出这一信号。如果信号功率低于最小可检测信号功率，信号将被淹没在噪声干扰之中，不能被可靠地检测出来。

由于雷达接收机的灵敏度受噪声电平的限制，因此要想提高它的灵敏度，就必须尽力减小噪声电平，同时还应使接收机有足够的增益。

目前，超外差式雷达接收机的灵敏度一般约为  ，保证这个灵敏度所需幅度增益约为  ，主要由中频放大器来完成。

根据噪声系数的定义，接收信号的功率为 

为保证检测系统发现目标的性能，要求  ，接收机实际灵敏度为 

式中  为识别系数，即达到一定检测性能所要求的接收机输出信号的最小信噪比。

为了提高接收机的灵敏度，即减少最小可检测信号功率  ，应做到：

① 尽量降低接收机的总噪声系数  ，所以通常采用高增益、低噪声的高放；

② 接收机中频放大器采用匹配滤波器，以便得到白噪声背景下输出最大信号的噪声比；

③ 式中的识别系数  与所要求的检测性能、天线波瓣宽度、扫描速度、雷达脉冲重复频率及检测方法等因素均有关系。在保证整机性能的前提下，应尽量减小  的值。

当时  ，  ，这时接收机的灵敏度称为“临界灵敏度”。灵敏度用额定功率表示，常以相对  的分贝数计值，即 

一般超外差接收机的灵敏度为  （单位  经常简写为  ）。又  ，则 

式中，  的单位  。  的单位为  。由上式可得，最小可检测电压为  ，约为  。

• 接收机的工作频带宽度

接收机的工作频带宽度表示接收机的瞬时工作频率范围。在复杂的电子对抗和干扰环境中，要求雷达发射机和接收机具有较宽的工作带宽，例如频率捷变雷达要求接收机的工作频带宽度为 10% - 20%。

接收机的工作频带宽度主要取决于高频部件（馈线系统、高频放大器和本机振荡器）的性能。但是，接收机的工作频带较宽时，必须选择较高的中频，以减少混频器输出的寄生响应对接收机性能的影响。

• 动态范围

动态范围表示接收机正常工作所容许的输入信号强度变化的范围。

最小输入信号强度通常取为最小可检测信号功率  ，即接收机的灵敏度；所允许的最大输入信号强度则根据正常工作的要求而定。

输入信号太弱，不能被检测出来；输入信号太强，接收机将发生饱和而失去放大作用，甚至反而减小，从而使输出-输入振幅特性出现弯曲下降，这种现象称为过载。

使接收机开始出现过载时的输入功率与最小可检测功率之比，叫做动态范围。它表示接收机抗过载性能的好坏。它是当接收机不发生过载时允许接收机输入信号强度的变化范围，即最大功率与最小功率之比，其定义式如下： 

式中，  、  ——最小可检测信号功率、电压；

  、  ——接收机不发生过载所允许接收机输入的最大信号功率、电压。

下图为信号与宽脉冲干扰共同通过中频放大器的示意图。

图中，当干扰噪声电压小于过载电压时，中频放大器将噪声与信号线性放大并输出；当干扰噪声电压大于过载电压时，中频放大器将发生失真——由于放大器饱和，使得在输出中的信号电压消失。

接收机动态范围有多种表征方法，这里仅讲述 1dB 增益压缩点动态范围和无失真信号动态范围。

1dB 增益压缩点动态范围的定义为：当接收机的输出功率大到产生 1dB 增益压缩时，输入信号的功率与最小可检测信号功率或等效噪声功率之比，即 

式中，  和  分别为产生 1dB 压缩时接收机输入和输出端信号的功率；G 为接收机的增益；  为灵敏度。则可得 

即为 

无失真信号动态范围又称无虚假信号动态范围（Spurious Free Dynamic Range）或无杂散动态范围，是指接收机的三阶互调分量的功率等于最小可检测信号功率时，接收机输入或输出与三阶互调信号功率之比，即 

式中  、  分别是三阶互调分量的功率等于最小可检测信号功率时接收机输入和输出信号的功率。

三阶互调是一个与器件（如放大器、混频器）和接收机的动态范围都有关的量。下图给出了三阶互调的虚假信号分量示意图。

在接收机通带范围内有两个幅度相同、频率分别为  和  的输入信号进入接收机，如果这两个信号增大到放大器的饱和电平，将产生两个频率分别为  和  的输出信号分量，这就是三阶互调。当两个频率接近时，三阶互调分量难以通过滤波器来消除。

计算三阶互调分量的常用方法是利用三阶截点。三阶截点可以从输入与输出以及输入与三阶互调的对应关系中获得。

下图给出了无虚假动态范围的示意图。由于基波频率信号的输出与输入关系曲线是一条斜率为 1 的直线，而三阶互调产物与输入信号间的关系曲线是一条斜率为 3 : 1 的直线，两条直线的交点就是三阶互调截点。图中，  是三阶互调的功率；  是三阶互调分量的功率等于最小可检测信号功率时接收机输出的最大信号功率；  是接收机的三阶截点的功率。

理论上讲，当三阶互调分量很小时，输入信号增加 1dB，则三阶互调分量相应增加 3dB。

但是，在实际中 3 : 1 的比例很难得到，三阶互调分量一般在接近基底噪声的电平上测量，所画的直线是通过该点并以 3 : 1 的斜率达到三阶截点。

从图中的几何关系可知，三阶互调的功率与输人信号的功率呈线性关系，即 

可得 

无失真信号的动态范围为

则 

若忽略高阶分量和非线性所产生的相位失真到幅度失真的转换，则 

无失真信号的动态范围为 

即，当 1dB 增益压缩点动态范围为 80dB 时，无失真信号动态范围则为  60dB。

雷达接收机的增益是由接收机的灵敏度、动态范围以及接收机输出信号的处理方式所决定的。

在现代雷达接收机中，接收机输出的是中频信号或基带信号（基带信号是指零中频的输出信号，即信号的载波已混频至零，但信号中包含了回波信号的幅度和相位信息）, 一般都要经过 A/D 变换器转换成数字信号再进行信号处理。

所以，只要根据动态范围和噪声系数的需要，为接收机选择适当的 A/D 变换器，接收机的系统增益就确定了。接收机的系统增益确定以后，就要对增益进行分配。

增益分配首先要考虑接收机的噪声系数，一般来说，高频低噪声放大器的增益要比较高，以减少高频放大器后面的混频器和中频放大器的噪声对系统噪声系数的影响。

但是，高频放大器的增益也不能太高，如果太高，一方面会影响放大器的工作稳定性，另一方面会影响接收机的动态范围。所以，增益、噪声系数和动态范围是三个相互关联而又相互制约的参数。

中频的选择和滤波特性

接收机中频的选择和滤波特性与接收机的工作带宽以及所能提供的高频部件和中频部件的性能有关。在现代雷达接收机中，中频的选择可以从 30 MHz 到  4GHz。

当需要在中频增加某些信号处理部件时，例如脉冲压缩滤波器、对数放大器和限幅器等，从技术实现来说，中频选择在30 MHz 至 500 MHz 最合适。对于宽频带工作的接收机，应选择较高的中频，以便使虚假的寄生响应降至最小。

减小接收机噪声的关键参数是中频的滤波特性，如果中频滤波特性的带宽大于回波信号带宽，则有过多的噪声进入接收机。反之，如果所选择的带宽比信号带宽窄，信号能量将会损失。这两种情况都会使接收机输出端信噪比减小。在白噪声（即接收机热噪声）背景下，接收机的频率特性为“匹配滤波器”，输出的信噪比最大。

工作稳定性和频率稳定性

一般来说，工作稳定性是指当环境条件（例如温度、湿度、机械振动等）和电源电压发生变化时，接收机的性能参数（振幅特性、频率特性和相位特性等）受到影响的程度，希望影响越小越好。

大多数现代雷达系统需要对一串回波进行相参处理，这对本机振荡器的短期频率稳定度有极高的要求，因此必须采用频率稳定度和相位稳定度极高的本机振荡器，简称为“稳定本振”，如恒温晶振、原子钟等。

抗干扰能力

在现代电子战和复杂的电磁干扰环境中，抗有源干扰和无源干扰是雷达系统的重要任务之一。有源干扰为敌方施放的各种杂波干扰和邻近雷达的异步脉冲干扰，无源干扰主要是从海浪、雨雪、地物等反射的杂波干扰和敌机施放的箔片干扰。

这些干扰严重影响对目标的正常检测，甚至使整个雷达系统无法工作。现代雷达接收机必须具有抗各种干扰的能力。同时接收机应有足够大的动态范围，以保证后面的信号处理器有高的处理精度。

微电子化和模块化结构

在现代有源相控阵雷达和数字波束形成（DBF）系统中，通常需要几十路甚至几千路接收机通道。如果采用常规的接收机工艺结构，无论在体积、重量、耗电、成本和技术实现上都有很大困难。

微电子化和模块化的接收机结构可以解决上述困难，优选方案是采用单片集成电路，包括微波单片集成电路（MMIC）、中频单片集成电路（IMIC）和专用集成电路 (ASIC)，它们的主要优点是体积小、重量轻，另外采用批量生产工艺可使芯片电路电性能一致性好，成本也比较低。

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