相位噪声对频率步进雷达的影响仿真
Ku波段宽带低噪声雷达频率源的研制
Ｋｕ波段宽带低噪声雷达频率源的研制作者：魏春林刘光祜来源：《现代电子技术》2008年第06期摘要：介绍一种低相噪、低杂散、宽带的雷达频率合成器方案的设计和实现，该方案采用超低相噪模拟锁相环芯片，并采用双环环内下混频结构，通过对环路滤波器的精心设计，大幅度改善相位噪声和杂散性能。
给出设计过程及测试结果。
实验证明该方案是成功的，达到的主要技术指标为：输出频率 12.8～14.8 GHz，相位噪声 -90 dBc/Hz@1 kHz，杂散 -55 dBc，步进间隔50 MHz。
关键词：雷达频率合成器；低相噪；环路滤波器；宽带中图分类号：TN957 文献标识码：B文章编号：1004-373X(2008)06-130-03Ku-band Wideband Low Phase Noise Radar Frequency SynthesizerWEI Chunlin，LIU Guanghu(School of Electronics and Engineering，University of Electronic Science & Technology of China，Chengdu，610054，China)Abstract：This paper introduces a design and realization of Ku-band wideband，low phase noise and spur radar frequency synthesizer.In this scheme，by employing ultra low phase noise detector and two PLL down-mixing in loop structure，as well aselaborately designing the loop filter of PLL，realizes the low phase noise and spur level.A sample and result are presented and prove this scheme is successful.Keywords：radar frequency synthesizer；low phase noise；loop filter；wideband频率合成器是电子系统的心脏，是决定电子系统性能的关键设备，随着现代军事、国防及无线通信事业的发展，移动通信、雷达、制导武器、电子测量仪器和电子对抗等电子系统对频率合成器提出了越来越高的要求。
锁相频率源混频信号的相位噪声分析
锁相频率源混频信号的相位噪声分析为了研究锁相频率源的混频信号的相位噪声问题，本文将锁相源的相位噪声构成作为基础，构建起两路相关锁相源混频相位噪声近似数学模型，并开展了相关实验。
实验数据表明，模型仿真能够得到与实验一致的结果，可以在很大程度上降低相位噪声估值偏差。
标签：锁相频率源;混频信号;相位噪声1 相位噪声概述通常来讲，信号频率或者相位本身的短期性、随机性起伏是引发相位噪声的主要原因，理想的频率源信号得到的频谱近似直线，数学上一般用带有幅度的Delta函数表示。
而从实际测量的角度，频谱信号两侧可以看到宽度较大的连续分布谱，其形成的原因是热能与其他噪声源随机起伏对于频率信号的调整，这里的连续分布谱实际上就是相位噪声。
假定θ（t）表示噪声形成的调制信号，考虑到相位噪声同样属于较小的信号调制，满足θ（t）《1，可以将频率源信号表示为：（1）公式中，fc表示载波信号，对于公式进行相应的Fourier变换，可以得到（2）这里的S（f）表示S（t）的Fourier頻率谱，Sθ=F（θ（t）），表示相位与频率抖动的功率谱密度。
结合上述公式，参考相位噪声的内涵，可以通过分贝值的形式来对频率源相位噪声进行表示，有（3）公式中，=f-fc，该公式实际上是偏离载波位置1Hz带宽的相位噪声。
调制信号本身属于非平稳性的随机过程，而结合相应的文献研究以及工程实践，可以将其近似看做是平稳的高斯过程，能够得到近乎实际工程值的结果。
设相应的高斯过程θ（t）为N（0，），均值E=0，相位与频率会于载波信号附近抖动。
方差表示为相位噪声的功率，依照上述公式，可以得到相应的公式（4）2 锁相频率源相位噪声结构就目前而言，比较常见的锁相源一般都是有压控振荡器、鉴相器、环路滤波器以及分频器等构成，所有元器件的噪声都会影响最终输出频率的相位噪声，而其中最为关键，最不可避免的，是鉴相器鉴相基底倍频以及参考信号锁相倍频的恶化。
参考公式（4），可以将锁相源相位噪声表示为（5）在公式中，表示锁相源最终输出的相位噪声功率，和分别表示晶振锁相倍频恶化以及鉴相基底倍频恶化后的相位噪声功率，结合上述分析，参照公式（4）和公式（5），可以将相位噪声改写成分贝值的形式，得到锁相源相位噪声计算公式：（6）3 加入混频器后的相位噪声分析理想状态下，混频器的输出包含了两个输入信号的和频与差频，而实际上，混频器具备多个交调分量，不过和频与差频是主要分量。
基于DDS的雷达中频信号模拟器设计
引言雷达中频信号模拟器在雷达领域具有广泛的应用，可以用作频率合成器的重要组成部分，还可以作为调试检测时的模拟雷达中频回波信号的生成。
直接数字合成技术（Direct Digital Frequency Synthesis）产生于上世纪七十年代初，与传统频率合成技术相比，DDS技术具有高的输出频率分辨率、高精度、低相噪、切换频率时保持相位连续等优点[1-6]。
传统的直接频率合成和锁相频率合成（PLL）已不能满足现代雷达频率捷变、波形参数捷变等快速跳频的需求[7]。
DDS技术是一种全数字技术[2-4]，为满足现在雷达所需信号的要求，频率合成就是用一个高稳定度与高标准度的标准频率源作为参考，通过对该频率进行各项运算和滤波后得到相同稳定度和准确度的不同的频率信号，作为雷达发射的基准频率。
中频信号模拟器作为辅助调试检测雷达使用时，需要对雷达接收到的回波信号进行模拟，产生相同频率的雷达回波信号便于整个接收通道的检查，可以辅助雷达完成距离零位标定、角度零位标定、相位补偿等各项工作。
1 DDS基本工作原理图1是DDS的工作原理框图[6]，在DDS内核中作为DDS的系统时钟，N位全加器对频率控制字F和相位寄存器的N位输出值进行叠加运算[2][4]，相位寄存器后信号流向分为两路，主路与相位控制字P通过加法器再次叠加运算后生成D位的ROM表寻址地址码，通过该寻址码在ROM查找表中找出当前频率控制字F和相位控制字P所对应离散波形幅度值数据；反馈路的信号等待下一个时钟信号与下周期的频率控制字F继续叠加，实时更新。
当前系统时钟周期结束后，离散的波形幅度值数据构成了离散输出信号的波形，在DDS内核外幅度控制字A控制乘法器对输出信号的幅度值进行选取，后经DAC及低通滤波器组对信号进行D/A变换和滤波最终得到实际需要的波形信号fout。
2 中频信号模拟器的系统设计及实现2.1 核心器件的选型及主要功能DDS芯片选用成都振芯公司的GM4940，该芯片包含32位频率控制字F，16位相位控制字P，10位幅度控制字A，同时支持单点频、FSK、PSK、OSK、RAMP、混频、扫频等多种操作模式。
频率源综述
频率源综述高树廷刘洪升本文对频率源的类型和它们的基本原理并对频率源的重要性关键词它的好坏直接影响雷达通讯仪表等的性能指标它们的电子系统性能好频谱分析仪这些仪表的关键技术是有一个好的频率源有关单位就展开了频率合成技术的研制工作因技术难度大到了80年代国内整机单位因工程需要这些研制班子经过20多年的奋斗研制班子变动多次频率综合技术与发达国家相比这足够证明频率源技术的难度2.频率源简介频率源是用来提供各种信号的电子设备随着电子技术的发展即相位噪声越来越低它们的频率稳定度一般在10-5以上`¼´ÆµÂÊ×ÛºÏÆ÷¸ÃƵÂÊÔ´ÓÐÈçÏÂÌصãÄ¿Ç°×îСƵÂʲ½½øÄÜ×öµ½uHZÓÈÆä¶ÌÎÈc. 自动化使用灵活方便自激振荡源和合成频率源常见的自激振荡源有晶体振荡器介质振荡器YIG振荡器和波形产生器等调谐带宽表1给出他们的区别和特点技术含量高合成频率源主要优点是频率稳定度高甚至比原子钟的相噪还低控制方便缺点造价高合成频率源一般可分为四大形式直接数字式频综它们的优缺点由表2给出项目相噪杂散频率步进工作频率跳频速度调制能力体积重量成本直接模拟式很好较难抑制很难做小全频段快有限大高直接数字式好很难抑制很小低快方便小较低间接模拟式好好较难做小全频段慢有限较小较高间接数字式较好较好较小较低慢有限小低2.2 合成频率源的主要技术指标合成频率源的输出频率范围输出波形和调制状态电源下面仅对相噪频率步进和跳频时间四项做一简介相噪就是短期频率稳定度是输出频率两边富氏频率的函数记为-dBc/HZËüÖ±½ÓÓ°ÏìÏÖ´úµç×ÓϵͳµÄÐÔÄÜÓ°Ïì½ÓÊÕ»úµÄ¼ì²âÄÜÁ¦ÏàλÔëÉùµÄ´óСÓëÊä³öƵÂÊÓйØ既按20lgN变坏杂散又没有被充分的抑制掉一般用偏离输出频率多少频率上的频谱功率表示它也是合成频率源的一项重要技术指标一般要求-60dBc频率步进是一个频率点一个频率点合成出来的把起始频率到终止频率叫最大频率步进也就是频率捷变时间这段时间叫跳频时间一般用相位差定义以上四项技术指标是合成频率源中最重要的技术指标3.合成频率源的基本原理合成频率源的合成方法不同分直接模拟式间接模拟式和间接数字式四种简介如下归纳起来都是对基准频率进行各种各样的加减乘除倍频器可视为对频率相乘通过对频率进行加减乘除产生出各种新频率经放大器这种方法也是经典方法目前100MHZ晶振市场上能买到-169dBc/HZ@10kHZ的产品杂散决定滤波器的好坏和电磁兼容性设计的合理程度目前开关速度一般在几十nus到几百nus¿ª¹ØµÄͨ¶Ï±ÈÏÖÔÚÒ»°ã¶¼ºÜºÃÕâÖÖƵ×ÛÈç¹û²½½ø̫СÂ˲¨Æ÷Ò²ºÜÄÑÉè¼Æ³É±¾¸ßÊÇÖ±½ÓÄ£ÄâʽƵ×ÛµÄÖ÷ҪȱµãDDSDDSËüʹÓÃÊý×Ö¼¼ÊõÍê³ÉƵÂʺͲ¨ÐεĺϳɾßÌå½²°Ñ²¨Ðεķù¶È²ÎÊýºÍÏàλÐÅÏ¢¹¤×÷ʱ°´ÒªÇó¹æÂÉÈ¡³öÐÅÏ¢Êý¾ÝÔÙ¾-¹ýÂ˲¨¾ÍÍê³ÉÁËÖ±½ÓÊý×ÖʽµÄºÏ³É¾Í´æÔÚÁ¿»¯¾«¶ÈÎÊÌâ免的数字量存在造成某些情况下不可避免的幅度失真和相位失真采取相应措施但必定不能彻底消除图1. DDS原理框图这种用DDS技术做成的频综跳频速度快调制灵活目前输出频率不高基本原理框图如图1所示在时钟的控制下相位累加器在频率码控制下进行相位线形累加经过D/A变换得到相对应的幅度阶梯波形3.3间接模拟式基本原理间接模拟式频率源主要是利用模拟锁相环锁定VCO来实现频率合成所以间接式频率源跳频时间比直接式慢锁相环可等效为窄带滤波器基本原理框图如图2所示所以相噪较好体积较大由图看出将VCO频率平移到中频频段混频后信号经放大器再与晶振产生的一系列频率标准进行同频鉴相使VCO输出频率相位跟综晶振相位利用频率控制实现不同频率锁定和频率捷变当VCO频率不高时也可以不使用倍频器和混频器f c倍频器频率控制码图2 间接模拟式频综原理图3.4 间接数字式基本原理间接数字频率源是由数字锁相环构成的就是在锁相环内插入数字分频器和数字鉴相器吞除脉冲分频器和小数分频器成本低使用方便可靠大量应用在通信技术中因为锁相环内使用了分频器分频次数N越大一般按20lgN 变坏使用小频分频器相对比吞除脉冲分频器好一些从图3中看出目的是把VCO频率除到鉴相器基准频率fr左右鉴相器输出通过积分滤波电路变成模拟电压控制VCO频率看出当N越大经鉴相器后等效把VCO相位不稳定度放大了N倍图3 间接数字式频率源原理框图5.频率源的发展和重要性频率源技术近30年发展很快低杂散技术和DDS 技术突飞猛进杂散几年就降低一个数量级在国内该技术发展并不理想耗资大所以西方人40年代就提出的频率合成观念在国内目前还主要靠进口频谱分析仪还有合成频率源中的关键元器件微波小体积滤波器近20年发展起来的DDS 合成技术更是如此该合成技术尽管目前还有一些缺点解决了一些其它合成技术无法解决的技术难题 频率源的好坏直接影响微波系统高频系统的性能例如在雷达系统中接收机本振信号因此可以说频率源是现代微波和高频电子系统的心脏频率源在现代电子系统中是非常重要的它的关键技术就是低相噪设计和低杂散设计及实现这些设计的电磁兼容保证措施不论是方案设计还是电磁兼容设计甚至印制板设计因为低相噪全面考虑才能达到目的只靠一个合理的方案和一个满足要求的低相噪晶振还是不行的正确的印制板设计及精心的调试技术才能全面保证达到低相噪不仅要有一个正确的方案合理的元器件选择高带外抑制的滤波器7.结束语本文对频率源的各个方面作了简介但是与国外相比我们落后很多比如仪器通信业等等这对我国的现代化国内研制单位尽管很多并没有真正掌握其关键技术知识面又较宽为我国的国防事业做出更多贡献上述观点仅是自己的一点体会难免有错参考文献12002年度 中国兵器工业二零六研究所第八研究室低噪声频率合成 3 高树廷 刘洪升 微波电磁兼容第六届全国学术会议 2002年银川分频器注。
一款K_及KU_波段混频环的设计与实现
设计应用技术Telecom Power Technology相位噪声/（d B c /H z ）1-160-150-140-130-120-110-100-190-80-70-6010100频率偏移/kHz1 00010 000相位噪声/（d B c /H z ）1-160-150-140-130-120-110-100-190-80-70-6010100频率偏移/kHz1 00010 000 2023年10月25日第40卷第20期25号混频后，通过低通滤波器滤除高频分量，再取其差频作为主环鉴相器的射频信号；综合相位噪声、频率切换时间等指标，采用4级有源环，并选取合适的环路带宽，降低鉴相泄露；对各器件供电电源进行充分的隔离滤波，防止电源串扰。
1.2.2 空间串扰产生的杂散优化设计混频环内部同时存在主环信号、副环信号、中频信号，需要对不同的信号进行隔离处理，防止不同信号空间串扰。
该产品结构通过压框将主环信号、副环信号、中频信号进行分腔，并且每个隔腔进行单独封盖处理，减小不同信号空间串扰。
1-160-150-140-130-120-110相位噪声/（d B c /H z ）-100-90-80-706010100k 频率偏移/kHz1 00010 000 （a ）相位噪声 （b ）杂散图4 混频环测试结果2 测试结果混频环的测试结果如图4所示。
由测试结果可知，该混频环的输出频率为16～20 GHz ，步进频率为100 MHz ，相位噪声为-111 dBc/Hz@1 kHz ，杂散为-60 dBc 。
其中，混频环-111 dBc/Hz@1 kHz 的相位噪声实测值较图3中主环-112 dBc/Hz@1 kHz 的相位噪声仿真值恶化1 dB ，这是由于图2中副环 -114 dBc/Hz@1 kHz 的相位噪声未优于图3中主环-112 dBc/Hz@1 kHz 的相位噪声6 dB 以上，混频过程相位噪声恶化导致的，后续可根据测试结果优化副环相位噪声。
脉冲步进频率雷达的一种运动补偿新方法
脉冲步进频率雷达的一种运动补偿新方法
牛涛;陈卫东
【期刊名称】《中国科学技术大学学报》
【年(卷),期】2005(35)2
【摘要】分析了目标径向运动对脉冲步进频率雷达一维距离成像的影响,提出了基于脉组相位差分的目标运动参数估计方法,解决了运动参数估计中的快速搜索问题.仿真结果表明,该方法估计精度高,抗噪性能好,运算量较小,便于实时处理.
【总页数】6页(P161-166)
【作者】牛涛;陈卫东
【作者单位】中国科学技术大学电子工程与信息科学系,安徽合肥,230027;中国科学技术大学电子工程与信息科学系,安徽合肥,230027
【正文语种】中文
【中图分类】TN953
【相关文献】
1.步进频率逆合成孔径雷达成像的一种运动补偿方法 [J], 张群;张涛;马长征;张守宏
2.一种改进的步进频率雷达信号的运动补偿研究 [J], 段宏;王霞;王蒙军
3.逆合成孔径雷达运动补偿中一种包络对齐新方法 [J], 黄小红;邱兆坤;陈曾平
4.一种单脉冲测量雷达测速新方法 [J], 蔡玖良;桂佑林;汪文英
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雷达线性调频脉冲压缩的原理及其MATLAB仿真
线性调频（LFM ）脉冲压缩雷达仿真一． 雷达工作原理雷达是Radar （RAdio Detection And Ranging ）的音译词，意为“无线电检测和测距”，即利用无线电波来检测目标并测定目标的位置，这也是雷达设备在最初阶段的功能。
典型的雷达系统如图1.1，它主要由发射机，天线，接收机，数据处理，定时控制，显示等设备组成。
利用雷达可以获知目标的有无，目标斜距，目标角位置，目标相对速度等。
现代高分辨雷达扩展了原始雷达概念，使它具有对运动目标(飞机，导弹等)和区域目标(地面等)成像和识别的能力。
雷达的应用越来越广泛。
图1.1：简单脉冲雷达系统框图雷达发射机的任务是产生符合要求的雷达波形（Radar Waveform ），然后经馈线和收发开关由发射天线辐射出去，遇到目标后，电磁波一部分反射，经接收天线和收发开关由接收机接收，对雷达回波信号做适当的处理就可以获知目标的相关信息。
假设理想点目标与雷达的相对距离为R ，为了探测这个目标，雷达发射信号()s t ,电磁波以光速C 向四周传播，经过时间R C 后电磁波到达目标，照射到目标上的电磁波可写成：()Rs t C -。
电磁波与目标相互作用，一部分电磁波被目标散射，被反射的电磁波为()Rs t Cσ⋅-，其中σ为目标的雷达散射截面（Radar Cross Section ,简称RCS ），反映目标对电磁波的散射能力。
再经过时间R C 后，被雷达接收天线接收的信号为(2)Rs t C σ⋅-。
如果将雷达天线和目标看作一个系统，便得到如图1.2的等效，而且这是一个LTI （线性时不变）系统。
图1.2：雷达等效于LTI 系统等效LTI 系统的冲击响应可写成: 1()()Miii h t t σδτ==-∑ (1.1)M 表示目标的个数，i σ是目标散射特性，i τ是光速在雷达与目标之间往返一次的时间，2ii R cτ=(1.2) 式中，i R 为第i 个目标与雷达的相对距离。
积分相位噪声
积分相位噪声 1. 简介 积分相位噪声是指在频率合成器、时钟源等电子设备中，由于各种因素引起的相位误差的不稳定性。在通信系统、雷达系统等需要高精度时钟信号的应用中，积分相位噪声会对系统性能产生重要影响。
2. 相位噪声与频率合成器 频率合成器是一种将一个或多个较低频率的参考信号合成为更高频率的输出信号的电路或设备。在频率合成器中，参考信号经过倍频、分频、混频等操作后，形成所需的输出信号。然而，由于各种因素的存在，如环路带宽限制、杂散响应等，会导致输出信号中存在不可忽视的相位误差。
这种相位误差就是我们所说的相位噪声。当输入参考信号经过倍频或分频后，其相位误差会被放大到更高的倍数。因此，在设计和选择频率合成器时，需要考虑其对输出信号相位噪声的影响。
3. 相位噪声衡量指标 为了定量描述相位噪声，人们提出了一系列衡量指标。常见的相位噪声衡量指标包括：
• 峰值相位噪声（Phase Noise）：描述频率合成器输出信号相位偏离理想相位的程度，通常以分贝（dBc/Hz）为单位。 • 积分相位噪声（Integrated Phase Noise）：对峰值相位噪声在一定频率范围内进行积分，用于评估系统在整个频率范围内的性能表现。 • 杂散功率（Spurious Power）：描述频率合成器输出信号中除了所需信号外的非期望成分，通常以分贝（dBc）为单位。
其中，积分相位噪声是较为重要的指标之一。它可以反映出频率合成器在整个频率范围内的性能，并且与系统中误码率、射频干扰等参数有密切关系。
4. 相位噪声的影响 积分相位噪声会对系统性能产生重要影响，主要体现在以下几个方面： 4.1 误码率 在数字通信系统中，误码率是衡量系统传输质量的重要指标。当积分相位噪声较大时，会导致接收端无法正确解调接收信号，从而增加误码率。因此，为了保证系统的可靠性和稳定性，需要降低积分相位噪声。 4.2 动态范围 动态范围是指在一个系统中能够同时处理的最小和最大信号强度之间的差值。当积分相位噪声较大时，会扩大系统的动态范围，使得系统对于不同信号强度的处理能力降低。
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相位噪声对频率步进雷达的影响仿真
以外，还表示出相位噪声的出现将振荡器的一部分功率扩展到相邻的频率
中去，产生了噪声边带。该噪声边带会随着接收机混频的过程，而被调制到基
带信号中，成为基带信号噪声的一部分，从而恶化雷达系统检测信号的能力。
假设一个工作在 W 波段 94GHz 附近的频率步进雷达，其步进频率为
8MHz，共 64 个频率点，脉冲宽度 100ns，重复周期 10ms，其理想的距离分辨
率将达到 0.3m。
此时，假设频率步进雷达中典型的一个频率源的相位噪声为表 1 所示
表 1 频率源相位噪声
频率偏移（Hz）
相位噪声（dBc/Hz）
100
-60
1k
-75
10k
-80
100k
-90
1M
-100
10M