一种新颖的前沿检测接收机的设计

雷华相,周国安,孙佳佳

(空军工程大学导弹学院,陕西三原713800)

0 引言

前沿检测是一种较为简单的脉冲接收机,在UWB冲激雷达系统中有着广泛的应用[1]。相对于当前其他的极窄脉冲接收机:相关接收机[2]、自相关接收机[3]、采样接收机[4]而言具有结构简单、实现容易和灵敏度高等优点。但简单的结构也导致了接收机不能进行复杂的信号处理,因此在环境噪声复杂多变的情况下,接收机的虚警概率就大大增加,这较大地限制了当前前沿检测接收机的广泛使用。这里在简单分析现有典型前沿检测接收机的基础上,设计了一种新颖的前沿接收接收机,使其实现了高灵敏度、恒虚警检测和消除近区响应。

1 一般前沿检测接收机

前沿检测一般是利用隧道二极管(Tunnel Diode,TD)进行设计。由于隧道二极管的重掺杂特性,因此具有超高速的响应特性,可以对极窄的脉冲成功地进行积分、展宽和放大,从而很方便地进行后端检测。其最简单的电路形式如图1所示。

在一定的时间门内,选通开关接通,信号得以进入接收机;电容C具有隔直通交的作用,同时它还起着积分的作用;当信号到来时给电容C充电,当电平达到一定值时,隧道二极管被触发,形成检测脉冲;检测脉冲经放大器放大,由判断电路来确定信号的有无以及目标的距离。

图1 前沿检测接收机原理

2 新设计与实现

2.1 系统组成原理

新设计接收机系统的结构图如图2所示。

图2 接收系统结构

系统主要由超宽带低噪声放大器(UWB_LNA)、包络检波器、门限检测器、反馈回路和数字信号处理模块组成。

系统工作原理是:回波信号经天线接收后,由超宽带低噪声放大器进行放大,送至包络检波器,产生接收信号的包络,再进行恒虚警检测。

2.2 恒虚警的实现

要实现降低前沿检测接收机的虚警概率的目的,主要在于实现2个功能:对噪声电平的实时检测和检测门限的实时控制。因此该接收机中设计了噪声支路(移位寄存器1、SUM1、SUM3)和反馈回路来完成。

其具体实现为:当系统时钟到来时,移位寄存器对接收信号进行录入,当信号超过门限时记为“1”,否则记为“0”。接着对寄存器的状态进行加法运算,得出当前接收信号的信息,即过门限数。由于移位寄存器1和移位寄存器2采用分时工作,给移位寄存器2的输入触发脉冲中加入了距离延时,因此认为SUM2反映的是目标信息,SUM1反映的是距离门外的噪声信息。尽管有时真实目标会落在移位寄存器1中,但还是认为其为噪声,即此时目标不存在。SUM1输出一路送至反馈回路,经D/A转换后,产生合适的控制电压,改变门限检测器的门限。当噪声数增加时,意味着检测门限偏低,需要调小偏置电压(由门限检测器设计决定),反之则增加偏置电压,以保证较好的噪声抑制能力。同时,另一路加上一个D(控制虚警概率)后数值变为N+D,送至比较器与来自SUM2的数M进行比较,当且仅当M＞N+D时产生点火信号。显然,无论是目标是否在噪声支路内,系统只有在设定距离带内存在目标时才有可能产生点火信号。

假设噪声超过门限的概率为p,则对于一般前沿检测接收机而言,虚警概率为p,显然随着噪声的复杂程度增加,虚警概率会大大增加,以至于影响整个系统的性能。而对于这里设计接收机,可以得到系统的虚警概率为:

Z为移位寄存器的位数,即反映存储接收信号的数量。上式可以看出这里设计的前沿检测接收机的虚警概率大大降低。

2.3 设计电路实现

设计电路如图3所示,该电路已在某型超宽带近炸引信中得到了测试,测试结果达到预期效果。

图3 设计电路图

3 优越性分析

3.1 接收机灵敏度高

为了接收极窄信号,能被快速触发的低能脉冲器件是非常必要的。当前雪崩晶体管和隧道二极管是2个比较新颖的选择,由于雪崩晶体管,灵敏度相对较低,而且不稳定。考虑到TD有确定的V-I特性和较高且稳定的灵敏度。相同条件下,隧道二极管的最小可检测门限为10～15 mV,而雪崩管最小可检测门限约为50 mV[5]。因此采用TD门限检测器可提高接收机的最小可检测信号功率。

3.2 消除近区响应影响

同步脉冲的存在导致大多数接收机存在着较大的近区响应,容易造成接收机杂波抑制特性变差、接收机灵敏度降低和虚警概率提高,较大地影响了接收机的性能。

设计接收机在对于发射机送来的时钟,在可编程逻辑器件内进行不同量的延时(其中一路含距离信息),因此并不会出现同步脉冲的泄漏,致使产生较大的近区效应,即使存在脉冲泄漏,其泄露的也是时钟脉冲,且其反射回波信号并不在距离门内,也不在噪声支路内,因此对设计接收机来说,就不存在近区响应的问题。其消除近区响应示意图如图4所示。

图4 消除近区响应影响

3.3 实现CFAR

4 结束语

新设计前沿检测接收机实现了高灵敏度、恒虚警检测和消除近区效应,该设计简单、可靠、易行,其最大的亮点就是在简单的系统里实现了CFAR,这对同类接收机的性能提升有一定借鉴作用。

[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]刘文生,李锦林.取样技术原理与应用[M].北京:科学出版社,1981:325-338.

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