数字TR组件及其研究PPT课件
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• MIT/LL（MIT Lincoln Laboratories麻省理工学院林肯实验室） • NRL/DC（Naval Research Laboratory海军研究实验室） • NSWC/DD（Naval Surface Warfare Center海军海面战争研究中心）
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1.4 数字阵列雷达（DAR）计划目 标
二、国内数字T/R组件的研究
国内中国电子科技集团公司的第14研究所和38研究 所也开展了数字T/R组件和数字阵面的研究
14所在“九五”和“十五”期间进行了T/R组件的 体制试验，并研制出P,L和S波段数字T/R组件原理性样机， 实现了发射数字移相和接收中频高速采样数字解调的功能。 在“十一五”期间开始研制数字有源阵面雷达。随着数字 技术、微波单片电路（MMIC）和微组装技术的高速发展， 特别是多芯片组装工艺技术的成熟，数字化有源阵面及其 数字T／R组件的研究必将成为今后相控阵雷达研究的方向。
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数字T/R组件
常规雷达的发射功放工作在丙类状 态，激励功率小范围的变化不会影响 发射功率电平，其频率响应基本由功 放本身的频响来决定。而用DDS中的 乘法器来修正幅度只有对A类或AB类放 大链才有效果，因此可暂时不做幅度 加权的实验。
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数字T/R组件
目前由DDS直接产生1200 MHz的 频率是不可能的，只能通过变频的方法 将较低的DDS频率混至1200 MHz。另 外，DDS器件当初开发的初衷是用于通 信系统中各种信号的产生，因此对相位 控制和幅度控制要求不高，从而导致许 多DDS器件中没有相位加法器和数字乘 法器，即使有相位加法器，其位数也只 有四位或八位，而又带数字乘法器的 DDS器件则凤毛麟角。
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数字T/R组件
从上图中可以看出数字T/R组件可简单地 分成两大部分
• DBF发射通道 • DBF接收通道 • 频率源、控制
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数字T/R组件
4、DBF发射技术
利用DDS技术，根据系统对发射信号的要 求，并考虑发射波束低副瓣要求的幅度加权和 相位加权，以及系统幅相误差修正所需的加权 因子，产生所需频率、一定带宽和满足雷达一 定工作方式的调制信号。再通过上变频器（或 倍频器）变换至所需的射频波段，经功率放大 器放大后输出至天线。
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数字T/R组件
采样后模拟信号的正负频谱均各自向左右以采 样频率为间隔重构。频谱的样品集合可完全代表原 带通信号，此样品集合通过一带通滤波器即可重新 恢复原带通信号。
从上面采样频率的关系可以看出通带采样的采 样频率是可以很低的。式中将采样频率分成若干个 区域并由n决定，n越小，频率区域范围越大，也就 是说对输入信号频率和采样频率偏差的要求越小。 并且随着n的下降，采样频率越高，量化信号的频谱 重复间距越大，对抗混叠滤波器带外抑制的要求就 越低，同时可提高输出信噪比，但对后级处理提出 了更高的要求，因此在设计时应该根据具体情况选 择合适的n值。
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数字T/R组件
四、数字T/R组件的研究
第18页/共133页
一、国外数字T/R组件的研 究
二、国内数字T/R组件的研 究
第19页/共133页
一、美国数字T/R组件和数字阵面的研 究
1.1 任务的提出
21世纪美国海军USN（US Navy）舰载雷达系 统对近海和远洋军事行动的需求 :
• 恶劣环境(杂波)下的小目标检测 • 抗多种干扰源
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1.2 计划目的
海军研究办公室（ONR）提出数字阵列雷达DAR （Digital Array Radar）发 展计划目的是 :
• 在有源阵列雷达系统中插入达到最新发展水平的全DBF技术
第21页/共133页
1.3 研究参与单位
单个微波T/R组件和圆形辐射单元 第26页/共133页
接收机末级中频带宽特性
第27页/共133页
数字T/R组件（DTR）和FO链
• DTR更复杂，它依据基带数据如何传送，如何处理和变换到模拟数字信号 • T/R分机控制器产生发射数据并变换为串行数据流，这些数据流由单个
模块变换为标准波长为1300nm（接口3A）光
第28页/共133页
具有波形/时钟光发生器的数字T/R组件（DTR） 第29页/共133页
1.8 数字阵列组成
• 正方形轴对称平面结构，如图3所示 • 阵列面由224个辐射单元组成 • 有源T/R组件向安装在阵列上的96个辐射单元之一馈电，剩下的单元接
上负载
第30页/共133页
阵列天线布置和内部单元空间图示 第31页/共133页
第35页/共133页
数字T/R组件
考虑到先在连续波情况下进行试验，因此 我们可以选用Qualcom公司的Q2368，其时钟 频率为130MHz，有两个32位的相位累加器， 另有3位相位加法器，但没有乘法器，因此无 法进行幅度修正的试验。当工作在连续波状 态时，其中一个相位累加器起相位加法器的 作用，可对信号进行移相。当工作在线性调 频信号状态时，其中一个相位累加器用来对 载频进行调频，此时移相就只能用后面的3位 相位加法器了。
• 数字部分的核心组成技术如FPGA，并串转换，串并转换，数模变换发射 阵列，接收机AD变换器
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1.6 微波T/R组件MTR
• 采用两级超外差系统，在激励和接收链路间分配由滤波通路 • 从T/R组件到数字部分的接口收发都是70MHz中频频率,图中给出了接收
机中频输出级的通带响应
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第15页/共133页
• 当n为偶数时 X(n)＝± A(nT)cos[φ(nT)] ＝I’(n)
• 当n为奇数时 X(n)＝± A(nT)sin[φ(nT)] ＝Q’(n)
数字T/R组件
I’(n)和 Q’(n)再经过各自的内插滤波器即可得 到所需要的正交信号，内插滤波器用PDSP16256实 现。该方法实现比较方便，但AD采样频率和IF信 号中心频率一定要满足以上所述的关系式。
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数字T/R组件
5.1 模拟正交解调器的缺点
在传统雷达接收机中，通常采用模拟I/Q正交器 （即零中频处理）对接收信号进行解调，但由于模拟 元器件固有的特点，使得模拟I/Q正交器的检波性能 并不理想。在信号带宽内，其I/Q两路输出幅度一致 性一般只能到达，相位正交性2～3°，由于受器件一 致性及零漂、温漂的影响，若要再提高其性能，已经 是非常困难了。若信号带宽要求较宽，则性能可能还 会下降。但随着雷达技术的发展，对信号带宽要求越 来越宽，正交两路幅相一致性要求越来越高，因此利 用模拟正交器就很难实现。
数字T/R组件
1、数字T/R组件的概念
在现代雷达技术中，相控阵雷达占有十分重要的地位，其中 T/R组件是整个雷达的关键部件之一。常规相控阵雷达发射波 束的形成是通过移相和幅度加权来实现的，而这一工作往往是 在射频频段，由阵面上各T/R组件中的移相器和衰减器来完成。 由于射频移相器的位数不能做得很高，因此波束跃度就相对比 较大。要降低波束跃度，就必须提高移相器的位数，这用模拟 系统来实现是很困难的。但是随着数字技术的飞速发展，以往 数字系统的复杂性和高成本也大大降低，可靠性不断提高，使 得以前必须由模拟器件实现的系统能被数字系统所代替；另外 数字系统还具有可重复性、可控性和便于集成等优点。因此将 数字系统应用于雷达中正日趋流性。例如将DDS（Direct Digital Synthesis 的简称）技术用于雷达信号产生等。基于此， 设想将射频的移相和幅度加权改为低频段由数字电路来实现， 另外采用DBF（Digital Beam Form 的简称）接收技术，这就 引入收发均为数字式的数字T/R组件的概念，即其控制和数据 输入输出都是数列式的。
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数字T/R组件
2.1. L波段DBF发射技术的研究
2.1.1 设计思想 DBF发射通道主要由两大部分组成，即
数字信号形成（DDS信号产生）模块和上变 频模块。由于大多数大型三坐标相控阵雷达 的工作频段主要分布在P、L和S波段，综合 考虑技术难度，器件成本，仪器仪表等各方 面的因素，我们在DBF发射技术的研制方案 中，射频选在L波段，又考虑到主要是体制试 验，因此就采用点频工作方式来开展电路实 验（而雷达实际也工作在点频状态下），我 们选择频率f为1200 MHz。
5、DBF接收技术
数字波束形成（DBF）技术是将天线接 收到的目标回波，经过放大、下变频至数 字信号，然后在信号处理上乘以相应的加 权因子形成所需的接收波束。由于采用了 数字技术，因而容易实现低副瓣、自适应 零点形成及超分辨率处理。在DBF接收机 中，目前已采用中频采样数字正交技术来 代替传统的模拟技术，以获得更佳的系统 性能。其基本原理如下图所示
数字T/R组件
• 另外DDS输出信号的幅度可以通过波 形存储器后的数字乘法器来调整。控 制字AK起到对波形存储器输出幅度偏 移进行加权的作用。
• 因此，可以根据雷达系统的要求，分 别或同时控制FK、PK、AK，使得DDS 的输出频率、相位和幅度满足雷达实 际工作的需要。
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数字T/R组件
第14页/共133页
数字T/R组件
5.2 中频采样数字正交解调的优点
数字式正交检波器是近十年才开发出来并投入使用的 一种新技术，它直接在中频对模拟信号进行A/D变换， 然后在数字域内通过数字信号处理的方法进行相干检波， 得到正交两路I/Q信号。由于数字电路是电平工作状态， 因此具有抗干扰能力强，温度特性好，易于处理等优点， 从而使得数字式正交检波器两路一致性能达到很高的指 标。而且因为直接在中频进行数字采样，因此输出零漂 仅由A/D变换器的零漂引起，而这种零漂可用信号处理 的方法加以去掉。例如对于12位的数据，数字式正交检 波器输出I/Q两路幅度误差仅为，而正交相位误差小于°， 与传统模拟正交器相比，数字式正交器的精度提高了一 个数量级，因而能大大提高系统整机性能，满足现代越 来越复杂的系统需求。
DAR计划的最初目的 ： • 为了评估应用于L，S，X波段USN雷达的用于DBF雷达框架的商用技术 • DAR的样机是要从无线，光纤，现场可编程门阵列（FPGA），高速VME处
理器市场拓展通信技术
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1.5 数字T/R的组成（微波T/R和数字 T/R）
• 微波部分主要由混频器，滤波器，放大器和级联在两级功率放大器前的驱 动放大器组成
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数字T/R组件
假定相位累加器字长为N，则DDS的输出频 率fout和频率分辨率Δfmin分别表示为：
f
ou
t=
F
·
K
f
/
c
2
N
fmin=fc/2N
令相位加法器的字长为M，则DDS的输出相移 和相移Δmin分辨率分别为：
=PK·fc/2M Δmin=2π/2M
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数字T/R组件
一、常规T/R组件
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数字T/R组件
1. 常规T/R组件的组成框图和工作原 理
激励输入 移相器
接收输出
驱动放大 收发开关
末级功放
天
环
线
行
器
低噪放
限幅器
第2页/共133页
2. 常规T/R组件的特点
• 没有频率变换 • 无信号产生 • 无频率源 • 电路简单 • 系统设计比较单一
在DBF发射技术中，直接数字综合（DDS） 技术是关键，它能提供快速频率转换的高分辩 率频率综合技术。下图给出了DDS的基本原理 框图
第9页/共133页
4.2 DDS的工作原理
数字T/R组件
在每一个时钟周期Tc内，频率控制字FK与 N位相位累加器累加一次，并同时对2N取模运 算，得到的相位值（0～2π）以二进制代码形 式对波形存储器进行寻址，而波形存储器中所 存储的是一张正弦函数查询表，其输出是与该 相位值相对应的数字化幅度值，经数模转换器 变换成相应的阶梯信号，最后经低通滤波器平 滑后得到一所需的模拟信号
数字T/R组件
第3页/共133页
数字T/R组件
二、数字化接收机
第4页/共133页
2. 数字接收机的特点
数字T/R组件
• 有频率变换 • 有数字信号产生 • 有频率源 • 有数字中频采样和正交解调 • 系统设计复杂、需考虑的指标多
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数字T/R组件
三、数字T/R组件
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1.4 数字阵列雷达（DAR）计划目 标
二、国内数字T/R组件的研究
国内中国电子科技集团公司的第14研究所和38研究 所也开展了数字T/R组件和数字阵面的研究
14所在“九五”和“十五”期间进行了T/R组件的 体制试验，并研制出P,L和S波段数字T/R组件原理性样机， 实现了发射数字移相和接收中频高速采样数字解调的功能。 在“十一五”期间开始研制数字有源阵面雷达。随着数字 技术、微波单片电路（MMIC）和微组装技术的高速发展， 特别是多芯片组装工艺技术的成熟，数字化有源阵面及其 数字T／R组件的研究必将成为今后相控阵雷达研究的方向。
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数字T/R组件
常规雷达的发射功放工作在丙类状 态，激励功率小范围的变化不会影响 发射功率电平，其频率响应基本由功 放本身的频响来决定。而用DDS中的 乘法器来修正幅度只有对A类或AB类放 大链才有效果，因此可暂时不做幅度 加权的实验。
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数字T/R组件
目前由DDS直接产生1200 MHz的 频率是不可能的，只能通过变频的方法 将较低的DDS频率混至1200 MHz。另 外，DDS器件当初开发的初衷是用于通 信系统中各种信号的产生，因此对相位 控制和幅度控制要求不高，从而导致许 多DDS器件中没有相位加法器和数字乘 法器，即使有相位加法器，其位数也只 有四位或八位，而又带数字乘法器的 DDS器件则凤毛麟角。
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数字T/R组件
从上图中可以看出数字T/R组件可简单地 分成两大部分
• DBF发射通道 • DBF接收通道 • 频率源、控制
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数字T/R组件
4、DBF发射技术
利用DDS技术，根据系统对发射信号的要 求，并考虑发射波束低副瓣要求的幅度加权和 相位加权，以及系统幅相误差修正所需的加权 因子，产生所需频率、一定带宽和满足雷达一 定工作方式的调制信号。再通过上变频器（或 倍频器）变换至所需的射频波段，经功率放大 器放大后输出至天线。
第16页/共133页
数字T/R组件
采样后模拟信号的正负频谱均各自向左右以采 样频率为间隔重构。频谱的样品集合可完全代表原 带通信号，此样品集合通过一带通滤波器即可重新 恢复原带通信号。
从上面采样频率的关系可以看出通带采样的采 样频率是可以很低的。式中将采样频率分成若干个 区域并由n决定，n越小，频率区域范围越大，也就 是说对输入信号频率和采样频率偏差的要求越小。 并且随着n的下降，采样频率越高，量化信号的频谱 重复间距越大，对抗混叠滤波器带外抑制的要求就 越低，同时可提高输出信噪比，但对后级处理提出 了更高的要求，因此在设计时应该根据具体情况选 择合适的n值。
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数字T/R组件
四、数字T/R组件的研究
第18页/共133页
一、国外数字T/R组件的研 究
二、国内数字T/R组件的研 究
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一、美国数字T/R组件和数字阵面的研 究
1.1 任务的提出
21世纪美国海军USN（US Navy）舰载雷达系 统对近海和远洋军事行动的需求 :
• 恶劣环境(杂波)下的小目标检测 • 抗多种干扰源
第20页/共133页
1.2 计划目的
海军研究办公室（ONR）提出数字阵列雷达DAR （Digital Array Radar）发 展计划目的是 :
• 在有源阵列雷达系统中插入达到最新发展水平的全DBF技术
第21页/共133页
1.3 研究参与单位
单个微波T/R组件和圆形辐射单元 第26页/共133页
接收机末级中频带宽特性
第27页/共133页
数字T/R组件（DTR）和FO链
• DTR更复杂，它依据基带数据如何传送，如何处理和变换到模拟数字信号 • T/R分机控制器产生发射数据并变换为串行数据流，这些数据流由单个
模块变换为标准波长为1300nm（接口3A）光
第28页/共133页
具有波形/时钟光发生器的数字T/R组件（DTR） 第29页/共133页
1.8 数字阵列组成
• 正方形轴对称平面结构，如图3所示 • 阵列面由224个辐射单元组成 • 有源T/R组件向安装在阵列上的96个辐射单元之一馈电，剩下的单元接
上负载
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阵列天线布置和内部单元空间图示 第31页/共133页
第35页/共133页
数字T/R组件
考虑到先在连续波情况下进行试验，因此 我们可以选用Qualcom公司的Q2368，其时钟 频率为130MHz，有两个32位的相位累加器， 另有3位相位加法器，但没有乘法器，因此无 法进行幅度修正的试验。当工作在连续波状 态时，其中一个相位累加器起相位加法器的 作用，可对信号进行移相。当工作在线性调 频信号状态时，其中一个相位累加器用来对 载频进行调频，此时移相就只能用后面的3位 相位加法器了。
• 数字部分的核心组成技术如FPGA，并串转换，串并转换，数模变换发射 阵列，接收机AD变换器
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1.6 微波T/R组件MTR
• 采用两级超外差系统，在激励和接收链路间分配由滤波通路 • 从T/R组件到数字部分的接口收发都是70MHz中频频率,图中给出了接收
机中频输出级的通带响应
第25页/共133页
第15页/共133页
• 当n为偶数时 X(n)＝± A(nT)cos[φ(nT)] ＝I’(n)
• 当n为奇数时 X(n)＝± A(nT)sin[φ(nT)] ＝Q’(n)
数字T/R组件
I’(n)和 Q’(n)再经过各自的内插滤波器即可得 到所需要的正交信号，内插滤波器用PDSP16256实 现。该方法实现比较方便，但AD采样频率和IF信 号中心频率一定要满足以上所述的关系式。
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数字T/R组件
5.1 模拟正交解调器的缺点
在传统雷达接收机中，通常采用模拟I/Q正交器 （即零中频处理）对接收信号进行解调，但由于模拟 元器件固有的特点，使得模拟I/Q正交器的检波性能 并不理想。在信号带宽内，其I/Q两路输出幅度一致 性一般只能到达，相位正交性2～3°，由于受器件一 致性及零漂、温漂的影响，若要再提高其性能，已经 是非常困难了。若信号带宽要求较宽，则性能可能还 会下降。但随着雷达技术的发展，对信号带宽要求越 来越宽，正交两路幅相一致性要求越来越高，因此利 用模拟正交器就很难实现。
数字T/R组件
1、数字T/R组件的概念
在现代雷达技术中，相控阵雷达占有十分重要的地位，其中 T/R组件是整个雷达的关键部件之一。常规相控阵雷达发射波 束的形成是通过移相和幅度加权来实现的，而这一工作往往是 在射频频段，由阵面上各T/R组件中的移相器和衰减器来完成。 由于射频移相器的位数不能做得很高，因此波束跃度就相对比 较大。要降低波束跃度，就必须提高移相器的位数，这用模拟 系统来实现是很困难的。但是随着数字技术的飞速发展，以往 数字系统的复杂性和高成本也大大降低，可靠性不断提高，使 得以前必须由模拟器件实现的系统能被数字系统所代替；另外 数字系统还具有可重复性、可控性和便于集成等优点。因此将 数字系统应用于雷达中正日趋流性。例如将DDS（Direct Digital Synthesis 的简称）技术用于雷达信号产生等。基于此， 设想将射频的移相和幅度加权改为低频段由数字电路来实现， 另外采用DBF（Digital Beam Form 的简称）接收技术，这就 引入收发均为数字式的数字T/R组件的概念，即其控制和数据 输入输出都是数列式的。
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数字T/R组件
2.1. L波段DBF发射技术的研究
2.1.1 设计思想 DBF发射通道主要由两大部分组成，即
数字信号形成（DDS信号产生）模块和上变 频模块。由于大多数大型三坐标相控阵雷达 的工作频段主要分布在P、L和S波段，综合 考虑技术难度，器件成本，仪器仪表等各方 面的因素，我们在DBF发射技术的研制方案 中，射频选在L波段，又考虑到主要是体制试 验，因此就采用点频工作方式来开展电路实 验（而雷达实际也工作在点频状态下），我 们选择频率f为1200 MHz。
5、DBF接收技术
数字波束形成（DBF）技术是将天线接 收到的目标回波，经过放大、下变频至数 字信号，然后在信号处理上乘以相应的加 权因子形成所需的接收波束。由于采用了 数字技术，因而容易实现低副瓣、自适应 零点形成及超分辨率处理。在DBF接收机 中，目前已采用中频采样数字正交技术来 代替传统的模拟技术，以获得更佳的系统 性能。其基本原理如下图所示
数字T/R组件
• 另外DDS输出信号的幅度可以通过波 形存储器后的数字乘法器来调整。控 制字AK起到对波形存储器输出幅度偏 移进行加权的作用。
• 因此，可以根据雷达系统的要求，分 别或同时控制FK、PK、AK，使得DDS 的输出频率、相位和幅度满足雷达实 际工作的需要。
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数字T/R组件
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数字T/R组件
5.2 中频采样数字正交解调的优点
数字式正交检波器是近十年才开发出来并投入使用的 一种新技术，它直接在中频对模拟信号进行A/D变换， 然后在数字域内通过数字信号处理的方法进行相干检波， 得到正交两路I/Q信号。由于数字电路是电平工作状态， 因此具有抗干扰能力强，温度特性好，易于处理等优点， 从而使得数字式正交检波器两路一致性能达到很高的指 标。而且因为直接在中频进行数字采样，因此输出零漂 仅由A/D变换器的零漂引起，而这种零漂可用信号处理 的方法加以去掉。例如对于12位的数据，数字式正交检 波器输出I/Q两路幅度误差仅为，而正交相位误差小于°， 与传统模拟正交器相比，数字式正交器的精度提高了一 个数量级，因而能大大提高系统整机性能，满足现代越 来越复杂的系统需求。
DAR计划的最初目的 ： • 为了评估应用于L，S，X波段USN雷达的用于DBF雷达框架的商用技术 • DAR的样机是要从无线，光纤，现场可编程门阵列（FPGA），高速VME处
理器市场拓展通信技术
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1.5 数字T/R的组成（微波T/R和数字 T/R）
• 微波部分主要由混频器，滤波器，放大器和级联在两级功率放大器前的驱 动放大器组成
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数字T/R组件
假定相位累加器字长为N，则DDS的输出频 率fout和频率分辨率Δfmin分别表示为：
f
ou
t=
F
·
K
f
/
c
2
N
fmin=fc/2N
令相位加法器的字长为M，则DDS的输出相移 和相移Δmin分辨率分别为：
=PK·fc/2M Δmin=2π/2M
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数字T/R组件
一、常规T/R组件
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数字T/R组件
1. 常规T/R组件的组成框图和工作原 理
激励输入 移相器
接收输出
驱动放大 收发开关
末级功放
天
环
线
行
器
低噪放
限幅器
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2. 常规T/R组件的特点
• 没有频率变换 • 无信号产生 • 无频率源 • 电路简单 • 系统设计比较单一
在DBF发射技术中，直接数字综合（DDS） 技术是关键，它能提供快速频率转换的高分辩 率频率综合技术。下图给出了DDS的基本原理 框图
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4.2 DDS的工作原理
数字T/R组件
在每一个时钟周期Tc内，频率控制字FK与 N位相位累加器累加一次，并同时对2N取模运 算，得到的相位值（0～2π）以二进制代码形 式对波形存储器进行寻址，而波形存储器中所 存储的是一张正弦函数查询表，其输出是与该 相位值相对应的数字化幅度值，经数模转换器 变换成相应的阶梯信号，最后经低通滤波器平 滑后得到一所需的模拟信号
数字T/R组件
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数字T/R组件
二、数字化接收机
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2. 数字接收机的特点
数字T/R组件
• 有频率变换 • 有数字信号产生 • 有频率源 • 有数字中频采样和正交解调 • 系统设计复杂、需考虑的指标多
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数字T/R组件
三、数字T/R组件
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