二次下变频实现宽带数字波束形成

４ 性 能 分析 及 仿 真 验 证
仿真模 型 ： 均匀线 阵 ６ ４个 阵元 ， 阵元 间距 为 ４６ ｃ 回波形 式 为 Ｌ Ｍ 实 信号 ， 宽 ５０ ｚ雷 ．２ｍ， Ｆ 带 ０ ＭＨ ， 达工作频率 ３ Ｈ ～ ．Ｇ ｚ信号持续 时间 １０ ｓ Ｇ ｚ ３５ Ｈ ， ０）， ｘ 采样波门长度 ９ ｐ ， ６， 信噪比 ３ ｄ ， ｓ ０ Ｂ 噪声 为高斯 白噪 声， 波束 指 向 １。 中频频 率 ６ Ｍ ｚ 射 频采 样 频 ０， ０ Ｈ，
存在只能延时整数倍采样单元 、 价格 昂贵实现不灵 活、 后期处理需要补偿剩余分数延时等缺陷。 本文采用二次下变频技术 ： 首先在模拟域进行 混频 ， 完成去斜工作 ， 降低信号带宽 ； 为消除时延造
成的影响 ， 各阵元进行独立的数字下变频 ； 最后经相 位补偿完成接收。本方法在有效 降低数据量 、 实现
（） ３
ｊｒ［ （ ， ２ ｍ一１ ｄ ＋（ ｍ一１ 蜘 ） ｒ ／ ｚ ） 拟 ｔ （ ） ＋ｄ ］ ｔ ｝ 。
本文 实验条 件 Ｔ （ ）式 中 ｇＵ （ 一１ ｆ ・ ｔ ３ ｍ ２ ） ｄ ＋ （ ｍ 一１ ） ＋ｄ ］很， （ ．１ ， 响很 ／ （ ）如 ｔ Ｊ ＜００ ）影 、 Ｊ 、 可将 其忽 略 。 则 Ｓ 。＝Ａ 。 ｘ ｛ ￣， ＋２１ 一（ 一１ ｔｆ 一 ｅｐｊ ｆｔ ｊ１ ２ ＜ ［ ｍ ）如
本 文处 理过程 分析 如下 。 暂按 接收复信号讨论 ， 时混频 不会产生 倍频分 此 量， 而实 际处 理 中倍 频分 量 会 被 滤波 器 滤 除 。根据 （） （ ） ， ｍ号阵元接收 回波信号 Ｊ 形式为 ： １ 、２ 式 第 Ｓ
傅 氏变换后便可获得散射点信息。
３ 相 关 问题 讨 论
（ ｉ ａ ｌ ｔ ｎｃ ｎ ｉ ｅｉ ｅ ａｃ ｎｔｕｅ Ｘ ｎ７ ０ ０ ） Ｘ ｎＥｅ ｒ ｉ Ｅ ｇｎ ｒ ｇＲ ｓ ｒ Ｉｓｔｔ， ｉ ａ １ １０ ｃｏ ｅ ｎ ｅ ｈ ｉ
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｎ ｗｉ ｅ ｓ ａ ｎ ｎ ｎ ｌ ｅ ｍ ｏ ｍｉ ｇ ｏ ｄ ｂ ｎ ｈ ｓ ｄ ａｒ ｙ ｒ ｄ ｒ ｎ ｌｇ ｄ ｌ ｙ ｌ ｅ ｔｃ ｎ ｌｇ ｓ ｓ ｒ ｃ ：Ｉ ｄ ｃ ｎ ｉ ｇ ａ ｇ ｅ ｂ ａ ｆｒ ｎ ｆｗｉｅ ａ ｄ ｐ ａ ｅ ｒａ ａ ａ ，ａ ａｏ ｅａ ｉ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｉ ｎ
率 １ Ｇ ｚ ２ Ｈ。
ｄ］＋２ｒ ［ ｍ 一１ ｔ 一ｄ］‘ ｝： ｔ ｊ＂ 一（ ｒ ／ ｘ ） ｔ ｔ Ａ・ ｘ ｛ ￣ ／ ＋ １ ［ ｍ 一１ ｆ］・ — ｅｐｊ ｆｔ Ｔ 一（ ２ ＜ ） 。 ｔ 出 ｊ７ｅｔ ｔ ｊ ［ ｍ 一１ ￡ ］一 ， ￡ ２ｒｄ ・ ＋２ ｂ 一（ ） 批 ｒ ｝ ｄ
１ 引言
近 年 来 人 们 研 究 了很 多 宽 带 数 字 波束 形 成 算 法 ¨ ］传统 的频 域处 理 方 法 和 时 域处 理 方 法 都 能 ，
延时精确补偿的同时， 可有效降低成本且波束指向 更改 方便 。
２ 系统 组成 及 理 论 分 析
本文采用 Ｎ元均匀线 阵模型， 在已知信号 回波 方 向的跟踪模式下工作 ， 发射线性调频信 号， 带宽 ５０ ｚ一维 距离像 分辨 力 为 ０ ３ ０ ＭＨ ， ．ｍ… ， 性 调频 信 线
号 形式 为 ：
Ｓ ＝Ａ ・ ｘ （ ￡ ｊｒｔ） ｅ ｐｊ ２ ＋ ￣ ｌ ｘ （） １
有效实现波束形成 ， 但数据量大， 实现复杂 ， 成本较 高 。为降低计算量及处理复杂度 ， ］ 目前普遍采用 的方法为 ， 模拟域通过延时线结构补偿延时 ， 利用去 斜技术降低信号带宽 ， 使数据量大为降低¨ 。但仍
Ｒｅ ｌ ａ ｉ ｎ ｆＷ ｉ ｂ ｎｄ Ｄｉ ｉａ ａ ｒ ｉ ｙ Ｔｗｉｅ Ｄｏ ａ ｉ ｔｏ ｏ ｄｅ ａ ຫໍສະໝຸດ Baiduｇ ｔ ｌＢｅ ｍ Ｆｏ ｍ ｎｇ ｂ ｚ ｃ ｗｎ－ ｏ ｅ ｔｎｇ ｃ ｎｖ ｒ ｉ
Ｒｅ ｅ ｕ，Ｌｕ ｎ ｌ ｎＺ ｙ ｏ Ｄｉ ｇｉ
收稿 日期 ：０ １ ８— １ ２ １ —０ ０
其中 Ａ为信号幅度 为起始频率 ； 为调频斜 率。 如图 １ 所示 ， 光速 Ｃ 对于阵元 间距 ｄ ０ ， 方向回 ｒ 波信号 ， 到达相邻阵元之间的延时为：
作者简 介： 任泽宇 ， ， ８ 年生 ， 男 １ ７ ９ 硕士研究生 。研究方向为数字信号处理 。
第 ４期
任 泽宇等： 二次下 变频 实现宽带数 字波束形成
４ ７
ｔｔ ＝ｄ ｉ０ ／ ＆ ｓ ｃ ｎ
（） ２
ｆ Ｊ
将引起复包络Ａ・ｘ （ｒ ｔ 的偏移… ， ｅｐｊ ． ） ＇ｔ ｑ 类似于 Ｓ Ｒ Ａ 中的距离徙动现象。
本振 Ｌ Ｍ Ｆ
／
ｆ
Ｂ
ｆ ｓ ｉ
第４ ０卷 第 ４期（ 总第 １８ ） ５期 ２１ 年 １ ０ １ ２月
火控雷达技术
Ｆ ｒ ｏ ｔｏ Ｒａ ａ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｉｅ Ｃ ｎ ｒｌ ｄ ｒＴ ｃ ｎ ｌｇ
Ｖ １４ ｏ４ Ｓｒ ｓ１８ ｏ ０Ｎ ． （ ｅ ｅ ５ ） ． ｉ
Ｄｅ ． ２ Ｃ ０１ｌ
二 次下 变 频 实 现 宽 带数 字 波 束形 成
Ｉ
Ｉ
号
Ｔ ・— — — 一
Ｉ
一
一
—一 一
●
ｆ Ｉ Ｆ
混频后
相关后续处理
图 Ｉ 相控 阵天线模型
本方法与传统实现方式… 不 同之处 为未使 用
模 拟延 时线结 构 。本 方 法 在 模 拟域 进 行 去 斜处 理 ，
Ａｆ
以降低数据量， 为消除延时造成的影响， 在数字域各 路 进行 独立 的二 次 下 变 频 ， 路 数 字本 振 （ Ｄ Ｓ 各 用 Ｄ
ｅｐｊ＂ｅ［ ｍ 一１ｔ２ 一ｄ］＋ ｘ ｛ ｒ ｔ 一（ ２ｒ ｂ ）出 ｔ
调频斜率 ： 模拟去斜后各路信号频率与调频斜 率 、 射角度 、 入 阵元 间距 等 有 关 ， 满足 中频 无 损 失 为 接收 ， 各路信号都应 落入接收机带宽 内， 需满足 ｌ ｆ ｆ ｆ Ｍ 一１ ｇ ｓ （ ／ ＜ ， 为 中频 ＜ 及 （ ） ｄｉ ０ ） ｃ ｎ ｆ
・
接收机带宽 ， 根据系统约束设计 。 结果正确性判定 ： 完全理想情况下 ， 各路接收信 号经过二次下变频及相位补偿后 ， 信号 时域波形应 完全重 合 ， 在 噪声 时 ， 伏 不会 很 大 ， 用 某 几 路 存 起 利 输出信号功率方差作为第一判决条件 ； 输出波形为
若干 点频信 号叠 加 ， 呈现 周期性 变化 ， 为第二 判 应 此 决条件 。
指 向更 改 ： 当接收波 束指 向需 要发生 变化 时 ， 模 拟混频信号 ｓ 不必更改 ， 数字下变频更改 Ｄ Ｓ Ｄ 相 应 参数 即可 ， 权值更 改 ｔ 即可 。
Ｓ ：Ａ・ ｘ ｛ ｆ 一（ 一１ 如 一ｄ］ ｅｐ 百 ｔ ｍ ） ｝・ ｅｐｊ／ ｔ ， ｘ ｛ｒ ［ 一（ ＇ ｒ ｘ ｎ一１ ｔｆ 一ｄ］ ） ｔ 出 ｝ 为散射点相对波门起始距离延时 ；ｍ一１ ｔ 为 （ ） 出 第 ｍ号 阵元相 对于参 考 阵元延 时 。 模拟 ｄｃ ｉ ｅｈ ｐ信号 ｓ 为 ： ｒ Ｓ ：ｅｐ １ 一 ） ｊ ． ］ 如 ｘ［ Ｔ ， ＋ ｗｔ ｔ 为中频频率。 模拟 混频后 中频 信号 ｜ 为 ： Ｓ Ｓ ＝Ｓ ’ ｏｊＳ， ｃｎ（ａ）＝Ａ‘ｘ ｛ Ｔ￣ ＋ ， ｅｐｊ ｉ ｔ ２ｆ ｆ ， ［ ｍ 一１ ｔ 一ｄ］ ｒ ～（ ） ｔ ｝。
任 泽 宇 罗 丁利
（ 西安 电子 工程研 究所 西安 ７０ ０ ） １ １ ０
【 摘要】 宽带相控阵宽角扫描 波束形成 中， 常用模拟延时线技 术解决复包络偏移 问题 ， 但硬件 的高
代 价 阻碍其 实际应 用 。本 文在基 于跟 踪状 态及发 射 线性 调频 信 号 的假 设 下 ， 出一 种二 次下 变频 提 方法 实现 宽带数 字波束 形成 ， 本方 法首先 对 阵元 级接 收数据 进行模 拟 混频 实现去斜 ， 字域再 进行 数
．＿
委 ． － ．
实现） 频率根据波束指向实 时调整而非 固定值 。本
文 实 现框 图如 图 ３所示 。
模拟域处理过程 天线单元 ｄ ｃ ｒ 下变 ｉｐ ｅｈ 频
图 ２ 模拟去斜原理…
数字域处理过程
二次下变频
２
Ｎ
图 ３ 系统 实现框 图
火 控 雷 达 技 术
第４ ０卷
ｃ ｍｍｏ ｌ ｓ ｄ ｔ ｏ ｖ ｏ ｌ ｘｅ ｖ ｌｐ ｈ ｆ ｐ ｏ ｌｍ ，ｈ ｗｅ ｅ ，ｔ ｅ ｈ ｇ ｏ ｔｏ ａ ｄ ｒ ｌｃ ｓｉｓｐ ａ ｔｃ ｌ印 一 ｏ ｎ ｙ ｕ ｅ ｏｓ ｌｅ ｃ ｍｐ ｅ ｎ ｅｏ ｅ ｓ ｉｔ ｒ ｂ ｅ ｏ ｖ ｒ ｈ ｉ ｈ ｃ ｓ ｆｈ ｒ ｗａ ｅ ｂ ｏ ｋ ｔ ｒ ｃｉａ ｐ ｉａｉｎ． Ａ ｗｉｅｄ ｗｎ－ ｏ ｅ ｔｎ ｔ ｏ ｓｐ ｅ ｅ ｅ ｏ ｉ ｌｍｅ ｔｗｉ ｂ ｎ ｉ ｉ ｌｂ ａ ｆ ｒ ｎｇｕｎ ｅ ｓ ｕ — ｌ ｔ ｃ ｏ ｔ ｃ ｏ ｃ ｎｖ ｒｉ ｇｍｅｈ ｄ ｉ ｒ ｓ ｎｔｄ ｔ ｍｐ ｅ ｎ ｄｅ ａ ｄ ｄ ｇｔ ｅ ｍ ｏ ｍｉ ｄ ｒａ ｓ ｍｐ ａ
ｔ ｎ ｂ ｓ ｄ ｏ ａ ｋ ｎ ｔｔ ｎ ａ ｓ ｔ ｎ ｎ ａ Ｍ ｉｎ １ ｈ ｓｍｅ ｈ ｄ ｉ ｆ ｓ ｙ ｔ ｅ ｆｒ ｎ ｌ ｇ ｍｉｉ ｇ ｆｒｒ － ｉ ａ ｅ ｎ ｔ ｃ ｉ ｇｓａｅ ａ ｄ ｔ ｎ ｍｉ ｉ ｇｌ ｅ ｒＦ ｓ ａ ．Ｔ ｉ ｔ ｏ ｓ ｒｔ ｏｐ ｒ ｍ ａ ａｏ ｘｎ ｏ ｒ ｒ ｔ ｉ ｇ ｌ ｉ ｏ ｏ ｅ ｃ ｉｉ ｇ ｄ ｔ ｔ ｒａ —ｌ ｍｅ ｔ ｅ ｅ ｏ ｉ ｌｍｅ ｔｄ ｒ ｍｐ ｎ ｅ ｖｎ ａａ ａ ａ ｙ ｅｅ ｎ ｖ ｌｔ ｍｐ ｅ ｎ ｅ ａ ｉｇ，ａ ｄ ｔ ｉｅ￣ｅ ｕ ｎ ｙ ｄ ｗｎ ｃ ｎ ｅ ｓｏ ｕ ｈ ｒｉ ｉｉ ｌ ｌ ｎ ｗ ｃ ｑ ｅ ｃ ｏ — ｏ ｖ ｒｉｎ ｆ ｒ ｅ ｎ ｄ ｇｔ ｔ ａ ｄ ｍａｎ，ｔ ｅ ｌｍｅ ｔ ｅ ｍ ｒ ｉｇ ａｔ ｒ ｏ ｅ ｓ ｔ ｎ ｉ ｈ ｓ ，ａ ｄ ｆ ａｌ ｆ ｒ ａ ｉｎ ａ ｃ ｔ ｒ ｇ ｐ ｉｔ ｓｏ — ｏ ｉ ｈ ｎ ｉ ｅ ｎ ａ ｆ ｍ ｎ ｆ ｍｐ ｎ ａ ｉ ｐ ａ ｅ ｎ ｉ ｌ ｉ ｏ ｍｐ ｂ ｏ ｅ ｃ ｏ ｎ ｎ ｙ ｎ ｍ ｔ ｔ ａｔ ｉ ｏｎ ｂ ｏ ｓ ｅ ｎ ｉ ｔｉ ｅ ｙ Ｆ ｕ ｅ ｒ ｎ ｆ ｒ ａｉｎ ａｎ ｄ ｂ ｏ ｒ ｒｔ ｓ ｍ ｔ ． ｉ ａ ｏ ｏ Ｋｅ ｗｏ ｄ ：ｗ ｄ ｂ ｎ ｅ ｍ ｏ ｉ ｇ； ｅ ａ ｉ ｇ； ｉｅ ｄ ｗｎ ｃ ｎ ｅ ｔ ｇ ｙ ｒ ｓ ｉ ｅ ａ ｄ ｂ ａ ｆ ｒ ｎ ｄ ｒ ｍｐ ｎ ｔ ｃ ｏ — ｏ ｖ ｒ ｎ ｍ ｗ ｉ
二次 下变频 ， 相位补 偿后 实现 波束 形成 ， 最终通过 傅 氏 变换 获得散 射 点信 息。
关键 词： 宽带波束形成 ； 去斜 ； 次下变频 二
中图分类 号： Ｎ １． ２ Ｔ ９ １７ 文献标 志码 ： Ａ 文章编号 ：０ ８８ ５ （０ １ ０ －４ － １０ — ２ ２ １ ）４０ ６０ ６ ５