雷达原理与系统(第三章 雷达接收机)
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2. 工作频带宽度 指瞬时工作频率范围，频率捷变雷达要求的接收机 工作频带宽度为10～20% 。
3.动态范围 接收机能够正常工作所允许的输入信号强度的 变化范围 刚过载时的Si /Si min，80~120 dB 4. 中频的选择与滤波特性 中频通常选择30MHz～500MHz。 中频的选择还应考虑抑制镜频的效果。 减少接收机噪声的关键是中频的滤波特性。
高频输入 接收机 保护器
低噪高放
混频器
中放
检波器
视放
高频部分
本振
视频部分
发射机工作时，使接收机输入 端短路，并对大信号限幅保护
至质量指标部分
超外差技术
无线电波 选频滤波 混频器
来自百度文库
fIF
滤波
解调
滤波
解调输出
fRF
fL 本振
外差技术:当接收的电波频率fRF变化时，本振频率fL和选频滤 波器的中心频率f0= fRF能够同步改变，从而使fIF固定不变。 超外差技术:当fIF低于fRF而高于信号带宽B时就称为。
JATS（Jamming Analysis and Transmission Selection）： 杂波分析和发射
对数形式
Si N i F 10 lg S N dB o o
噪声系数的物理意义
No F Ni Ga
噪声系数表示由于接收机内部噪声的影响，使接收机输出 端的信噪比相对其输入端的信噪比变差的倍数。
其中，NiGa是输入端噪声通过“理想接收机”后， 在输出端呈现的额定噪声功率。
No N N F 1 1 Ni Ga Ni Ga kT0 BnGa
噪声系数只由接收机本身参数确定
级联电路的噪声系数
整个电路的噪声系数为：
F2 1 F3 1 F0 F1 G1 G1G2
Fn 1 G1G2 Gn1
F0 F1
i 2
n
G
j 1
检测接收机输出信号频率f I ，根据频率偏差产生误差电压 调整本振的混频频率，保证中频稳定不变。
AGC电路
调整接收机的动态范围
动态范围： 接收机能够正常工作的允许的 输入信号的强度范围。
AGC电路的结构
AGC电路的作用
在跟踪雷达中，接收机输出的角误差信号强度 只与目标偏离天线轴的夹角有关，而与目标距离的 远近、目标反射面积的大小等因素无关。为了得到 这种归一化的角误差信号，就需要AGC。 抗干扰，防止强杂波或干扰信号引起接收机饱 和过载。
第二节
接收机的噪声和灵敏度
§3.2.1 接收机的噪声 噪声来源：内部噪声、外部噪声
接收机中的馈线、放电保 护器、高频放大器或混频 器产生
由天线进入接收机的各 种干扰和天线热噪声
电阻热噪声的谱性质
功率谱密度
波尔兹曼常量 测试设备的通带 常数
2 u 噪声电压均方值 n 4kTRBn
p( f ) 4kTR
即，输入噪声Ni 以天线等效电阻 RA在室温T 0 = 290 K 时 产生的热噪声为标准
接收机噪声系数说明框图
RA
So=GaSi
RL
接收机引入噪声
ESi
ENi
Si Ni
接收机 线性电 路Ga
So No
No=GaNi +∆N
Si N i F So N o
F≥1
No N F 1 Ni Ga Ni Ga
雷达频率源的实现方法 3、基于DDS的频率合成器 DDS+PLL
DDS直接频率合成器
雷达接收机的主要性能指标 1、灵敏度和噪声系数 Si,min, F 灵敏度受噪声电平的限制 一般采用预选器、低噪声高频放大器和匹配滤波
Si,min： 10－12 ~ 10－14 W
2、选择性和信号带宽 信号带宽：接收机的通频带
噪声
外部（宇宙噪声） 内部（热、闪烁、快拍噪声，等）
干扰
无源（噪声发射机） 有源（箔条）
电磁干扰（EMI）
电视台、移动电话
3
2015/3/13
第一节
雷达接收机的组成和 主要质量指标
保证本振频率与发射频率 差频为中频，实现变频
至终端
超外差接收机的组成
提高灵敏度，降低接收机 噪声系数、热噪声增益
思考：如何提高雷达接收机的灵敏度？
Simin kTBn M T Te TA
Te F 1 TA
T FTA TA T0 290K Simin kT0 FBn M
T FT0
1）尽可能减小接收机的噪声系数或有效噪声温度 2）尽可能减小天线噪声温度
3）接收机选用最佳带宽
天
线
雷达接收机（超外差式） 超外差的定义： 接收机利用一个或多个本振和混频器将 接收到的回波变换成中频
现 代 雷 达 接 收 机 框 图
AGC电路
AFC控制电路
雷达频率源的实现方法 现代的频率源：宽频带、高稳定、能产生复杂波形
1、直接合成频率源 用稳定的晶振作为参考频率源
特点： 频率转换速度快（<10 us）、稳定可靠 输出相位噪声基底低 体积大、成本高 2、间接合成频率源 锁相频率合成器PLL 组成： 高稳晶振参考源、鉴相器 压控振荡器（VCO）、低通滤波器（LPF） 特点： 电路简单、原理复杂
i 1
Fi 1
j
结论：要Fo减小，需Fi 减小，Gi 增大， Gi 影响最大， Fo取决于最前几级，所以要采用低噪声高放。
接收机灵敏度
Si N i F So N o
灵敏度
Simin
So So Si FNi FkT0 Bn N o No So FkT0 Bn N o min
STC电路
近程增益控制电路
作用：防止近程杂波干扰引起的中频放大器过载 原理：每次发射信号后，接收机产生一个与干扰 功率随时间的变化规律相“匹配”的控制 电压，以此控制接收机增益的变化规律。
脉冲体制雷达常由整机时序模块在脉冲重复周期内 的不同距离区间控制放大链路增益来实现。
第二部分
雷达接收机
基本组成： 接收前端、中频接收机、频率源 雷达接收系统框图
4）满足系统性能要求前提下，尽可能减小识别因子M（通过脉冲积累）
21
2015/3/13
习题
已知接收机噪声在输出端的额定功率为0.1W，额定 功率增益为1012，测试带宽为3MHz，求等效输入噪 声温度和接收机噪声系数。 解：
Te= （F-1）To
第三节
AFC电路
接收机的几种附属电路
调谐本振跟踪发射信号频率
N F 1 NiGa
即，将接收机内部 噪声折合成加在输 入端的等效噪声
令 N G kTe Bn a
N
F 1 Ni F 1 kT0 Bn kTe Bn Ga
Te F 1 T0
物理意义： 将接收机内部噪声看成是“理想接收机” 的天线电阻Ra在温度Te时所产生的。 实际噪声温度 TS Te TA
2
物理意义：将色噪声用功率相等的带限白噪声来等效
在雷达接收机中，谐振电路级数较多时，Bn常用3 dB 信号带宽B近似。P55，表3.1
§3.2.2 噪声系数和噪声温度
噪声系数
接收机输入端信号噪声比与输出端信号噪声比之比
Si N i F So N o
式中
Ni kT0 Bn k 1.38 1023 j K T0 290K
6.抗干扰能力 7.微电子化和模块化结构
1.灵敏度：Simin
给定虚警概率 Pfa ，达到指定检测概率Pd 时输入 端的信号功率
Si min Si
Pfa const , Pd const
超外差接收机 Simin=-90～-110 dBm
gain = 120 ~ 160 dB 主要由中频完成
5.工作稳定性和频率稳定度
指当环境变化时，接收机性能参数受到影响的程度。 现代雷达对回波的相参处理要求系统采用频率稳定 度、相位稳定度较高的本振，即“稳定本振”。
6.抗干扰能力
杂波干扰（MTI，MTD）
干扰源 有源干扰 假目标干扰
7.微电子化和模块化结构
MMIC 微波单片集成电路 IMIC 中频单片集成电路 ASIC 专用集成电路
第三章 雷达接收机
单基地脉冲雷达基本组成
发射机 收发开关
同步器
接收机 伺服 信号处理
显示
控制
通过适当的滤波将天线上接收到的微弱高频信号从噪声和干扰 中选择出来，并经放大和检波后，送至显示器、信号处理器或 由计算机控制的雷达终端设备中。
2015/3/13
接收信号
组成分量
目标回波 杂波
表面杂波（地面、海面） 天气杂波（云、雨）
• 色噪声的定量描述
功率谱均匀的白噪声通过具有频率选择性的接收线性 系统后，输出功率谱不再均匀。
Pno ( f )
Pno ( f 0 )
等效噪声功率谱宽度
色噪声功率谱密度 滤波器幅频响应
0
Bn
f
Bn
0
pno ( f )df pno ( f 0 )
H ( f ) df H 2 ( f0 )
带宽越窄，选择性越好，抗干扰能力越差， 采用滤波器组
雷达接收机的主要性能指标（续） 3、稳定性 短期稳定性（ms）和长期稳定性 频率源的稳定性和频谱纯度 幅度和相位的稳定性： 常温稳定性、宽温稳定性、振荡 常温稳定性、宽频带常温稳定性
4、动态范围和接收机的增益
Smin
So G Si
Smax
雷达接收机的主要性能指标（续） 5、抗干扰能力
电阻热噪声在无线电频率范围内为白噪声
额定噪声功率
Z R jX
Z R jX
Sa
N0
Z * R jX
Es
un 2 4kTRBn
Z * R jX
网络匹配时，内噪声在 负载上所形成的功率为
un 2 4kTRBn No kTBn 4R 4R
无源二端网络输出的额定噪声功率只与其温度T 和通带Bn有关
识别系数
So M N o min
Pfa const , Pd const
当接收机输出信号的信噪比达到M时，才能检测出信号。
Simin即令接收机输出信噪比达到M的输入信号功率。
噪声温度
No N F 1 Ni Ga Ni Ga
N Ga F 1 Ni
返回框图
中频部分及AGC：
（1）匹配滤波 （2）AGC
S N
o min
Auto Gain Control 包络检波
视频部分：
（1）检波
（2）放大 线性放大，对数放大，动态范围
返回框图
同步（频）检波（正交两路）
相位检波
• 主要质量指标 1.灵敏度
2.工作频带宽度
3.动态范围 4.中频的选择与滤波特性 5.工作稳定性和频率稳定度
超外差技术特点：灵敏度高、选择性好、工作稳定、中频部 分可标准化等优点。
返回框图
高频部分：
（1）T/R 及保护器：发射机工作时，使接收机输入端 短路，并对大信号限幅保护。
（2）低噪声高放：提高灵敏度，降低接收机噪声系数， 热噪声增益。
（3）Mixer，LD，AFC：保证本振频率与发射频率差 频为中频，实现变频。
3.动态范围 接收机能够正常工作所允许的输入信号强度的 变化范围 刚过载时的Si /Si min，80~120 dB 4. 中频的选择与滤波特性 中频通常选择30MHz～500MHz。 中频的选择还应考虑抑制镜频的效果。 减少接收机噪声的关键是中频的滤波特性。
高频输入 接收机 保护器
低噪高放
混频器
中放
检波器
视放
高频部分
本振
视频部分
发射机工作时，使接收机输入 端短路，并对大信号限幅保护
至质量指标部分
超外差技术
无线电波 选频滤波 混频器
来自百度文库
fIF
滤波
解调
滤波
解调输出
fRF
fL 本振
外差技术:当接收的电波频率fRF变化时，本振频率fL和选频滤 波器的中心频率f0= fRF能够同步改变，从而使fIF固定不变。 超外差技术:当fIF低于fRF而高于信号带宽B时就称为。
JATS（Jamming Analysis and Transmission Selection）： 杂波分析和发射
对数形式
Si N i F 10 lg S N dB o o
噪声系数的物理意义
No F Ni Ga
噪声系数表示由于接收机内部噪声的影响，使接收机输出 端的信噪比相对其输入端的信噪比变差的倍数。
其中，NiGa是输入端噪声通过“理想接收机”后， 在输出端呈现的额定噪声功率。
No N N F 1 1 Ni Ga Ni Ga kT0 BnGa
噪声系数只由接收机本身参数确定
级联电路的噪声系数
整个电路的噪声系数为：
F2 1 F3 1 F0 F1 G1 G1G2
Fn 1 G1G2 Gn1
F0 F1
i 2
n
G
j 1
检测接收机输出信号频率f I ，根据频率偏差产生误差电压 调整本振的混频频率，保证中频稳定不变。
AGC电路
调整接收机的动态范围
动态范围： 接收机能够正常工作的允许的 输入信号的强度范围。
AGC电路的结构
AGC电路的作用
在跟踪雷达中，接收机输出的角误差信号强度 只与目标偏离天线轴的夹角有关，而与目标距离的 远近、目标反射面积的大小等因素无关。为了得到 这种归一化的角误差信号，就需要AGC。 抗干扰，防止强杂波或干扰信号引起接收机饱 和过载。
第二节
接收机的噪声和灵敏度
§3.2.1 接收机的噪声 噪声来源：内部噪声、外部噪声
接收机中的馈线、放电保 护器、高频放大器或混频 器产生
由天线进入接收机的各 种干扰和天线热噪声
电阻热噪声的谱性质
功率谱密度
波尔兹曼常量 测试设备的通带 常数
2 u 噪声电压均方值 n 4kTRBn
p( f ) 4kTR
即，输入噪声Ni 以天线等效电阻 RA在室温T 0 = 290 K 时 产生的热噪声为标准
接收机噪声系数说明框图
RA
So=GaSi
RL
接收机引入噪声
ESi
ENi
Si Ni
接收机 线性电 路Ga
So No
No=GaNi +∆N
Si N i F So N o
F≥1
No N F 1 Ni Ga Ni Ga
雷达频率源的实现方法 3、基于DDS的频率合成器 DDS+PLL
DDS直接频率合成器
雷达接收机的主要性能指标 1、灵敏度和噪声系数 Si,min, F 灵敏度受噪声电平的限制 一般采用预选器、低噪声高频放大器和匹配滤波
Si,min： 10－12 ~ 10－14 W
2、选择性和信号带宽 信号带宽：接收机的通频带
噪声
外部（宇宙噪声） 内部（热、闪烁、快拍噪声，等）
干扰
无源（噪声发射机） 有源（箔条）
电磁干扰（EMI）
电视台、移动电话
3
2015/3/13
第一节
雷达接收机的组成和 主要质量指标
保证本振频率与发射频率 差频为中频，实现变频
至终端
超外差接收机的组成
提高灵敏度，降低接收机 噪声系数、热噪声增益
思考：如何提高雷达接收机的灵敏度？
Simin kTBn M T Te TA
Te F 1 TA
T FTA TA T0 290K Simin kT0 FBn M
T FT0
1）尽可能减小接收机的噪声系数或有效噪声温度 2）尽可能减小天线噪声温度
3）接收机选用最佳带宽
天
线
雷达接收机（超外差式） 超外差的定义： 接收机利用一个或多个本振和混频器将 接收到的回波变换成中频
现 代 雷 达 接 收 机 框 图
AGC电路
AFC控制电路
雷达频率源的实现方法 现代的频率源：宽频带、高稳定、能产生复杂波形
1、直接合成频率源 用稳定的晶振作为参考频率源
特点： 频率转换速度快（<10 us）、稳定可靠 输出相位噪声基底低 体积大、成本高 2、间接合成频率源 锁相频率合成器PLL 组成： 高稳晶振参考源、鉴相器 压控振荡器（VCO）、低通滤波器（LPF） 特点： 电路简单、原理复杂
i 1
Fi 1
j
结论：要Fo减小，需Fi 减小，Gi 增大， Gi 影响最大， Fo取决于最前几级，所以要采用低噪声高放。
接收机灵敏度
Si N i F So N o
灵敏度
Simin
So So Si FNi FkT0 Bn N o No So FkT0 Bn N o min
STC电路
近程增益控制电路
作用：防止近程杂波干扰引起的中频放大器过载 原理：每次发射信号后，接收机产生一个与干扰 功率随时间的变化规律相“匹配”的控制 电压，以此控制接收机增益的变化规律。
脉冲体制雷达常由整机时序模块在脉冲重复周期内 的不同距离区间控制放大链路增益来实现。
第二部分
雷达接收机
基本组成： 接收前端、中频接收机、频率源 雷达接收系统框图
4）满足系统性能要求前提下，尽可能减小识别因子M（通过脉冲积累）
21
2015/3/13
习题
已知接收机噪声在输出端的额定功率为0.1W，额定 功率增益为1012，测试带宽为3MHz，求等效输入噪 声温度和接收机噪声系数。 解：
Te= （F-1）To
第三节
AFC电路
接收机的几种附属电路
调谐本振跟踪发射信号频率
N F 1 NiGa
即，将接收机内部 噪声折合成加在输 入端的等效噪声
令 N G kTe Bn a
N
F 1 Ni F 1 kT0 Bn kTe Bn Ga
Te F 1 T0
物理意义： 将接收机内部噪声看成是“理想接收机” 的天线电阻Ra在温度Te时所产生的。 实际噪声温度 TS Te TA
2
物理意义：将色噪声用功率相等的带限白噪声来等效
在雷达接收机中，谐振电路级数较多时，Bn常用3 dB 信号带宽B近似。P55，表3.1
§3.2.2 噪声系数和噪声温度
噪声系数
接收机输入端信号噪声比与输出端信号噪声比之比
Si N i F So N o
式中
Ni kT0 Bn k 1.38 1023 j K T0 290K
6.抗干扰能力 7.微电子化和模块化结构
1.灵敏度：Simin
给定虚警概率 Pfa ，达到指定检测概率Pd 时输入 端的信号功率
Si min Si
Pfa const , Pd const
超外差接收机 Simin=-90～-110 dBm
gain = 120 ~ 160 dB 主要由中频完成
5.工作稳定性和频率稳定度
指当环境变化时，接收机性能参数受到影响的程度。 现代雷达对回波的相参处理要求系统采用频率稳定 度、相位稳定度较高的本振，即“稳定本振”。
6.抗干扰能力
杂波干扰（MTI，MTD）
干扰源 有源干扰 假目标干扰
7.微电子化和模块化结构
MMIC 微波单片集成电路 IMIC 中频单片集成电路 ASIC 专用集成电路
第三章 雷达接收机
单基地脉冲雷达基本组成
发射机 收发开关
同步器
接收机 伺服 信号处理
显示
控制
通过适当的滤波将天线上接收到的微弱高频信号从噪声和干扰 中选择出来，并经放大和检波后，送至显示器、信号处理器或 由计算机控制的雷达终端设备中。
2015/3/13
接收信号
组成分量
目标回波 杂波
表面杂波（地面、海面） 天气杂波（云、雨）
• 色噪声的定量描述
功率谱均匀的白噪声通过具有频率选择性的接收线性 系统后，输出功率谱不再均匀。
Pno ( f )
Pno ( f 0 )
等效噪声功率谱宽度
色噪声功率谱密度 滤波器幅频响应
0
Bn
f
Bn
0
pno ( f )df pno ( f 0 )
H ( f ) df H 2 ( f0 )
带宽越窄，选择性越好，抗干扰能力越差， 采用滤波器组
雷达接收机的主要性能指标（续） 3、稳定性 短期稳定性（ms）和长期稳定性 频率源的稳定性和频谱纯度 幅度和相位的稳定性： 常温稳定性、宽温稳定性、振荡 常温稳定性、宽频带常温稳定性
4、动态范围和接收机的增益
Smin
So G Si
Smax
雷达接收机的主要性能指标（续） 5、抗干扰能力
电阻热噪声在无线电频率范围内为白噪声
额定噪声功率
Z R jX
Z R jX
Sa
N0
Z * R jX
Es
un 2 4kTRBn
Z * R jX
网络匹配时，内噪声在 负载上所形成的功率为
un 2 4kTRBn No kTBn 4R 4R
无源二端网络输出的额定噪声功率只与其温度T 和通带Bn有关
识别系数
So M N o min
Pfa const , Pd const
当接收机输出信号的信噪比达到M时，才能检测出信号。
Simin即令接收机输出信噪比达到M的输入信号功率。
噪声温度
No N F 1 Ni Ga Ni Ga
N Ga F 1 Ni
返回框图
中频部分及AGC：
（1）匹配滤波 （2）AGC
S N
o min
Auto Gain Control 包络检波
视频部分：
（1）检波
（2）放大 线性放大，对数放大，动态范围
返回框图
同步（频）检波（正交两路）
相位检波
• 主要质量指标 1.灵敏度
2.工作频带宽度
3.动态范围 4.中频的选择与滤波特性 5.工作稳定性和频率稳定度
超外差技术特点：灵敏度高、选择性好、工作稳定、中频部 分可标准化等优点。
返回框图
高频部分：
（1）T/R 及保护器：发射机工作时，使接收机输入端 短路，并对大信号限幅保护。
（2）低噪声高放：提高灵敏度，降低接收机噪声系数， 热噪声增益。
（3）Mixer，LD，AFC：保证本振频率与发射频率差 频为中频，实现变频。