雷达接收机技术基本理论.pptx

《雷达接收机技术基本理论.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《雷达接收机技术基本理论.pptx（68页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。

1、内容1.噪声特性；2.采样定理；3.频率稳定度。第1页/共68页 1.雷达接收机的噪声特性 1）噪声的概率特性第2页/共68页 1.雷达接收机的噪声特性 1）噪声的概率特性第3页/共68页 1.雷达接收机的噪声特性 1）噪声的概率特性第4页/共68页 1.雷达接收机的噪声特性 1）噪声的概率特性第5页/共68页 1.雷达接收机的噪声特性 1）噪声的概率特性第6页/共68页 （1）电阻热噪声 它是由于导体中自由电子的无规则热运动形成的噪声。因为导体具有一定的温度,导体中每个自由电子的热运动方向和速度不规则地变化,因而在导体中形成了起伏噪声电流,在导体两端呈现起伏电压。根据奈奎斯特定律,电阻产生的

2、起伏噪声电压均方值(3.2.1)1.雷达接收机的噪声特性 2）接收机的噪声和噪声系数第7页/共68页式中，k为玻尔兹曼常数,k=1.3810-23J/K;T为电阻温度,以绝对温度(K)计量,对于室温17,T=T0=290K;R为电阻的阻值;Bn为测试设备的通带。式(3.2.1)表明电阻热噪声的大小与电阻的阻值R、温度T和测试设备的通带Bn成正比。电阻热噪声的功率谱密度p(f)是表示噪声频谱分布的重要统计特性,其表示式可直接由式(3.2.1)求得 p(f)=4kTR(3.2.2)显然,电阻热噪声的功率谱密度是与频率无关的常数。通常把功率谱密度为常数的噪声称为“白噪声”,电阻热噪声在无线电频率范围

3、内就是白噪声的一个典型例子。第8页/共68页图3.7 噪声带宽的示意图 第9页/共68页噪声带宽 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,输出的功率谱pno(f)就不再是均匀的了,如图3.7的实曲线所示。为了分析和计算方便,通常把这个不均匀的噪声功率谱等效为在一定频带Bn内是均匀的功率谱。这个频带Bn称为“等效噪声功率谱宽度”,一般简称“噪声带宽”。因此,噪声带宽可由下式求得:(3.2.7)即 式中,H2(f0)为线性电路在谐振频率f0处的功率传输系数。第10页/共68页 （2）天线噪声 天线噪声是外部噪声,它包括天线的热噪声和宇宙噪声,前者是由天线周围介质微粒的热运动产生的噪

4、声,后者是由太阳及银河星系产生的噪声,这种起伏噪声被天线吸收后进入接收机,就呈现为天线的热起伏噪声。天线噪声的大小用天线噪声温度TA表示,其电压均方值为 式中,RA为天线等效电阻。第11页/共68页 天线噪声温度TA决定于接收天线方向图中(包括旁瓣和尾瓣)各辐射源的噪声温度,它与波瓣仰角和工作频率f等因素有关,如图3.6所示。图中天线噪声温度TA是假设天线为理想的(无损耗、无旁瓣指向地面),但是大多数情况下必须考虑地面噪声温度Tg,在旁瓣指向地面的典型情况下,Tg=36 K,因此修正后的天线总噪声温度为 由图3.6可以看出,天线噪声与频率f有关,它并非真正白噪声,但在接收机通带内可近似为白噪声

5、。毫米波段的天线噪声温度比微波段要高些,22.2GHz和60GHz的噪声温度最大,这是由于水蒸气和氧气吸收谐振引起的。第12页/共68页图3.6 天线噪声温度与频率波瓣仰角的关系第13页/共68页 （3）接收机的噪声 1.雷达接收机的噪声特性 2）接收机的噪声和噪声系数第14页/共68页（4）噪声系数和噪声温度 1.噪声系数 噪声系数的定义是:接收机输入端信号噪声比与输出端信号噪声比的比值。噪声系数的说明见图3.8。根据定义,噪声系数可用下式表示:(3.2.9)式中,Si为输入额定信号功率;Ni为输入额定噪声功率(Ni=kT0Bn);So为输出额定信号功率;No为输出额定噪声功率。第15页/共

6、68页图3.8 噪声系数的说明图第16页/共68页 噪声系数F有明确的物理意义:它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。式(3.2.9)可以改写为(3.2.10)式中，Ga为接收机的额定功率增益;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。因此噪声系数的另一定义为:实际接收机输出的额定噪声功率No与“理想接收机”输出的额定噪声功率NiGa之比。第17页/共68页 实际接收机的输出额定噪声功率No由两部分组成,其中一部分是NiGa(NiGa=kT0BnGa),另一部分是接收机内部噪声在输出端所呈现的额定噪声功率N,即 No=

7、NiGa+N=kT0BnGa+N 将No代入式(3.2.10)可得(3.2.11)(3.2.12)从上式可更明显地看出噪声系数与接收机内部噪声的关系,实际接收机总会有内部噪声(N0),因此F1,只有当接收机是“理想接收机”时,才会有F=1。第18页/共68页 下面对噪声系数作几点说明:噪声系数只适用于接收机的线性电路和准线性电路,即检波器以前部分。检波器是非线性电路,而混频器可看成是准线性电路,因其输入信号和噪声都比本振电压小很多,输入信号与噪声间的相互作用可以忽略。为使噪声系数具有单值确定性,规定输入噪声以天线等效电阻RA在室温T0=290K时产生的热噪声为标准,所以由式(3.2.12)可以

8、看出,噪声系数只由接收机本身参数确定。第19页/共68页 噪声系数F是没有单位的数值,通常用分贝表示 F=10 lg F(dB)(3.2.13)噪声系数的概念与定义,可推广到任何无源或有源的四端网络。接收机的馈线、放电器、移相器等属于无源四端网络,其示意图见图3.9,图中Ga为额定功率传输系数。由于具有损耗电阻,因此也会产生噪声,下面求其噪声系数。从网络的输入端向左看,是一个电阻为RA的无源二端网络,它输出的额定噪声功率为(3.2.14)第20页/共68页图3.9 无源四端网络第21页/共68页经过网络传输,加于负载RL上的外部噪声额定功率为(3.2.15)从负载电阻RL向左看,也是一个无源二

9、端网络,它是由信号源电阻RA和无源四端网络组合而成的,同理,这个二端网络输出的额定噪声功率仍为kT0Bn,它也就是无源四端网络输出的总额定噪声功率,即(3.2.16)根据式(3.2.10)可得(3.2.17)由于无源四端网络额定功率传输系数Ga1,因此其噪声系数F1。第22页/共68页 2.等效噪声温度 前面已经提到,接收机外部噪声可用天线噪声温度TA来表示,如果用额定功率来计量,接收机外部噪声的额定功率为 NA=kTABn(3.2.18)为了更直观地比较内部噪声与外部噪声的大小,可以把接收机内部噪声在输出端呈现的额定噪声功率N等效到输入端来计算,这时内部噪声可以看成是天线电阻RA在温度Te时

10、产生的热噪声,即 N=kTeBnGa(3.2.19)温度Te称为“等效噪声温度”或简称“噪声温度”,此时接收机就变成没有内部噪声的“理想接收机”,其等效电路见图3.10。第23页/共68页图3.10 接收机内部噪声的换算 第24页/共68页将式(3.2.19)代入式(3.2.12),可得(3.2.20)Te=(F-1)T0=(F-1)290(K)(3.2.21)此式即为噪声温度Te的定义表示式,它的物理意义是把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,此时实际接收机变成如图3.10所示的“理想接收机”。第25页/共68页 图中TA为天线噪声温度。系统噪声温度Ts由内

11、、外两部分噪声温度所组成,即(3.2.22)表3.2给出Te与F的对应值。从表中可以看出,若用噪声系数F来表示两部低噪声接收机的噪声性能时,例如它们分别为1.05和1.1,有可能误认为两者噪声性能差不多。但若用噪声温度Te来表示其噪声性能时,将会发现两者的噪声性能实际上已相差一倍(分别为14.5 K和29.K)。此外,只要直接比较Te和TA,就能直观地比较接收机内部噪声与外部噪声的相对大小。因此,对于低噪声接收机和低噪声器件,常用噪声温度来表示其噪声性能。第26页/共68页表3.2 Te与F的对照表 第27页/共68页 3.级联电路的噪声系数 为了简便,先考虑两个单元电路级联的情况,如图3.1

12、1所示。图中F1、F2和G1、G2分别表示第一、二级电路的噪声系数和额定功率增益。为了计算总噪声系数F0,先求实际输出的额定噪声功率No。由式(3.2.10)可得 No=kT0BnG1G2F0 而(3.2.24a)(3.2.24b)第28页/共68页图3.11 两级电路的级联 第29页/共68页No由两部分组成:一部分是由第一级的噪声在第二级输出端呈现的额定噪声功率No12,其数值为kT0BnF1G1G2,第二部分是由第二级所产生的噪声功率N2,由式(3.2.12)可得 N2=(F2-1)kT0BnG2(3.2.25)于是式(3.2.24)可进一步写成 No=kT0BnG1G2F0=kT0Bn

13、G1G2F1+(F2-1)kT0BnG2 化简后可得两级级联电路的总噪声系数(3.2.26)第30页/共68页同理可证,n级电路级联时接收机总噪声系数为(3.2.27)上式给出了重要结论:为了使接收机的总噪声系数小,要求各级的噪声系数小、额定功率增益高。而各级内部噪声的影响并不相同,级数越靠前,对总噪声系数的影响越大。所以总噪声系数主要取决于最前面几级,这就是接收机要采用高增益低噪声高放的主要原因。第31页/共68页图3.12 典型雷达接收机的高、中频部分 第32页/共68页 将图3.12中所列各级的额定功率增益和噪声系数代入式(3.2.27),即可求得接收机的总噪声系数:(3.2.28)一般

14、都采用高增益(GR20dB)低噪声高频放大器,因此式(3.2.28)可简化为(3.2.29)若不采用高放,直接用混频器作为接收机第一级,则可得(3.2.30)式中 tc为混频器的噪声比,本振噪声的影响一般也计入在内。第33页/共68页 若接收机的噪声性能用等效噪声温度Te表示,则它与各级噪声温度之间的关系为(3.2.31)第34页/共68页连续时间信号的处理往往是通过对其采样得到的离散时间序列的处理来完成的。1、信号被抽样后频谱如何变换？2、什么情况下，可以从抽样信号中不失真地恢复出原来信号？2.采样定理 第35页/共68页1.实际抽样与理想抽样第36页/共68页2.理想采样信号的频谱我们首先

15、看看通过理想采样后信号频谱发生了什么变化。第37页/共68页傅氏变换仍为冲激序列导致频域周期延拓最高截止频率为c1/T回答问题1回答问题2第38页/共68页 抽样信号 的频谱为周期性信号，其周期为当 将在 发生频率混叠 或 1、信号被抽样后频谱如何变换？第39页/共68页由此得出 由于 所以 第40页/共68页 根据傅氏级数的知识，系数ak可以通过以下运算求得 利用了以下关系:因而 第41页/共68页根据冲激函数的性质，可得 或者 第42页/共68页抽样的恢复第43页/共68页(1)对连续信号进行等间隔采样形成采样信号，采样信号的频谱是原连续信号的频谱以采样频率为周期进行周期性的延拓形成的奈奎

16、斯特取样定理称为折叠频率(2)设连续信号xa(t)属带限信号，最高截止频率为c，如果采样角频率s2c，那么让采样信号xa(t)通过一个增益为T，截止频率为s/2的理想低通滤波器，可以唯一地恢复出原连续信号xa(t)。否则s=2(f H-f L)=2B 的最大整数(0,1,2,)，则用fs 进行等间隔采样所得到的信号采样值 x(nTs)能准确的确定原信号x(t)。第54页/共68页注意：1）上述采样定理的适用前提条件是：只允许在其中的一个频带上存在信号，而不允许在不同的频带上同时存在信号，否则将引起混叠。2）为了能使用最低采样速率即：f S=2B，带通信号的中心频率必须满足 即信号的最高频率加上

17、最低频率是带宽的整数倍。第55页/共68页3）带通采样的结果是把位于(nB,(n+1)B)(n=0,1,2.)不同频带上的信号，都挪位于 (0,B)上相同的基带信号频谱来表示，但是当 n 为奇数时，其频率对应关系是相对于中心频率“反折”的，即奇数通带上的高频分量对应基带上的低频分量，奇数通带上的低频分量对应基带上的高频分量。第56页/共68页带通信号采样的频率对应关系第57页/共68页 3.频率稳定度 第58页/共68页频率稳定度 频率稳定度是指在一定时间间隔内，信号源在规定的时间内频率的相对变化，所以实际上是频率不稳定度，它表征频率源维持其工作于恒定频率上的工作能力。影响频率稳定度因素：系统

18、误差和随机误差。信号源厂商给出的频率稳定度所对应的统计时间为15min24h。测量频率稳定度具体方法：首先规定频率变化对应的时段 ，在大于或等于 的时间 内，以明显小于 的时间间隔 测出信号源的输出频率并绘出变化曲线。第59页/共68页频率稳定度第60页/共68页 衡量频率稳定程度时还常用到基本上只考虑系统误差影响的老化率和基本上只考虑随机误差影响的阿仑方差。短期频率稳定度的时域表示方法第61页/共68页阿仑（Allan）方差 阿仑（Allan）方差是反映频率在很短时间内变化的常用指标。由于考虑的时间间隔很短，以致系统误差引起的频率漂移可以忽略不计，所以它只考虑了频率的随机变化。阿仑方差是讨论

19、m组相邻测量时间为的频率值之差异。期中每组都是在两相邻时间内测得，因此又称为双取样测量。其测量值分别为fi1及fi2，其中i表示第i组，fi1表示该组第一个时间内的测量值，实际上是第一个时间内频率的平均值，fi2是该组第二个时间内的测量值。根据第二章求方差估计值的公式（2-20a），代入条件n=2，可求得该组两数据的方差估计值第62页/共68页 该方差越小，说明该组两数据离散性越小，即时间频率变化越小。但是讨论频率的随机变化不能用一组数据来说明，因此，定义阿仑方差为m组双取样方差平均值方根的相对值，即第63页/共68页第64页/共68页短期频率稳定度的频域表示方法第65页/共68页相位起伏谱密度的幂律谱表示方法第66页/共68页频率稳定度与雷达改善因子的关系第67页/共68页感谢您的观看！第68页/共68页