研究与设计 电 子 测 量 技 术 第 卷第 期!" 年 月 /, 雷达差频信号滤波电路设计 王斯盾 刘 鹏 后勤工程学院后勤信息与军事物流工程系重庆 ' 摘 要 理想情况下 $ 雷达差频信号在规则区内是标准正弦信号 但大量实测信号表明 差频信号中含有成分复杂的噪声信号 严重影响了雷达的测距精度 采用模拟滤波器 是滤除这些噪声信号最直接的办法 针对 $ 雷达差频信号信号频带与噪声频带相近的特点 介绍了一种计算简单的模拟椭圆滤波器设计方法 分别设计了椭圆函数低通 高通滤波器 然后通过级联的方式构成带通滤波器 实测实验表明 该方法设计的带通滤波器可以有效地降低噪声干扰 提高 $ 雷达差频信号质量 关键词 $ 雷达 差频信号 椭圆滤波器 滤波电路中图分类号 "' 文献标识码 国家标准学科分类代码 ( ("!! /, + 0./. 0 5 +,2,0.4.4 2, +., E,0.4.4 0.. 0,0.4.+ 0.. 0.9 4. *, 0. 0' *. + # /./ +, /.., 4 * $ +/+ /.2 2 4.0 +.4+4 + /+ /4. 4,./+4.0 +. * 0+ 0., ++ 0,2 +4 /4.0 +44*,; *+ * /.2 2 4.0 +, +. 4, :,.4 4.0 +4;*.*4.,4 +2 4 * + 0. 0+ + (* 4,2+ +,02. 4.4 *,4 /. ;+,2., * 4,.4 4.0 +4(.. 0+ * *+ +.4.4,2 * 2 + /,2$ +/+.44..+, *,.4 + /+ 4. / 4.0 *,/,24. + /..2..4.,/ /(*..2.,,; +44+ /*.0* +442. + / 4.0 / 4.9 + / * * +4+/ *,/.44 /,2, + + / +442. (:. + 4 44*,; *+ *,,4 / + /% +442. + 2.9 / *,.4. 2 + /.,9 * +.,2$ +/+ 2 /.2 4.0 +( $"% $ +/+ /.2 2 4.0 +..2. 2... 引 言线性调频连续波. + 2,/+ /,.,4;+9 $ 雷达是线性调频体制和连续波雷达融合的成果 集成了各自的优点 具有时宽带宽积大 最小测量距离近 测量精度高等优点 常用于汽车 火车防撞 液位 物位测量 近年来 随着无人驾驶技术的迅速发 % 展 $ 雷达作为重要的传感器 应用更加广泛 由 $ 雷达的测距原理可知 差频信号的质量直接决定了 $ 雷达的测距精度 在理想情况下 差频 信号在规则区内是频率时变的标准正弦信号 但是 经过大量的实测 $ 雷达差频信号发现 国内外雷达射频前端的差频信号中都含有成分复杂的噪声信号 由于这些噪声的存在 使整个雷达系统的性能大大降低 并使后端频率估计算法在某些情况下不能正常工作 误判机率较高 %# 因此 必须要对差频信号进行滤波处理 采用模拟滤波器是 $ 雷达滤波去噪最直接有效的办法 常用的模拟滤波器有巴特沃斯 6 ;, * 切比雪夫 * 4* 以及椭圆函数.. 滤波器 其中巴特沃斯和切比雪夫滤波器在无限大阻带处衰减为无限大 巴特沃斯滤波器在通带和阻带都是平稳的 切比雪夫滤波器在通带平坦 阻带等波纹或是阻带平坦 通带等波纹 椭圆函数滤波器在通带和阻带都会产生纹波 在相同的性能要求下 比前两种滤波器需要的阶数更低 而衰减曲线 更陡峭 由文献 可知 $ 雷达差频信号频带与噪声频带往往很近 因此 采用椭圆滤波器是最优的 ' /, 雷达测距原理与噪声分析 '' /, 雷达测距原理在锯齿波调频方式下 $ 雷达发射信号 回波信 收稿日期!"% 基金项目 国家自然科学基金!"# '!" 重庆市自然科学基金!??6-" 资助项目 "
电!子!测!量!技!术! 第 0 卷 号时频图如图 2 所示" 图 2! 发射信号#回波信号时频图 其中!)# /# 分别表示发射信号的调频中心频率#调 频带宽#调频周期! ) # /, 表示锯齿波调频斜率" 在一个调频周期 内!发射 信 号 和 回 波 信 号 的 时 频 图 相似!只是回波信号相对于发射信号有最大为:6;CX 的时延" 由于发射信号在跨越 调 频 周 期 时 具 有 不 连 续 性!有 一 个 很 陡的下降沿!因此 将 一 个 调 频 周 期 分 为 非 规 则 区 时 宽 为 2 (和规则区时宽为 (" / :(# ), %) :,:, ): / :(# ), %) :,:6( :6 #:, %:6!! )C 图 9!2; 处差频信号及其频谱 从图 #图 9 的 雷 达 差 频 信 号 时 域 图 中 可 以 清 楚 地 看 出!差频信号中有严 重 的 三 角 波 调 幅 信 号 干 扰" 在 高 频 部 分!信号的波峰有明 显 的 毛 刺"从 差 频 信 号 频 谱 图 中 也 可 以得知!低频信号的能 量 与 含 有 距 离 信 息 的 差 频 信 号 能 量 几乎一样!同时还有 较 为 明 显 的 谐 波 分 量"此 外 还 有 明 显 2( 的高频分量" ( ) * "6)#[ 雷达差频信号 的 噪 声 主 要 来 自 两 个 方 面 29 % 外部环境噪声和内部系统噪声" :(# ): :(,)C :(# ) :6:6 #:, 9( )/; 在非规则区里!差频信号频率 急 剧 下 降 至!难 以 从 中 提取距离信息 )2*"在规则区里!差 频 信 号 频 率 )/; :(为 一 个单频正弦信号!计算得到公式% 2(外部环境噪声指雷达信号从射频前端到信号处 理 系 统的过程中!天线的热噪声#工业的干扰等"由雷 达 方程 可 知! "6)#[ 雷达测量的距 离 与 差 频 信 号 的 功 率 成 四 次 方 的关系!当测量距离较远时!有用信号都被淹没在噪声 信 号 之中"这部分的噪声一般表现为高斯白噪声" /+ /$ :6 #!! )/; #!:6 #:, 5 0( 式中% $ 为测量距离! 5 为 电 磁 波 速 度"由 式 0(可 知!准 确 地得到差频信号的频率信息对于雷达测距精度至关重要" (内 部 系 统 噪 声 一 般 指 "6)#[ 雷 达 接 收 机 和 发 射 机同时工作时!发 射 机 的 信 号 泄 露 到 接 收 机 产 生 的 噪 声" 虽然 "6)#[ 雷达发射功率较低!但 是 如 果 收 发 间 不 能 完 善隔离!回波信号将 淹 没 在 泄 露 的 发 射 信 号 当 中"这 部 分 9! 差频信号的实测与噪声分析 本设计采 用 业 界 常 用 的 K 波 段 雷 达 射 频 前 端!德 国 的噪声一般表现为 三 角 波 信 号 泄 漏"此 外!部 分 传 统 信 号 ( <<D J< 公司生产的(`+ 2]4!以测量 距 离? ; 和 2 ; 为 例!测得?; 处差频信号 及 其 频 谱 如 图 所 示! 2 ; 处 差 产生功率 起 伏 和 线 性 度 不 高 的 现 象!同 样 也 会 产 生 一 些 频信号及其频谱如图 9 所示" 源采用压控 振 荡 器 `#(!由 于 其 本 身 结 构 上 的 缺 陷!会 噪声 )20*" 采用模拟滤波器是工业中雷达差频信号去噪的常 用 方 法"本设计根据差频信号特点!搭建模拟滤波器!滤 除高 频 噪声信号和低频泄漏三角波信号" 椭圆滤波器的设计 根据 "6)#[ 雷达的实际需求!本文 设 计测 距 范 围 为?! ;"调 制信 号为 锯 齿波 信号!由于 为近 距 离测 量!选 用调制信号频 率为 4? -=!调 制电 压 为 99!9@ 42`!对 应的射频前端(`+ 2]4 发射频率为 0@!0@ 24^.-=! 由此可知调频带宽为 2?^ )-="由 式 0(可 计 算 得 到 差 频 信号的频率范围 在 9@?!24\-="此 外!差 频 信 号 与 噪 声 图!?; 处差频信号及其频谱 + 4] + 信号最大功率差约为 GT)2?*"
"6)#[ 雷达差频信号滤波电路设计!!!!!!!! 王斯盾 等$ 设计滤波器性能指标如下% 2(通 带 截 止 频 率%分 别 为 )PS # 9? \-= 和 )PK # $ 24\-= (阻 带 截 止 频 率%分 别 为 )*S #? \-= 和 )*K # $ \-= 9(通带波纹# 小于 GT$ 0(阻带衰减大于 GT$?(特征阻抗为 #" 由以上性能指标 可 知!这 是 一 个 带 通 滤 波 器" 带 通 滤 第 2 期 所示" 表 9! 归一化元件值与去归一化元件值 元器件名称 归一化元件值 去归一化元件值 2,<6,<6 292?]@ 9 902 25@ ]9 9,<6 0,<6 ]2995 4??@ 9 4202^ 990@ 92 ^2442 9^@ 44 波器一般由低通滤波器转为带通滤波器和低通滤波 器 与高?,<6 2,;- 2?29 2 通滤波器级联两种 设 计 方 式 )2]*" 本 文 采 用 一 个 截 止 频 率,;- 4]549 20 为 24\-=的低通滤波器和一 个 截 止 频 率 为 9@?\-=的 高 通滤波器级联而成" 9! 低通滤波器的设计 步骤 2%确定滤波器阶数 利用 )I U F F; 对设计的滤波器 进 行仿 真 实 验!搭 建 电 路及仿真结果如图? 所示!为了真实反映实际电 路情 况!仿 真电路采用与计算结果近似的常用的元件值",2 计算本设计的陡度系数%(* #)*K,)5 # 4 # 22 ^"反射系数% 2%#(# 槡, 2%(# #, /# 槡 对应的通带纹波为 2 5]_! 2^GT"查阅椭圆滤波器阶数 表可知!估 算 得 到 椭 圆 滤 波 器 最 小 阶 数 2 a? 即 可 满 足 设 计要求" 步骤 %选择归一化滤波器 满足设计要求的 归 一 化 低 通 滤 波 器 有 ' 型 和 型 两 种形式!如图 0 所 示!但 考 虑 到 实 际 应 用 的 电 路 调 试 过 程 中!电感的价格比电容 高!体 积 比 电 容 大!容 差 也 远 远 大 于 电容的容差"因此!电路 设 计 中 一 般 采 用 较 少 的 电 感 如 图 0 C(所示" 图?! 低通滤波器电路及幅频特性曲线 高通滤波器的设计 步骤 2%确定滤波器阶数 计算本设计的陡度系数%(* #)5,)*S #9?,?# 图 0! 归一化低通滤波器 步骤 9%计算去归一化元件值 查表得到归一化的电容和电 感 值!再 用 Na# 和 频 率标 度 系 数 6+6 ')5(进 行 去 归 一 化!去 归 一 化 原 则 为%,X;X! Z # VN( Z #, X;X VN(" 归一化元件值和计算得到的去归一化元件值如表 2 20!反射系数% 2%#(# 槡, 2%(# #, /# 槡 ) 2* 25]_!对应的通带纹波为 2^GT!由文献 可知估算得 到椭圆滤波器最小阶数 2 a? 即可满足设计要求" 步骤 %选择归一化滤波器 模拟高通滤 波 器 与 低 通 滤 波 器 的 网 络 结 构 具 有 对 称 性!把每个电感 -(转 换 成 数 值 为 2, 6(的 电 容!把 每 个电容 6(转换为数值为 2,-(的 电 感!利 用 元 件 值 的 + 44 +
电!子!测!量!技!术! 第 0 卷 倒数可以归 一 化 "# 低 通 滤 波 器 变 换 为 相 应 的 高 通 滤 波 器!信号源内阻和端接电阻不变!同时考虑使用尽量 少 的电 感!得到的滤波电路如图 ] 所示" 图 ]! 低通到高通归一化滤波器的变换 步骤 9%计算去归一化元件值 查表得到归一化元件值!再 用 Ba# 和 频 率 标 度 系 VN! 原则进行 数 6+6 ')5(!以及 Z# Z# X;X VN X;X 图 4! 高通滤波器电路及幅频特性曲线 去归一化" 计算得到的去归一化元件值如表 所示" 表 归一化元件值与去归一化元件值 元器件名称 归一化元件值 2,"6,"6 去归一化元件值 49 9@ 50 2 550 4@ ] 9,"6 0,"6 ]^?5?]?@?5^ 2@ 4?,"6 2,;- 44? 4] ^?] 49,;- 490^ ]4 利用 )I U F F; 进行仿真实验!搭 建 电 路 及 仿 真 结 果 如 图 4 所示!为了真实反映实际电路情况!仿真电路 采 用 与 计 算结果近似的常用的元件值" ;! 带通滤波器的设计与测试 通过低通滤波器与高通滤波器级联的方式设计 的 带 通 滤波器如图 ^ 所示" 将此滤波器嵌入 "6)#[ 雷达 信 号 采 集 系 统 中!滤 波 后得到目标在?; 处信号频谱如图 5 所示!在 2; 处信号 图 ^! 带通滤波器电路及幅频特性曲线 频谱如图 2 所示" 由滤波前? ; 和 2 ; 处差 频 信 号 频 谱 与 滤 波 后? ; 和 2; 处差 频信号频谱作对比 可 知!滤波 前? ; 和 2 ; + 4^ + 处差频信号低频部分 三 角 波 泄 漏 信 号 干 扰 明 显!难 以 判 断 有用的回波信号"滤波后?; 和 2 ; 处 低 频 部 分 的 干 扰
王斯盾等 $ 雷达差频信号滤波电路设计 第 期 图 # 滤波后 处信号频谱图 滤波后 处信号频谱已经基本消除 高频部分噪声也得到了有效抑制 结 论通过分析实测 $ 雷达差频信号与理论分析差频信号噪声来源 发现差频信号中有明显的三角波泄漏问题 本文采取实际应用过程中常用的方法 搭建模拟带通滤波器 滤除低频部分的泄露三角波信号 得到了较为干净的距离信息频谱 同时也抑制了高频的噪声 提高了信号的信噪比 由于搭建模拟电路方法的自身的局限性 只能最大程度地消除或降低各种干扰和噪声及由这些干扰噪声引起的不确定性 因此要得到高精度的距离信息 最大程度地消除噪声 仍需要考虑采用数字信号处理技术这一强有力的工具 参考文献 ) ( + 0 +. 04 4 4. 04 4, 4,2.,/+.. 4 8 ( +., + 8, +,2 < *.,,,4 4 4!' ' %(! 靳璐 付梦印 王美玲 等 ( 基于视觉和毫米波雷达的车辆检测 8 ( 红外与毫米波学报!'' %" ( ' 骆云志 雷雨能 王钤 ( 基于毫米波雷达和 5 摄像机信息的 5% 融合方法 8 ( 数据采集与处理!!# % '( 戚昊琛 胡智文 张鉴 ($ 雷达系统的双模方向判断模块研究 8 ( 电子测量与仪器学报!! %#!( 肖玮 涂亚庆 刘良兵 等 ( 多段同频正弦信号频谱融合的 $ 雷达测距算法 8 ( 仪器仪表学报!''#%'( 蔡潇 陈敬军 ( 高灵敏度大动态范围船用导航雷达对数中频放大器设计 8 ( 雷达与对抗! % #( " 戚昊琛 张鉴 高伟清 等 ($ 雷达测距系统的中频信号处理电路设计 8 ( 仪表技术与传感器!!#%'!( 张鉴 戚昊琛 高伟清 等 ( 汽车主动防撞系统的中频信号处理模块 8 ( 电子器件! ' % #( # 汪红 张杰 张大彪 ( 调频连续波 $ 雷达信号调理电路 8 ( 仪表技术与传感器!! %"( 陈实 艾春森 何轲 等 ( 一种 控制的低噪声水声接收机 8 ( 国外电子测量技术! '# "%" ( 刘贵如 周鸣争 陈效华 等 ( 基于连续波毫米波雷达的车辆开门防撞预警技术 8 ( 江苏大学学报 自然科学版! ' '% (! 沈艳林 涂亚庆 刘鹏 等 ( 非整周期采样信号频率估计的相频匹配方法 8 ( 仪器仪表学报! '!!%!! ( ' 宋铖 ($ 雷达物位计收发前端的设计 5 ( 成都 电子科技大学! ( 8 (. <,. +.,., +0,. * +4 /, 5. $ +/+ 4 4 8 (,.4 4!! " % ( 陈天琪 杨浩 戴志伟 (! $ 车载测距雷达系统设计 8 ( 电子技术应用!!! '"%( 杨茂辉 徐军 赵青 等 ( 一种新型小型化宽阻带低通滤波器设计 8 ( 微波学报!! % ( 作者简介王斯盾 ##' 年出生 硕士研究生 主要研究方向为智能检测与智能控制 % +./+ (.9 (, "#