1.3　宽带数字接收机在被动雷达中的作用

接收机通常是用来截获雷达信号的，宽带数字接收机作为雷达信号侦察与接收的关键部分，在现代各类雷达接收系统中得到了广泛应用，尤其是在被动雷达系统领域，宽带数字信道化接收机是各类反辐射导弹的重要组成部分，成为被动雷达接收机研究的热点。

图1.22为一个n通道宽带数字信道化接收机设计的实例，其为广义的数字接收机，接收机主要由ADC、FPGA和DSP三大核心器件组成。ADC完成宽带中频信号的采集，FPGA实现对实时接收的ADC数据的实时处理，DSP完成接收机的时序控制、测向、雷达信号分选等复杂的信号处理功能。

1.3.1　宽带数字接收机功能

狭义的宽带数字接收机主要指ADC及FPGA实现部分，本书的内容及理论更多的是为FPGA实现部分提供基础。对于广义数字接收机的工作时序控制、信号分选、威胁等级评估，这部分功能一般主要依靠微处理器来实现，同时包括微波、天线部分的实现，本书不再阐述，相应内容可以参考其他参考书。

每个ADC可以为多通道采样，图1.22中的ADC即为双路ADC，ADC配置成需要保持n路ADC同步工作，采样后的n路数字信号数据进入FPAG。FPGA完成数字信道化、数据实时存储、信号检测、雷达PDW形成等功能，也包括实时的信号类型识别以及通道间相位差的测量甚至单脉冲实时测角等功能。

因此，宽带数字接收功能主要是完成信号的宽带接收，保证信号所处带宽无盲区全覆盖，完成信号检测和参数测量。通常接收机都采用信道化处理，其目的是在宽带接收后实现信号的窄带处理，同时信道化接收有利于提高信号的输出信噪比，利于信号检测；另外，宽带数字接收机还需要测量信号脉冲的相关信息参数，例如，脉冲幅度（PA）、脉冲宽度（PW）、脉冲重复周期（PRI）、到达时间（TOA）、载波频率（CF）以及到达角（AOA）等，在某些特定场合，还需要对输入信号的极化方式进行检测。

宽带数字接收机还需要满足以下要求。

（1）近实时的反应能力。接收机在截获到一个脉冲后，通常要在几微秒内或更低，测量好信息并输出给电子战处理机。

（2）能处理同时到达的信号。如果一个以上的脉冲在同一时间内到达接收机，那么该接收机应该能获得所有这些脉冲的信息。

（3）对微弱信号的检测能力。在复杂的电磁环境下，接收机应能检测出包含在干扰中的有用雷达信号，尤其是恶劣条件下的LPI雷达信号检测能力。

（4）接收机的灵敏度和动态范围必须有一个合适的折中点。灵敏度越高，检测微弱信号的能力越强，检测的雷达距离也就越远，可以为导弹及侦察系统提供更长的反应时间。具有大动态范围的接收机可以无失真地接收同时到达信号，同时实现更长距离的信号侦收；要根据使用场景来选取合适的参数。

总结一下，宽带数字接收机的功能主要包括以下内容。

（1）数字接收采集功能。利用高速ADC实现雷达数据的高速采集，从而进一步实现信号的存储、回放、事后分析功能。

（2）提高系统灵敏度。利用宽带数字接收灵活的数字滤波器设计及信号处理，提高宽带接收后的信号处理的SNR，进而提高系统灵敏度。

（3）参数测量功能。实现信号检测与提取，实现脉宽、载频、到达时间、DOA等参数测量，进一步组合成PDW，为系统的下一步信号分选提供数据支持。

（4）信号处理识别功能。实时的信号识别功能是未来接收机发展的重要技术方向，而不再停留于简单的载频、脉宽等参数测量，包括实现脉内调制分析，给出脉内调制参数，如信号调频斜率、带宽、子码周期、编码序列、时宽积等。这些信息可以为电子侦察的信号分选提供新一维的特征参数，也可为当前复杂调制的LPI等的识别与分选提供手段。进一步可以提取信号的指纹特征，实现辐射源的个体识别。

1.3.2　宽带数字接收机对系统灵敏度的影响

接收机的灵敏度与很多参数有关，如噪声系数、信号带宽、信号处理的信噪比等。一般来说，灵敏度数值越低，灵敏度越高，表示其接收微弱信号的能力就越强；但相应地也容易受到干扰信号的影响。对于宽带数字接收机系统而言，接收系统的灵敏度只要能满足相应的指标要求即可，过度追求高的灵敏度在某些场合可能适得其反。宽带数字接收机常用的灵敏度分为以下几种。

1．最小可辨信号

将连续波信号输入接收机的输入端，输出功率等于无信号噪声功率的两倍时，信号功率成为最小可辨信号。

2．切线灵敏度

若在某一输入脉冲功率电平作用下，接收机输出端输出脉冲顶上的噪声底部与基线噪声的顶部在一条线上（相切），则称这个输入脉冲信号功率为切线灵敏度。

在图1.23中，为脉冲信号振幅，为无信号处的噪声带的高度，为有信号处噪声带的高度。

切线灵敏度的测试是在示波器中输出波形，所以信号电平的测量不可能很精确，通常在平均值附近±1～±2 dB范围摆动。尽管如此，切线灵敏度仍然被广泛用来作为衡量各种接收机检测微弱信号能力的比较标准。下面计算切线灵敏度所对应的视频输出信噪比。

噪声电压峰-峰值（噪声带的高度）和噪声电压有效值之比为确定的常数（峰值系数），即

式中，、分别为、的有效值。由于检波器的非线性作用，有信号时的一部分功率为噪声功率，故>，而信号电压为

又因功率和电压有效值之间关系为

式中，、分别为基线部分和抬高部分的噪声功率；为信号功率；为检波器视频输出电阻。综合可得

如果忽略与之间的差异，得

对高斯白噪声，=2.5，则=6.25，约为8 dB。由此可见，处于切线状态的视频输出信噪比近似为8 dB。切线灵敏度用来比较各种接收机检测脉冲信号的能力。对于现在的接收机，若可保证在切线灵敏度处检出和跟踪信号，则可以在切线灵敏度处认为信噪比为8 dB左右。

3．工作灵敏度

接收机的输入端在脉冲信号的作用下，其输出信号与噪声功率比为14 dB时，输入功率称为工作灵敏度。一般信噪比在10～20 dB之间，认为信号较“干净”，接收机可正常工作，这里14 dB为典型取值。

4．检测灵敏度

在给定的虚警概率条件下，获得一定的单个脉冲发现所需的输入功率称为检测灵敏度。

5．通用灵敏度

当接收机输出信噪比为终端设备正常工作所必需的功率时，最小的信号功率称为通用灵敏度。若以通用灵敏度计算，则当信号功率等于通用灵敏度时，可以认为信噪比为，即识别系数为。

对于宽带雷达接收机来说，接收机灵敏度表示接收机检测微弱信号的能力，因此，其灵敏度用接收机输入端的最小可检测信号功率即通用灵敏度来表示，计算公式为

其中，：最小可检测信号功率；

k：玻尔兹曼常数，(J/K)；

：热力学温度，室温取=290K；

：噪声通频带，近似为接收机带宽，对于雷达宽带接收机，一般单位为兆赫兹（MHz）；

：接收机噪声系数；

：保证检测所需的中频输出信噪比，又称为识别系数。

若用分贝毫瓦（dBmW）计算，被动雷达接收机通用灵敏度公式为

当=0 dB时，称此时的灵敏度为临界灵敏度，即，有公式如下

由此可以看出，为了提高接收灵敏度，可从三方面考虑。

（1）应尽量降低噪声系数。噪声系数是指接收端信号噪声比与输出端信号噪声比的比值，它表示接收机内部噪声的影响使接收机输出端的信噪比相对于其输入端的信噪比变差的倍数。其公式为

其中，分别为接收机输入端信号和噪声的功率，分别为接收机输出端信号和噪声的功率。在实际工程中，要考虑的是级联电路的噪声系数。系统噪声系数运算公式为

其中，分别表示该射频链路中每一个器件的噪声系数，当很大时，总噪声系数基本上取决于。也就是说，在第一个放大器前面使用的所有带插损的微波器件都将对总噪声系数造成不利影响，而在高增益放大器后面的所有器件对噪声系数影响较小。因此，射频接收链路通常在最前端采用高增益的低噪声放大器进行信号放大。

以图1.24为例，可以计算单通道接收机的，其典型参数为

● 天线到微波前端传输线衰减1.5 dB。其一般主要由天线与微波的接口衰减决定。

● 双态衰减器损耗2 dB。一般双态衰减器用于被动雷达调整其惯性动态范围，从而增加被动雷达接收机的动态范围。

● 单刀双置开关的衰减为1.5 dB。一般多通道的有测向功能的接收机会设置此单刀双置开关，一路用于接收外部信号，另一路用于接收校准信号，实现通道相位校准。

● 超低噪声放大器。其噪声系数为1.5 dB，放大增益为=15 dB。

因此，该接收机噪声系数为

（2）应尽量降低识别系数。即提高算法性能，实现低信噪比下的信号处理。

（3）应尽量减小处理带宽。采用数字信道化是减小处理带宽的有效途径，即将瞬时宽带信号转换为窄带信号来处理。

设信道化后的带宽为40 MHz，则，噪声系数预估；设；接收天线对于被动侦察一般是宽带天线，因此其增益可按0 dB考虑。代入公式，得接收机灵敏度为

对于被动雷达宽带侦收系统的接收机，设计灵敏度一般会优于。

对于给定的被动雷达导引头，只有当加到导引头天线处的信号功率大于系统灵敏度，即

时，此信号才能被正常接收，并进行后续处理。式中，为目标雷达发射功率，为目标雷达天线增益，为目标雷达信号波长，为目标雷达到导引头天线口面的距离，为总的损耗（包括大气损耗等），Gr为宽带接收机天线增益。

假设目标雷达发射的平均功率为540 kW、（57.3 dBmW或87.3 dBmW）发射无线增益Gt为40 dB，接收天线一般为宽带天线，取Gr=0 dB计算；信号按典型C波段考虑，目标雷达信号发射损耗与大气损耗共计4.7 dB，即。在接收机灵敏度的条件下，反推目标雷达到导引头天线口面的距离，可得作用距离大于300 km。