单脉冲雷达锁相环频率合成器断锁估计的实验和仿真方法

工程科学与技术，国际期刊19（2016）22完整文章单脉冲雷达用锁相环频率合成器的断锁估计：实验和仿真方法Harikrishna Paika，*，N.N.萨斯特里湾萨帕巴ca印度安得拉邦维贾亚瓦达的V R悉达多工程学院电子和仪器工程系b印度安得拉邦维杰亚瓦达，V R悉达多工程学院研发楼c印度安得拉邦卡基纳达J N T大学电子和通信工程系A R T I C L E I N F O A B S T R A C T文章历史记录：2015年5月9日收到，2015年6月23日收到修订2015年7月13日接受2015年8月7日在线发布保留字：频率合成器线性调频干扰单脉冲接收机锁相环本文通过实验测量和计算机仿真，提出并估计了单脉冲雷达中锁相环频率合成器的断锁问题直放式干扰信号采用正弦连续波（CW）和线性调频（LFM）信号本文对不同频差的连续波干扰信号功率与雷达回波信号功率的关系进行了估算，并由此计算出干扰信号与回波信号功率（J/S）之比（dB） 对于−5dBm的典型回波信号功率和1 MHz频差，在J/S比为1.9 dB（在1.8 dB时测量）时可实现断锁。在LFM干扰信号存在的情况下，估计了不同调制速率下解锁定所需的频偏与J/S比的函数关系。 在J/S比为2 dB、调制速率为200 kHz时，在0.32 MHz处测得的频偏为0.34 MHz时，实现了断锁。根据实验装置获得的数据，提出了仿真模型测量结果和仿真结果之间的良好和一致的协议进行观察，可以在目标平台的连续波和线性调频干扰机的设计是有用的。© 2015 ， Karabuk University. Elsevier B. V. 制 作 和 托 管 这 是 CC BY-NC-ND 许 可 证 下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍通常，跟踪雷达用于武器系统的终端阶段，并在电子攻击（EA）威胁中被赋予高优先级。当雷达锁定目标时，意味着武器指向目标。目标平台中的EA系统用于使跟踪雷达中断锁定，从而稀释武器使用的制导信息，使武器偏离目标，从而保存[1-5]。本文通过计算机仿真和实验测量，分析了单脉冲雷达接收机在连续波（CW）和线性调频（LFM）转发式干扰信号下锁相环（PLL）的断锁条件。大多数现代导弹导引头采用单脉冲雷达接收机，锁相环作为频率（角度）跟踪子系统[6-9]。针对单脉冲雷达系统，已经采用了各种干扰技术，通过引入设计缺陷或使用中继干扰源来干扰雷达接收机，以使跟踪系统失真。几种类型的in-* 通讯作者。电子邮件地址：pavan_paik2003@yahoo.co.in（H.Paik）。由Karabuk大学负责进行同行审查位于目标平台上的干扰机利用正弦连续波信号、线性调频信号和随机噪声信号等干扰信号来降低雷达接收机对目标的跟踪效果干扰信号在干扰单脉冲雷达接收机中的有效性已经由不同的作者研究和记录[10-18]。Karsi和Lindsey[10]以及Osaloo等人对存在CW干扰的PLL进行了建模和分析[11]. 的条件下，环路保持锁定在频率所需的信号也被提出。X波段CMOS单芯片收发器[12]通过曲折互补导电带传输线实现，用于调频连续波（FMCW）雷达应用，而Mitomo等人实现了具有基于PLL合成器的FMCW发生器的77 GHzFMCW雷达收发器CMOS IC的设计。[13]第10段。五项研究报告了为FMCW雷达系统生成线性FM信号的原型小数N分频PLL合成器的设计[14与Musch[14]和Musch et al.[15]对于使用分数控制逻辑的LFM信号的生成，我们提出了一种通过使用来自频率调制器的正弦波对正弦载波进行频率调制来生成LFM中继器信号的方法这提供了高线性度的oping- ating频率范围内，并消除了量化噪声所造成的分频比（N）。在可以解释锁相环性能的几种行为中，我们主要关注的是分析断锁http://dx.doi.org/10.1016/j.jestch.2015.07.0092215-0986/© 2015，Karabuk University.由Elsevier B. V.制作和托管。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http：creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。出版社：Karabuk University，PressUnit ISSN（印刷版）：1302-0056 ISSN（在线）：2215-0986 ISSN（电子邮件）：1308-2043主 办可 在 www.sciencedirect.com上 在 线ScienceDirect可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：http://www.elsevier.com/locate/jestchH. Paik等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）2223Fig. 1. 单脉冲接收机框图。首先，在CW干扰的情况下，估计打破锁定所需的CW干扰信号功率，其次，在LFM干扰的情况下，打破锁定所需的频率偏差作为干扰机与回波信号功率（J/S）比和调制速率的函数。以上几个方面都是用视觉系统模拟器（VSS）AWR软件通过计算机模拟来估计的为了验证仿真结果，使用不同的PLL频率合成器进行测量。从锁相环的频谱分析了锁相环的断锁现象。将仿真结果与实测结果进行了比较，并给出了结论2. 系统表征2.1. 单脉冲接收机一个典型的单脉冲雷达接收机的方框图如图所示。1.一、接收机前端的天馈该天线馈线连接到一个混合junc，灰，这是一个四端口微波设备与两个输入和两个输出端口。混合接头产生和差信号，然后下变频到中频（IF）。上述和信道信号被施加到PLL，并且预测接收机的断锁行为。超宽带雷达应用的幅度补偿单脉冲接收机的单脉冲和差信号通过四项研究[8，19 -21]中的测量得到推导和验证，并说明了接收机环路保持锁定到所需雷达回波信号的必要条件。2.2. 锁相环中的断锁现象2.2.1.存在CW干扰信号时已知PLL中存在作为非线性系统的断锁现象[22，23]。这是由于非线性的PLL鉴相器很明显，在存在CW干扰信号的情况下，PLL的性能会下降[10，11，24基本上，当干扰出现在PLL的输入端，且与雷达回波信号存在固定频率偏移（Δf）时，它会引入恒定的相位偏移，从而对VCO输出进行频率假设雷达回波和干扰信号的频率分别为fIF和fIF + Δf，PLL初始跟踪雷达回波信号。 由于干扰信号的幅度（A2）增加，VCO频率开始在fIF附近振荡，振荡频率为fIF。然而，VCO频率保持在fIF附近，即使干扰信号的幅度变得大于雷达回波信号的幅度（A1）。在某个临界值处，VCO频率跳变到fIF +Δf，即，PLL跟踪干扰信号。然而，如果Δf大于PLL带宽（B），则幅值比（R = A2/A1）的临界值大于1。如果Δf至少是PLL带宽的两倍，则断锁的一个很好的近似值为Δf/B。2.2.2.在存在调频干扰信号时具有均匀频谱密度的频率（相位）调制波形也可作为噪声干扰波形[27]。在用于生成这种噪声波形的几种方法中，实现均匀频谱的一种方法是使用在感兴趣的频带上偏离频率的正弦波形对正弦信号进行频率调制[14，15]。让当FM噪声干扰信号出现在PLL的输入端时，PLL的输出将是一个规则的脉冲序列，每次干扰信号的瞬时频率扫过PLL通带时，该脉冲序列以PLL波形的重复率出现。如果干扰信号的频率偏差更宽，并且输出脉冲持续时间（与PLL带宽成反比）远大于偏差率，则将添加多个随机间隔的重叠脉冲，以形成PLL输出波形。该输出波形满足中心极限定理的条件，因此具有接近高斯分布的幅度概率分布这导致PLL输出失真，PLL失去对雷达回波信号的锁定。因此，一个适当的imple- mented宽带调频噪声波形将导致锁相环打破锁定。由于宽带FM噪声干扰需要连续频谱，因此干扰波形的带宽应大于FM波形重复率的一半2.3. PLL频率合成器的特性PLL作为合成器，将低频参考源乘以较高频率。 相位检测器（PD）和电荷泵（CP）驱动VCO的调谐信号，使得相位检测器输入（参考和分频器输出）处的两个信号的相位变得相等。这导致PD输入端的频率相等由于分频器输出频率等于VCO频率除以N，因此控制环路强制VCO输出频率锁定为等于基准频率N倍的频率表1PLL频率合成器的特性参数HMC702LP6CE HMC703LP4E HMC830LP6GERF输入频率0.1至14 GHz DC至8 GHz 25至3000 MHz功率范围−10至10dBm −15至−3 dBm 4.5至7.5 dBmREF频率0.1至250 MHz DC至350 MHz 350 MHz（最大值）PFD速率70 MHz 100 MHz 100 MHzCP输出电流4 mA（最大值）0.02至2.5 mA 0.02至2.54 mA相位噪声−103dBc/Hz，100 kHz失调−112 dBc/Hz，50 kHz失调−116 dBc/Hz，100 kHz失调图性能指标−221dBc/Hz −225dBc/Hz −227dBc/Hz24H. Paik等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）22频率. 两种不同类型的PLL用于频率合成，如整数和分数PLL。通常使用小数N分频PLL进行频率合成，其中分频器值通过Δ-Σ调制器 在 整 数 之 间 快 速 变 化 三 个 锁 相 环 频 率 合 成 器 ， 如HMC702LP6CE，HMC703LP4E和HMC830LP6GE产生小数频率与零频率误差已被用于实验。这些PLL频率合成器的性能特性如表1所示。2.4. 环路滤波器PLL中的环路滤波器是低通滤波器。它提供了一个直流控制信号的VCO。我们设计了一个无源三阶环路滤波器进行仿真和实验。三阶环路滤波器通常用于大多数RF应用，PLL很少使用高于三阶的滤波器[29，30]。此外，无源环路滤波器优于有源滤波器，因为没有有源器件向PLL中添加噪声环路滤波器采用精确法设计，这种滤波器设计方法涉及求解PLL的时间常数，然后根据这些时间常数确定环路滤波器元件环路滤波器设计中选择的不同关键参数是参考输入频率、VCO输出频率、鉴相器增益、VCO增益和相位裕度。环路滤波器是为典型环路带宽为200 kHz，使用Hittite微波PLL设计和分析软件工具。环路滤波器幅相响应的仿真和实测结果如图所示。 二、从图2（a）中可以看出，在等于滤波器带宽200 kHz的频率处，滤波器增益的幅度接近60 dB。环路带宽在相位响应最大化的频率处确定可以看出，相位响应在200 kHz处最大化。环路带宽的测量值约为180 kHz（图1）。 2（b））。设计中还考虑了低频杂散及其对锁相环相位噪声的影响然而，来自不同PLL块的低频杂散和噪声对总体相位噪声的贡献是一个复杂的现象。基准杂散主要是由泄漏或脉冲效应引起的多余噪声边带，其频率为比较频率的倍数，可通过混频器转换为所需信号频率。因此，它们大大增加了干扰信号比，被认为是PLL中的主要噪声源不同低频偏移下的仿真和实测PLL相位噪声响应如图2（c）和（d）所示。值得注意的是，PLL的模拟相位噪声和实测相位噪声在100kHz失调时分别为−108.32dBc/Hz和−92.02dBc/Hz，表明低频杂散对PLL相位噪声的影响可以忽略不计。(a)（b）第（1）款(c)（d）其他事项图二、 环路滤波器响应：（a）模拟结果，（b）测量结果。PLL相位噪声：（c）仿真结果，（d）测量结果。H. Paik等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）2225表2LFM信号参数。参数典型值单元调制信号2伏调制频率200至500kHz载波中心频率50MHz载波信号功率-14至-2DBM占空比百分之二十五脉冲宽度10微秒时间段40微秒2.5. 线性调频信号产生最近的研究表明，线性调频噪声波形[31，32]是首选的雷达波形，它比随机噪声和传统的线性调频波形具有许多优点，特别是在距离-多普勒分辨率和截获概率方面因此，重要的是产生具有高线性斜坡的线性FM信号。采用几种方法来合成大尺寸线性调频信号.最简单的方法是将线性斜坡电压施加到VCO的调谐节点[33在这里，我们合成一个线性调频信号，使用调频调制器trans-lates基带信号到一个4.5-8 MHz的线性调频信号。所提出的方案包括一个CW载波、一个正弦波发生器和一个FM调制器[36，37]。表2总结了用于LFM信号合成的参数。3. 计算机模拟3.1. 连续波干扰要分析的PLL的框图如图所示。3.第三章。 PLL的建模使用VSS仿真器AWR软件库中的可用元素，并进行计算机仿真来预测断锁。计算机仿真是在接收机的中频级进行的（图10）。 1）与PLL输入端的和通道信号。作为一个典型的案例，参考图。 3.雷达回波信号与频率差为1MHz的连续波干扰信号经射频合成器合成后加到锁相环中。最初，假设PLL锁定在雷达回波信号频率上。然后以1dBm的步长增加干扰信号功率当干扰信号功率超过雷达回波信号功率时，PLL跳变以锁定CW干扰信号频率。这种频率跳变主要取决于（a）J/S比和（b）雷达回波与干扰信号之间的频率差。通过输出观察到断锁图三. 锁相环。频谱和干扰信号功率在中断锁定进行了测量。然后根据结果计算出断裂锁定所需的J/S比（dB）。 仿真是针对雷达回波和干扰信号之间的不同频率差值进行的，所选回波信号功率为-10到5 dBm。PLL在断锁时的典型频谱输出如图所示。 四、如图在图4（a）中，应当注意，对于-10 dBm的回波信号功率，在2.6dB的J/S比（10 log（干扰功率dBm）-10 log（回波功率dBm））处实现断锁。此外，从图。图4（b）中，可以看出，对于-5dBm的回波信号功率，在1.9 dB的J/S比下实现了断锁，这表明断锁所需的J/S比取决于雷达信号功率。还对雷达回波与连续波干扰信号之间的频差从200 kHz到1 MHz以200 kHz为步长的选定值进行了仿真 频率差为400 kHz和600 kHz时的典型断锁结果如图所示。 五、从图5（a）和（b）可以看出，对于回波信号功率为频率差为400和600 kHz时，分别为−10dBm从上述结果可以看出，当频率差大于环路带宽（典型值为200 kHz）时，在相同的J/S比值下可以实现断锁，从而表明断锁与雷达回波和连续波干扰信号之间的频率差无关。3.2. 线性调频干扰在这种典型情况下，中频的LFM干扰信号具有50 MHz的中心频率、200 kHz的调制速率和−14dBm与雷达回波信号一起注入PLL线性调频信号的频偏以0.01 MHz.当频偏大于锁相环带宽时，每次干扰信号瞬时频率扫过锁相环通带时，认为锁相环失频通过输出频谱观察到了断锁现象，并测量了断锁的频率偏差。调制速率为200 kHz、回波功率为−14 dBm时，断锁时的典型PLL频谱如图所示。 六、仿真针对选定的干扰机功率（−14dBm至4 dBm）和不同的调制速率（通常为300 kHz和400 kHz）进行从图根据图6（a）和（b），确定了对于2dB和4dB的J/S比，分别在0.34MHz和0.31MHz的频率偏差（其为50MHz的典型载波频率的0.68%和0.62%）处实现断锁。这些结果表明，在较大的J/S比下，在较低的频偏值下实现了断锁注意，对于J/S比增加2dB，需要减少0.06%的频率偏差来打破锁定这是由于在较低的频偏值处，干扰信号的带宽较小。因此，干扰信号的边带电平明显更多，大大增加了J/S比，并完全干扰PLL。4. 测量为了验证仿真结果并证明其实际可行性，PLL频率合成器在实验室环境中进行了测试。 测量使用广泛接受的Hittite MicrowaveCorporation PLL频率合成器（如HMC702LP 6CE、HMC703LP 4E和HMC830LP 6GE）进行。使用典型HMC 702 LP6CE PLL频率合成器的硬件照片如图所示。7.第一次会议。 雷达回波信号使用Agilent Tech-nologies（E8257 D）信号发生器生成。使用在CW模式下操作的Anristu RF/微波信号发生器（MG 3690 C）来生成26H. Paik等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）22(a)（b）第（1）款见图4。 回波信号功率为（a）−10 dBm和（b）−5 dBm时的PLL频谱。（a）（b）图五. 频率差为（a）400 kHz和（b）600 kHz的PLL频谱。（b）第（1）款见图6。J/S比为（a）2 dB和（b）4 dB时，锁相中断时的PLL频谱。CW干扰信号。这两个信号相结合的使用，ING一个L波段射频组合器，然后施加到PLL。然后增加CW干扰信号功率，并使用Rhode和Schwarz信号源分析仪（20-50GHz）观察到断锁。这些测量进行了一个典型的VCO输出频率为6 GHz和10 dBm的功率用于测量的分辨率和视频带宽分别选择为2 MHz和5（一）H. Paik等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）2227（b）第（1）款（一）见图7。 硬件的照片。(a)PLL频率合成器。(b)测量设置。在锁定和断锁时测得的PLL输出频谱如图8所示。在图8（a）中，示出了PLL频谱以6GHz参考频率为中心，功率为4dBm，这表明PLL被锁定到回波信号频率上PLL在断锁时的频谱如图所示。8（b）. 从图中可以看出。 8（b）当干扰信号功率超过回波信号功率时，信号分析仪屏幕上出现严重失真。可以看出，PLL输出功率为−2dBm，参考频率为6 GHz，表明PLL已失去对雷达回波信号频率的然而，PLL频谱，trum似乎仍然集中在6 GHz（几乎不失真）的所有方式时，打破锁定实现。对HMC 703 LP 4 E和HMC 830 LP 6 GE PLL频率合成器应用了相同的测量程序，并测量了中断锁定所需的干扰功率相同的测量设置和程序被用于LFM干扰。在这种情况下，LFM干扰信号是使用在FM内部模式下工作的Anristu RF/微波信号发生器（MG 3690 C）产生的，然后与雷达回波信号一起施加在PLL输入端。频率偏差从一个小偏差开始增加观察到了断锁，并测量了断锁所需的频率偏差值作为J/S比和调制速率的函数。据观察，断锁是实现在0.32 MHz的频率偏差为2dB的J/S比和调制速率为200kHz，这是0.64%的载波信号频率为50 MHz。测量针对选定的干扰功率（−14dBm至4 dBm）和不同的调制速率（通常为300 kHz和400 kHz）进行同样的测量程序也适用于HMC 703 LP 4 E和HMC 830 LP 6 GE PLL频率合成器。28H. Paik等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）22（b）第（1）款（一）图8.第八条。（ a）锁定条件下CW干扰的实测PLL频谱。（b）在断锁条件下测量的CW干扰的PLL频谱5. 结果和讨论在本节中，将介绍使用HMC 702 LP 6CE、HMC 703 LP 4E和HMC830 LP 6GE PLL合成器的仿真和测量结果。给出了连续波和线性调频干扰的干扰源在连续波干扰中，中断锁定所需的干扰信号功率与雷达回波信号功率的函数关系如图所示。9.第九条。J/S比（10 log（P干扰dBm）-10 log（P回波dBm））由曲线确定，该曲线几乎是线性的，表明干扰功率在所选择的回波信号功率从-10 dBm到5 dBm上随雷达回波信号功率线性变化。通常，从图9中可以看出，在雷达回波信号功率为−5 dBm时，HMC830 LP 6 GE PLL频率合成器在断锁时的J/S比测量值为1.8 dB，而仿真值为1.9 dB。良好的一致性之间观察到的测量数据的HMC830LP6GE和仿真结果。然而，在较低的功率水平下，协议并不那么好。 这是合理的，因为接收器环路中的各种元件（主要是鉴相器、VCO和环路滤波器）引入了插入损耗。在不同调制速率下，解锁所需的频偏与J/S比的函数关系的仿真和实测结果如图所示。 10个。通常，从图中可以看出。 10（a）对于HMC 703 LP 4 E，在0.32MHz的频率偏差下实现断锁，该频率偏差是2 dB J/S比下载波频率的0.64%。此外，可以看出，打破锁定所需的频率偏差是0.30 MHz，这是在4 dB的J/S比下载波频率的0.6%这些结果表明，断锁是实现在较低的值的频率偏差为大的J/S比。也很明显，H. Paik等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）2229（一）见图9。 连续波干扰的仿真和实测结果。图10（a）、（b）和（c）表明，在J/S比为2 dB时，对于调制速率为200、300和400 kHz，打破锁定所需的频率偏差值分别为0.32、0.41和0.60 MHz（为载波频率的0.64%、0.82%和1.2%），这表明在较高的调制速率下打破锁定需要较大的频率偏差值。这可以用以下事实来解释：在较大的频偏值下，干扰信号的带宽因此，可以通过引入大的调制速率来实现干扰，使得边带的数量变得更少，并且它们的电平变得更显著。随着干扰信号带宽的减小，干扰信号的功率集中在回波信号的带宽内，极大地提高了J/S比，锁相环发生断锁HMC703LP4E锁相环频率合成器的实测数据与仿真结果吻合较好6. 结论通过计算机仿真和实验研究了单脉冲雷达接收机锁相环在连续波和线性调频干扰下的断锁问题。在雷达回波与干扰信号频差不同的情况下，给出了连续波干扰信号功率与雷达回波信号功率的函数关系验证了解除锁定所需的J/S比与雷达回波与干扰信号的频差无关。在LFM干扰情况下，给出了断锁时频偏与J/S比和调制速率的关系结果表明，在较大的J/S比下，在较低的频偏下可实现断锁还验证了调制速率越高，需要越大的频率偏移来打破锁定。仿真和实测结果可为目标平台上连续波和线性调频干扰机的设计提供参考。致谢作者感谢国防电子研究实验室（DLRL）和国防研究与发展组织（DRDO）的支持见图10。（a）200 kHz调制速率、（b）300 kHz调制速率和（c）400 kHz调制速率下的LFM干扰仿真和实测结果。引用[1] 特 区 Schleher， Electronic Warfare in the Information Age ， Artech House ，Boston，MA，1999.[2] S. Vardhan，A. Garg，电子战中的信息干扰：操作要求和技术，在：电子，通信和计算工程国际会议（ICECCE），2014年，第10页。49比54（c）第（1）款（b）第（1）款30H. 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