基于ads的调频无线电引信系统的建模与仿真(编辑修改稿)

基于ads的调频无线电引信系统的建模与仿真(编辑修改稿)内容摘要：

=c4∆f ()由上式可看出，固定误差∆R 与调制频偏∆f 成反比。 ∆f =1MHZ时，∆R1 =150m。 当取∆f =10MHZ时， ∆R1 =15m。 此时也验证了探测系统的最小作用距离与系统固定误差是基本一致的。 (b)在系统允许的条件下适当增大系统频偏由上面的计算可知，为减小固定误差，希望增大系统频偏。 对于实际的调频探测系统，增大频偏将受到多方面因素的限制。 一般在工程实现时，取∆f ≈3~5%f0 ,否则非线性等问题将非常突出，将严重影响测距精度。 另外，天线、混频器等主要部件的带宽也将限制∆f 的提高。 随着科技的发展，新的技术将不断出现，能够很好的解决非线性等问题，较大范围的频偏将会实现。 (c)差频频率正好落在调制频率的偶次谐波点上使差频频率正好落在调制频率的偶次谐波点上是我们选择的最优方案之一，这样可以避开调制信号所造成的测距影响。 (3)调制频率fM的选择调制频率fM的选择也是系统设计一个重要参数，主要考虑以下几个方面:(a)要尽量减小差频不规则区间产生的影响前面我们已经做了一些讨论，由于差频频率存在不规则区，导致差频信号具有许多谐波分量和离散的频谱，从而影响利用差频公式测距的精确度。 只有无限增大调制周期TM ，并使TM→∞时，才可使差频信号对于任何距离均为单一频率，而且此频率可随距离连续地变化。 因此在选择调制频率时应尽量使不规则区在一个调制周期内占较小的比例，即: TM=nτmax ,式中n为常数且n10，将τmax=2RmaxC ,代入上式可得:fM=1TM=c2nRmax≪c2Rmax ()由于调频引信对距离要求有限，假设作用距离Rmax=15m，n=100，则fM=100kHZ。 (b)消除非单值所产生的距离模糊在周期性调制的情况下，差频公式还不能单值地确定系统到目标间的距离。 由上面差频信号的时域分析可知，在延迟时间为τ、T+τ、2T+τ、……nT+τ 时我们不能区分所对应的距离，也就是说，在相差距离为从∆R=CT值和n∆R时，所对应的差频值fi都是相同的，因此产生了距离模糊。 为了消除距离模糊，在选择调制频率时，应使调制周期足够大，一个调制周期所对应的距离大于可能测得的距离变化范围。 设系统能够测出的距离变化范围为RmaxRmin ,则:TM2(RmaxRmin)c 或 fMci2(RmaxRmin)c ()对比式()和式()可知，二者是基本一致的，满足式()基本能满足式()，同样满足式()也能满足式()。 因此减小差频不规则区与消除非单值所产生的距离模糊考虑一种情况即可。 (c)减小多普勒效应的影响在前面已经讨论了当系统与目标间有相对运动时，由于延迟时间τ 的变化及多普勒效应的存在，使差频信号的频谱发生变化，特别是多普勒频率的出现，将给信号处理造成困难并引起测距误差。 因此，应该使差频频率尽量与多普勒频率相差较远，即fi≫fd。 由于fi=4∆f∙TMCR ,而fd=2vRλ0 ,则有下列关系式:fM≫vRc2λ0∆f∙Rmin ()(d)差频频率正好落在调制频率的偶次谐波点上合理的选择调制频率，可以帮助选择合适的频偏∆f ，以使差频频率正好落在调制频率的偶次谐波点上。 测距误差主要由五个因素引起:系统固定误差；多普勒频率影响；寄生调幅；测频电路的测频方法。 (l)系统固定误差∆R1由前面讨论得知，当调制波形采用锯齿波这种调频信号时，差频频率在不规则区外与测量距离R有较好的线性关系，系统的固定误差为:∆R1=c4∆f ()由上式可见增大调频频偏∆f ，可减小固定误差。 因此在兼顾其它因素的情况下尽可能取较大的调频频偏。 (2)多普勒频率产生的测距误差当弹目具有相对运动时，在一个调制周期内会出现两个频率不同的差频信号，在频域里面，导致差频信号的相位差不再是周期函数，其频谱由离散变成连续分布，引起定居误差。 (3)寄生调幅引起的测距误差寄生调幅在调频振荡源中几乎是不可避免的。 它带来的后果就是在无回波的信号的情况下，引信输出端也有频率为调制信号基频及其各次谐波组成的信号输出，导致引信误动作。 而在有回波的情况下会对有用信号进行干扰。 (4)测频电路的测频方法引起的测距误差测频电路的方式有多种，应根据具体电路进行估算。 例如，采用数字差频检测电路时，计数脉冲为整数。 当计数脉冲为非整数时，将产生测频误差。 而在电路中，通过取样控制器、调节归零电路的置零时间、控制延时器的延时和选频开启时间措施，可大大降低这种测频误差引起的系统测距误差。 利用ADS对线性调频引信前端进行仿真 ADS仿真软件简介在以往的系统仿真中，用的较多的有SPW软件和Simulink软件。 在这两种软件平台下，都有人进行二次开发，对无线电引信模型库进行建立、扩充和系统仿真。 所建立的模型库具有通用性强，结构较简单，使用灵活和方便扩充，贴近实际情况等优点，采用这些模块，用户可以任意搭建不同体制的无线电引信仿真系统。 虽然前人在这方面做了大量工作，但由于软件平台的限制，还有一些不足。 比如说我们在进行系统仿真时，关心的是整个系统的性能，包括前端的射频电路部分，而SPW软件和Simulink软件都不方便做射频电路部分仿真，无法对射频部分由于模拟器件的非线性对系统的影响进行分析；而且在信号处理过程中，有些地方需要进行矩阵运算，并且整批的传输数据。 SPW软件中进行矩阵运算比较困难，而Simulink软件基于时间流仿真在进行整批数据传输时还存在一些弊端。 因此，很有必要在其他仿真软件上做一些尝试，克服以上软件的不足，更好地进行仿真。 ADS软件是Agilent公司推出的一款功能强大的电路和系统分析软件，它集成多种仿真软件的优点，仿真手段丰富多样，可实现包括时域和频域、数字与模拟、线性与非线性、高频与低频、噪声等多种仿真分析手段，范围涵盖小至元器件，大到系统级的仿真分析设计；ADS能够同时仿真射频（RF）、模拟（Analog）、数字信号处理（DSP）电路，并可对数字电路和模拟电路的混合电路进行协同仿真。 由于其强大的功能，ADS软件很快成为全球内业界流行的EDA设计工具。 ADS(AdvaneedDesignSystem)是美国Agilent公司推出的电路和系统分析软件，它集成多种仿真软件的优点，仿真手段丰富多样，可实现包括时域和频域，数字与模拟，线性与非线性，高频与低频，噪声等多种仿真分析手段，范围涵盖小至元器件，大到系统级的仿真分析设计。 ADS能够同时仿真射频(RF)，模拟，数字信号处理(DSP)电路，并可对数字电路和模拟电路的混合电路进行协同仿真。 由于其强大的功能，很快成为全球内业界流行的EDA设计工具[10]。 ADS在射频、模拟电路设计中的常用的仿真器有AC仿真、DC仿真、S参数仿真、瞬态仿真、谐波平衡仿真、包络仿真等。 在利用ADS进行线性调频引信前端系统仿真时主要利用瞬态仿真器。 ADS为用户提供了丰富的模型库和便利的分析工具。 这些模型库可以充分发挥其功能和特长，避免了系统设计所需大量功能单元模型和仿真工具软件的重复开发，并可以将软件资源与研究人员的设计经验充分结合起来。 ADS软件与上述SPW软件和Simulink软件平台相比具有着不可多得的优点，这些优点主要包括以下几个方面：1）ADS软件既支持模拟电路/射频（RF）仿真，又可以做数字信号处理的仿真，还可以实现射频电路和数字信号处理联合仿真。 2）ADS和其它仿真软件，例如MATLAB有友好的接口，必要时可以进行联合仿真。 3）ADS提供了专门的仪器库，可以和Agilent公司仪器相连，进行半实物仿真。 4）ADS支持用户自定义模块，用户可以根据自身需要很方便地进行仿真模型库的开发，开发好的模型库可以打包以便安装到其它计算机。 鉴于其在射频仿真及数据流仿真方面的这些优势，我们采用ADS软件进行无线电引信系统建模与仿真，并且分析系统性能。 ADS软件平台下的仿真可以分为两类：射频模拟仿真(RF/Analog)、数字信号处理仿真（DSP）。 这两类仿真拥有不同的模型库和仿真器，射频模拟仿真主要用于电路设计，其仿真器包括直流仿真器（DC）、交流仿真器（AC）、谐波平衡仿真器（HB）、S参数仿真器（S_Param）、包络仿真器（Envelope）、瞬态仿真器（Transient）等，可以根据仿真需要选择不同的仿真器。 数字信号处理仿真用于数字部分仿真，其仿真器为数据流仿真器（DF），数据流仿真器可以实现RF/Analog与DSP联合仿真。 根据前面的分析可知，探测距离R与差频 fi 的关系式，主要由调制频偏 ∆fM和调制周期 TM 决定，与系统中心频率无关。 因此为便于仿真，设定系统仿真载频为 f0=500MHZ ，调制频偏 ∆fM=50MHZ ，调制频率 fM=100KHZ。 在ADS中搭建系统原理图，并对各个部分的参数进行设定。 系统仿真时调制信号控制VCO产生线性调频信号，并且加入寄生调幅来模拟实际的线性调频信号。 利用延时器来模拟回波信号与发射信号经过的时间差，探测距离越远则对应的延时时间越长，同时经过衰减器对回波信号的幅度进行衰减来模拟实际的回波信号，探测距离越远则回波信号的幅度越小，即衰减器的衰减分贝数越大。 ADS系统仿真原理图上图中Voutl输出为调制信号波形。 Vout6输出为VCO调频信号波形。 Vout3为拟回波信号:Vout4输出为混频后信号。 Vout5输出为经过滤波后的差频信号。 设定延时器的时间可以模拟不同距离时的回波信号，延时时间越长则探测距离越远。 分别设定延时时间为20ns，40ns，60ns，则根据S=Ct/2可以算出探测的距离分别为3m、6m、9m，、。 a) t=2Ons时的差频信号 b)t=20ns时的差频信号频谱 探测距离为3m时的差频信号由仿真结果可以看出，当探测距离为3m时200KHz信号幅度最大。 当探测距离为6m时400KHz信号幅度最大。 当探测距离为gm时60OKHz信号幅度最大。 但是由于回波信号幅度随距离的增大而减小，因此在实际的信号处理电路中需要考虑对差频加增幅信号，然后利用差频信号各次谐波的幅度关系进行测距。 a)t=40ns时的差频信号 b)t=40ns时的差频信号频谱图 探测距离为6m时的差频信号a)t=60ns时的差频信号 b)t=60ns时的差频信号频谱图 探测距离为9m时的差频信号对仿真的结果进行分析，可以得出以下结论:(l)差频信号在时域是连续的，并且存在不规则区域。 (2)差频信号的频域是离散的，并且差频的频谱分量是调制信号频率的整数倍。 (3)当探测距离由近及远时，差频信号频谱幅度的最大值所对应的频率由低次谐波向高次谐波变化。 本章小结本章介绍了线性调频定距引信的工作原理，并对三角波线性调频信号及其差频信号在时域与频域的理论进行了理论分析，得出了探测距离R与差频 fi 的关系式，给出了三角波线性调频信号的参数选择的标准及其具体参数。 并对测距误差产生的原因进行了定性与定量讨论。 3自差收发机工作原理及振荡电路分析。