基于電荷耦合器件的雷達(dá)視頻積累電路

摘要：電荷耦合器件是一種發(fā)展前景良好的金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)集成電路。該電路廣泛應(yīng)用于彩色成像、信號(hào)處理等相關(guān)領(lǐng)域。文介紹一種用CCD32l型電荷藕合器件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的脈沖雷達(dá)視頻積累電路，目的在于探討使用該器件實(shí)現(xiàn)雷達(dá)視頻積累的可行性和實(shí)際效果。實(shí)踐證明，使用該器件實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)積累能有效地提高雷達(dá)的信噪比，改善雷達(dá)的檢測能力，達(dá)到增加雷達(dá)的發(fā)現(xiàn)概率和探測距離的目的。經(jīng)測試，使用該電路可使雷達(dá)信噪比可提高3．5dB。
關(guān)鍵詞：電荷耦合器件；信噪功率比；視頻積累；傳遞函數(shù)

O 引言
    對于早期脈沖雷達(dá)的信號(hào)積累主要依靠顯示器余輝特性及雷達(dá)操縱員眼和腦的儲(chǔ)存能力來完成。由于這種積累加入了許多人為因素，對顯示器的余輝性能也提出了嚴(yán)格要求，而且積累效果也是因人而異。因此、近年來，隨著大規(guī)模集成電路和高速微處理器的發(fā)展，在改造老雷達(dá)，充分發(fā)揮老雷達(dá)性能方面人們提出了許多可行的技術(shù)方案。雷達(dá)信號(hào)積累能有效地提高雷達(dá)的信噪比，改善雷達(dá)的檢測能力，達(dá)到增加雷達(dá)發(fā)現(xiàn)概率和探測距離的目的。雷達(dá)信號(hào)積累分為相干積累和非相干積累。相干積累是指雷達(dá)的發(fā)射和接收載頻有確定的相位關(guān)系，積累在中頻實(shí)現(xiàn)。非相干積累是指雷達(dá)的發(fā)射和接收載頻無確定的相位關(guān)系，積累在檢波后實(shí)現(xiàn)。早期的雷達(dá)大部分屬于非相干雷達(dá)，因此，對這類雷達(dá)進(jìn)行信號(hào)積累應(yīng)在檢波后，屬于視頻積累。視頻積累較中頻積累簡單易行，在手段上可采用微處理器及軟件編程，也可以用電荷耦合器件及其電路來實(shí)現(xiàn)。本文介紹的用電荷耦合器件實(shí)現(xiàn)的視頻積累電路成本低廉，適合在中高檔雷達(dá)或改造老雷達(dá)上使用。

是噪聲功率提高了N倍。則積累后輸出電壓的信噪比為因此電壓信噪比改善為：信噪功率比提高了N倍。

2 設(shè)計(jì)方案
    要實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)累積相加，一種簡單的方案是把雷達(dá)的回波信號(hào)延遲一個(gè)雷達(dá)發(fā)射脈沖周期，與未經(jīng)延遲的回波信號(hào)依次相加，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的積累。本方案采用的是一次遞歸型視頻積累電路，原理如圖1所示。由于延遲線是線性網(wǎng)絡(luò)，所以通過線性網(wǎng)絡(luò)的輸出y(t)是輸入x(t)和網(wǎng)絡(luò)脈沖響應(yīng)h(t)的卷積，

    (βl為反饋網(wǎng)絡(luò)增益，應(yīng)小于1)
    由傳遞函數(shù)可知，積累器是單極點(diǎn)系統(tǒng)，它在Z平面β1處有一極點(diǎn)，如圖2所示。由于Z=esTr，用S=jω代入傳遞函數(shù)得出積累器的頻率特性；

   
|H1(ω)|為最大值：當(dāng)ωTr=(2n+1)π時(shí)，|H1(ω)|最小。頻率特性如圖3所示。因此，積累器實(shí)際上是一個(gè)線性梳狀濾波器。

3 CCD321型電荷耦合器件性能介紹
    電荷藕荷器件CCD321是一種電予可變模擬延遲線，可完成電信號(hào)的延遲和暫存模擬信息，時(shí)間相關(guān)和增強(qiáng)信噪比。它由2個(gè)455位的移位寄存器A和B組成，根據(jù)需要，每個(gè)移位寄存器可單獨(dú)使用，也可串聯(lián)使用構(gòu)成910位移位寄存器。每個(gè)移位寄存器都有自己的信號(hào)注入端、信號(hào)輸出端以及時(shí)鐘和采樣脈沖輸入端。該器件由單相時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，由采樣脈沖采集信號(hào)的輸入與輸出，因此，輸出信號(hào)在時(shí)間上是離散的，在幅度上是模擬的，具有數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)的特點(diǎn)。該器件信號(hào)帶寬5MHZ，增益3—6dB，信噪比55—60dB，是用于采樣及信號(hào)處理的理想器件。它的引腳功能見表1，定時(shí)圖如圖4所示，電路圖如圖5所示。

4 視頻積累電路設(shè)計(jì)
    圖6是用CCD321設(shè)計(jì)的視頻積累器電路原理圖。CCD32l的兩個(gè)移位寄存器A和B串聯(lián)使用構(gòu)成910位移位寄存器。視頻信號(hào)經(jīng)910位移位寄存器后應(yīng)延時(shí)一個(gè)雷達(dá)發(fā)射脈沖周期Tr。因此，移位時(shí)鐘和采樣脈沖頻率為在雷達(dá)發(fā)射脈沖頻率300Hz，發(fā)射脈沖寬度lOμs條件下，加在電荷耦合器件上的移位時(shí)鐘和采樣脈沖頻率為，f=910×300=273KH在發(fā)射脈沖寬度內(nèi)采樣次數(shù)n=10×10-6×273×l03=273因此，在這個(gè)采樣頻率下采樣存儲(chǔ)信號(hào)滿足奈奎斯特采樣定理。圖中所示，由ICIA、ICIB、ICIC、IC2A、IC2B及石英晶體等組成轉(zhuǎn)移時(shí)鐘和采樣脈沖產(chǎn)生電路，TNI21為采樣脈沖整形電路。視頻檢波信號(hào)經(jīng)電壓跟隨器IC3A加到采樣保持電路。采樣保持電路由IC5及保持電容C1組成。采樣保持電路對輸入的視頻信號(hào)進(jìn)行采樣，使直通信號(hào)與被延時(shí)信號(hào)幅頻特性一致。經(jīng)IC5采樣后的信號(hào)送到加法器IC3B的一個(gè)輸入端。加法器的輸出分為兩路：一路送入CCD32l輸入端(3腳)進(jìn)行延時(shí)，經(jīng)910位延時(shí)后，從第15腳輸出，再經(jīng)W1和R6分壓后送入電壓跟隨器IC4A。電壓跟隨器的輸出將信號(hào)反饋到加法器的另一個(gè)輸入端，實(shí)現(xiàn)延時(shí)信號(hào)與未延時(shí)信號(hào)的相加。其中、W1和R6是確保反饋系數(shù)β1小于1而設(shè)置的。加法器的另一路輸出送到電壓跟隨器IC4B。該電壓跟隨器起隔離作用，其輸出即為視頻積累信號(hào)。

5 實(shí)驗(yàn)中注意的問題
    (1)定做一只振蕩頻率f0=273KHz的石英晶體，且頻率穩(wěn)定度要高。CCD32l第4腳、第12腳、第14腳的直流電壓要正確。Vcc采用+12V電源供電，轉(zhuǎn)移時(shí)鐘及采樣脈沖為TTL電平、波形要規(guī)整、否則采樣時(shí)漏電流較大、采樣“漏鐘”干擾不移消除。
    (2)從雷達(dá)視頻檢波器輸出、視放輸入端斷開電路，然后分別接入圖6所示的電路，輸入信號(hào)要確保小于1VP—P。
    (3)電源電路要加去藕措施，紋波要小。數(shù)字地與模擬地要分開設(shè)置，否則容易引起相互串?dāng)_。

6 結(jié)束語
    用CCD321設(shè)計(jì)的雷達(dá)視頻積累電路可以提高雷達(dá)的信噪比，改善雷達(dá)的檢測能力和增加探測距離。經(jīng)測試，視頻檢波輸出信號(hào)為0．4V，噪聲為0．3V，信噪比為Si/Ni≈1．33。經(jīng)視頻積累電路后，輸出視頻信號(hào)為lV，噪聲為0．5V，信噪比為Soi／NoN≈2。因此信噪比提高了20(1g2一lgl．33)≈3．5db。