雷达原理与系统 第十五讲 接收机的动态范围和增益控制
0. 改善——
1). 现代接收机对于大的动态范围$D$的要求很高。
2). 动态范围是衡量接收机性能的重要指标，表示了接收机能正常工作所允许的输入信号的强度的范围。
3). 为了防止强信号引起的系统过载，有需要增益控制电路，实现更大的动态范围。
4). 本文介绍了：动态范围、增益控制的概念。
1. 动态范围——
1). 定义：接收机能对接收信号进行检测，而又使接收信号不失真地输入信号大小的范围。
2). 所允许的最小信号输入强度取最小可检测信号功率（实际上是，接收机的灵敏度$S_{i, \min}$）。
3). 所允许的最大信号输入强度根据正常工作要求而定。
4). 信号不能太强，否则容易引起接收机饱和、过载；信号不能太弱，否则接收机检测不到。
5). 动态范围：最大信号和最小信号的范围，通常用dB形式表示。
6). 【接收机出现过载时输入信号的功率 : 最小可检测信号功率】比值，称为“动态范围”$D$。
7). 定义方法——
A. 增量、增益定义的动态范围。
a. 当信号电平比较小的时候，输出的电压$U_{om}$随着输入电压$U_{im}$呈线性增大的趋势，见图1。放大器处于正常工作的范围。
b. 但是当输入信号过强的时候，放大器发生了饱和现象（由于输入信号过强，失去了正常放大的能力）。
c. 过载导致，放大器输出电压$U_{om}$不但没有增大，反而出现了下降，使得输出和输入的振幅特性出现了弯曲。这种现象称为，放大器发生过载。
d. 图中表示一个宽脉冲干扰和回波信号共同通过中频放大器的情况。干扰信号中间是一个回波信号，为了简便，只画了包络。
e. 当干扰电压的振幅$U_{mn}$比较小的时候，输出电压中有与输入信号$U_{in}$相对应的增量；但是当干扰电压比较大的时候，放大器发生了饱和，致使输出电压中的信号增量消失了（也就是说，回波信号消失了）。
f. 视频放大器也会发生饱和、过载现象。
g. 对于叠加在干扰上的回波信号，放大量用增量、增益表示。
h. 它是放大器振幅特性曲线的某一点斜率$K_1$。
i. 我们获得了增益（斜率）$K_1$与输入电压$U_{im}$的变化曲线。
j. 只要是接收机某一级增量的增益$K_d$小于等于0，此时接收机发生了过载（也就是说，接收机丢失了目标回波信号）。
k. 接收机抗过载性能好坏，用动态范围$D$表示；也就是，当接收机不发生过载时，所允许的信号输入强度变化的范围。
l. 不发生过载时，所允许的接收机输入的最大信号功率$P_{i, \max}$、最大输入信号电平$U_{i, \max}$；最小可检测信号功率$P_{i, \min}$、最小可检测信号电平$U_{i, \min}$。
图1. 增量、增益动态范围
B. 1dB增益压缩点定义的动态范围。
a. 当接收机输出功率产生1dB增益压缩（增益压缩=增益降低、减少）的时候，输入信号功率与最小可检测信号功率$S_{i, \min}$之比。
$$ S_{i, \min}=k T_0 B_n F M $$
其中，$M$是识别系数（$M$取1），$F$是噪声系数，$B_n$是接收机带宽，$T_0$是常温290K，$k$是玻尔兹曼常数。
b. $P_{i-1}$是指使接收机产生1dB增益压缩的时候，所输入信号功率的大小。
c. $P_{i, \min}= S_{i, \min}$是灵敏度大小。
d. 增益$G$。
e. 分子：输入信号的最大值。
f. 分母：输入信号最低时候接收机输出的信号最大值。
i. 放大器有一个线性动态范围，在范围内放大器的增益保持稳定。
ii. 在保持稳定期间，放大器的输出功率是随着输入功率线性增强。
iii. 但是当输入功率持续增加的时候，放大器会在某一个时间点进入非线性区间，此时放大器输出功率不在随着输入功率的增加而线性增加。
iv. 也就是说，输出功率小于信号增益预计的值$G$。通常我们将下降到比线性增益低1dB时候的输出功率值定义为输出功率的1dB压缩点，用P_{1dB}表示。
g. 过了1dB压缩点并不是说输入信号增加，输出功率不增加了，而是说增益的线性度急剧恶化。输入和输出不是呈现线性关系了。
图2. 1dB压缩点
h. 通过表格可以判断哪些部件会影响接收机动态范围。
i. 动态范围用各个部件输出端最大信号与xx噪声电平进行比较，而不是最小可检测信号，对于各个独立部件而言。
表1. 各个器件动态范围典型值
2. 增益控制——
1). 为什么要增益控制？在追求更大接收机动态范围的同时，为了防止强信号引起接收机过载而采取的措施。
2). 分类——
A. 自动增益控制(AGC)
B. 灵敏度时间控制(STC)
3). 例如，在跟踪雷达中，为了保证对目标自动方向的跟踪，他要求接收机输出角误差信号强度，只与目标偏离天线轴线的夹角有关系，与目标远近、反射面积、RCS没有关系。为了获得归一化角误差信号，使天线能正确跟踪运动目标，必须采取自动增益控制的措施。
4). 自动增益控制(AGC)，是指放大电路增益随着信号强度的调制，而进行自动控制的方法。
5). 可以对放大器增益进行自动调节，在实际应用中，可以实现自动测角。核心工作原理，让接收机的增益随着时间、距离增加而增加。
6). AGC由一级峰值检波器+低通滤波器组成。
7). 接收机输出的视频信号，通过峰值检波器之后，再由低通滤波器把高频分量去掉，获得了自动增益控制电压$U_{AGC}$。
8). 控制电压$U_{AGC}$加入到中频放大器，完成了增益自动控制的作用。
9). 当输入信号增大的时候，视频脉冲会增加，从而引起控制电压$U_{AGC}$增加，使得受控的中频放大器的增益$G$降低。将输入信号减少的时候，情况相反。
10). 自动增益控制(AGC)是负反馈系统。
图3. 自动增益控制(AGC)接收
C. 瞬时自动增益控制(IAGC)
a. 瞬时自动增益控制(IAGC)的目的是使——
i. 干扰电压受到衰减（即要求控制电压能瞬时地随着干扰电压而变化）。
ii. 而维持目标信号的增益尽量不变。
iii. 防止——
I. 等幅波干扰
II. 宽带脉冲干扰
III. 低频调幅波干扰
b. IAGC原理与AGC相似，都是通过反馈，将输出电压检波以后去控制中频放大器，调整放大能力。
c. 干扰电压相比信号都是很强的，所以中频放大器末级可能有过载的危险，前几级可能也有过载。
d. 为了获得更好的抗干扰效果，增大允许干扰电压的范围，可以在中频放大的末级或者相邻前几级都加上IAGC。
B. 灵敏度时间控制(STC)——
a. 目的——
i. 扩展接收机动态范围
ii. 防止近程杂波使接收机过载
b. STC也叫近程增益控制。
c. 它是随着作用距离，而降低接收机灵敏度的技术。
d. STC使接收机不受到近程杂波干扰而发生过载、饱和。
e. 在远距离的时候，使接收机保持原来的增益和原来的灵敏度，保证正常发现、检测小目标回波。
f. STC核心原理是，每当发射机发射信号之后，接收机产生一个与干扰功率随着时间变化规律相匹配的控制电压。控制接收机的增益按比例规律的变化。
g. 通常海杂波、地杂波的干扰，主要出现在距离接收机天线很近的地方。
h. 干扰功率随着距离增加而相对平滑地减小。
i. 如果把发射信号的时刻作为距离起点，横轴是时间轴，那么海杂波的干扰功率$P_{im}=KR^{-a}$，其中$K$是比例常数，和雷达发射功率相关，$R$是距离，$a$是试验系数与天线的参数、性质有关系，$a=2.7~4.7$。
j. 基本原理——
i. 当发射机每一次发射完信号之后，接收机产生一个与干扰功率随时间变化相匹配的控制电源$U_C$，去控制接收机增益按照$U_C$-$R(f)$的规律进行变化。
ii. 近程增益控制电路实际上是，使接收机灵敏度随时间变化而变化的控制电路。
iii. 可以使接收机不受到近距离杂波的干扰而过载。
图4. 灵敏度时间控制(STC)原理
k. STC通常用数控衰减器完成，控制相当灵活，能根据杂波环境确定控制量，可以在射频、中频工作，使接收机动态范围大大提高。
l. STC设在射频比中频能使接收机有更大的拓展。
m. 由于射频频率较高，保持STC平坦度有难度。
n. STC设置（前段）位置的不同对于整个接收系统影响不一样。
o. 需要对于接收机总的动态范围要求、接收机所能达到的线性动态的范围综合考虑。
p. 相对于AGC是负反馈，AGC雷达根据回波强弱自动进行增益调整，回波强：增益减低，回波弱：增益提高。一般AGC设置在中频。
q. 接收机可以使用AGC补偿接收机增益的不稳定。
r. 不稳定的原因——
i. 电源电压不稳定
ii. 环境变化
iii. 工作参数变化
s. 多通道的AGC实现对于各个接收机通道的增益平衡。
11). 总结AGC、STC——
A. AGC、STC都是增益控制。
B. 目的——
a. 提高雷达接收机的动态范围。
b 防止接收机饱和。
c. 更好地发现、检测小目标。
C. STC主要与时间、距离有关系。实际可以通过雷达部署的环境进行控制策略的实现。
D. AGC主要与回波强度相关，进行自动控制。
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