南理工电子信息工程综合实验实验报告

南理工电子信息工程综合实验

电子信息工程综合实验

实验报告

题目：电子信息工程综合实验实验报告

院系： 电子工程与光电技术学院

姓名（学号）：

指导教师：

实验日期： 2015年11月6号

南理工电子信息工程综合实验

目录

实验一正交调制器实验 ......................................................................... 2

实验二正交相干检波器 ......................................................................... 7

实验三匹配滤波器 ............................................................................... 12

实验四动目标检测及相参积累 ............................................................ 17

实验五线性调频脉冲压缩 .................................................................... 29

实验总结 ............................................................................................... 35

南理工电子信息工程综合实验

实验一正交调制器实验

一、实验目的

1.掌握正交调制器的工作原理；

2.掌握正交调制器的电路组成。

二、实验仪器

信号源、示波器、直流稳压电源

三、实验原理

正交调制是一种特殊的复用技术，一般是指利用两个频率相同但相位相差90度

的正弦波作为载波，同时传送两路互相独立的信号的一种调制方式。图一是具体

的调制器功能框图。

图一正交调制器功能框图

如图一所示，两路互相正交的信号i(t)和q(t)分别调制角频率为Wc的互相正交的

正弦波调制，调制后两路相加的波形为：

x(t) i(t)coswct q(t)sinwct

如果两路正交的信号i(t)和q(t)分别为线性调频脉冲信号的复包络的实部和虚部，

即：

i(t) cos(k t2)，q(t) sin(k t2)

正交调制器的输出则为：

x(t) i(t)cos ct q(t)sin ct cos(k t2)cos( ct) sin(k t2)sin( ct) cos( ct k t2)

显然，正交调制器的输出为载频频率为Wc的线性调频脉冲信号。

四、实验电路

本实验装置主要由波形产生电路以及正交调制电路两个模块组成，硬件方面

主要使用了单片机和FPGA两种可编程的器件联合实现的。单片机处理开关扫描

和显示电路，FPGA实现波形产生与输出选择，具有很大的灵活性和开放性，系

统原理框图如图二所示。

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图二 正交调制器实验装置原理框图

本实验装置的单片机选用的是Atmel公司的单片机AT89C55WD,如图三单片

机的数据地址复用口全部与FPGA相连，此外地址的高三位也与FPGA相连，这主

要是为了让FPGA承担为单片机地址译码器选通外设的作用。单片机的WR、RD

和ALE也与FPGA相连，这是为了保证单片机与FPGA的通信时的时序问题。单片

机的IO口PI口全部接到开关上，使用独立式按键结构中的查询方式。如图四所

示，按键输入低电平有效，上拉电阻保证按键断开时，I/O口为高电平。

图三单片机与FPGA连接示意图图四单片机与开关连接示意图

本实验装置使用四只数码管作为显示，选用共阴电路。因单片机的I/O口有

限，故使用串行移位寄存器74HC595串行连接以控制显示器的显示输出。在单片

机只需要用三个I/O口分别于74HC595的14脚，11脚和12脚。

五、实验内容及步骤

1.实验装置的连接

2.Q9座“input”对应的“DDS信号产生器实验装置”输出频率设置为10MHz；

3.测量，记录并分析波形。

六、实验结果

1.DISP3=3，DISP2=2，此时观察的为10MHz中频参考本振信号，观察示波器输出，

得到图形如下：

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幅度平衡度为：20lg(384/648)=-4.54dB

相位平衡度为：|(26-24.5)/(26+24.5)|*90°=2.67°

2.DISP4=1，DISP3=1，DISP2=4，此时观察的为I&Q线性调频脉冲信号波形。观察

示波器输出，得到图形如下：

3.DISP4=1，DISP3=5，DISP2=4，此时观察的为10MHz中频线性调频脉冲信号波

形。观察示波器输出，得到图形如下：

4.DISP4=2，DISP3=4，DISP2=1，此时观察的为BPSK状态下I路和Q路视频信

号波形。观察示波器输出，得到图形如下：

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5.DISP4=2，DISP3=5，DISP2=1，此时观察的为BPSK信号调制后的中频信号波形。

观察示波器输出，得到图形如下：

6.DISP4=3，DISP3=4，DISP2=1，此时观察的为Fd信号I路和Q路视频信号波形。

观察示波器输出，得到图形如下：

7.DISP4=3，DISP3=5，DISP2=1，此时观察的为Fd信号调制后的中频信号波形。

观察示波器输出，得到图形如下：

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8.DISP4=4，DISP3=4，DISP2=1，此时观察的为PN信号I路和Q路视频信号波形。

观察示波器输出，得到图形如下：

9.DISP4=4，DISP3=5，DISP2=1，此时观察的为PN信号调制后的中频信号波形。

观察示波器输出，得到图形如下：

实验分析：

从LFM、BPSK、Fd信号和PN四种信号被调制后的中频信号频谱图可以看出，它

们的中心频率都为载波频率10MHz，随着信号类型的不同，有相应的频谱差别。

LFM信号频谱近似为一个矩形框；BPSK信号为SINC函数；Fd信号是冲激函数的

展宽；PN信号在载频10MHz附近近似为恒定值，约偏离中心载波频率幅值变化

越大。

Fd信号I通道和Q通道由于多普勒现象的存在出现了相位差，幅度也不相同，

出现了幅相不平衡。

不仅是Fd信号，因为本实验的调制采用模拟电路实现，不可避免的将会出现I

路和Q路信号幅值、相位的差别，引起幅相不平衡。

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七、思考题

分析10MHz中频BPSK信号的频谱特性、性能衡量指标。

答：频谱中心频率在10MHz，大包络呈SINC函数，零点在1/T处（T为脉冲宽度），

在1/NT处（N为码元个数）也存在极窄的SINC函数，使得整个频谱呈现梳齿状。

其性能衡量指标，可用频谱宽度，主旁瓣比，梳齿间隔宽度衡量。

实验二正交相干检波器

一、实验目的

1. 掌握正交相干检波的基本原理，实现方法和运用它检测信号（例如多普勒信

号）。

2. 掌握正交相干检波器幅度一致性和相位正交性（福祥不平衡）的测量方法。

二、实验仪器

信号源、示波器、直流稳压电源。

三、实验原理

在雷达信号处理中，由于信号与干扰混合波形的振幅和相位均含有信息，因此对

信号最佳处理应在接收机的中频进行。但是，对信号进行数字处理时，在中频进

行采样时十分困难的。由于中频本身并无目标信息，目标信息包含在中频的复包

络中。因此，须将中频信号变成等效的复数视频信号，以利于数字处理。正交相

干检波器就是一种将中频信号变换成复数视频信号的装置。

X(tYI(t)

YQ(t)

图1正交相干检波器功能框图

假定图1中输入的实窄带信号为：

x(t) a(t)cos[2 f0t (t)]

其中，a(t)为实窄带信号的幅度调制；f0为实窄带信号的中频， (t)为

实窄带信号的相位调制。如果x(t)用复指数表示，可写成：

x(t) a(t)ej (t)ej2 f0t (t)ej2 f0t

j (t)j2 f0t (t) a(t)ee其中，是复包络，是负载频。

x(t)中的信息全部包含在复包络 (t)中，所以只要处理 (t)就能得到信

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号的全部信息。复包络 (t)可以进一步写成：

(t) a(t)ej (t) a(t)cos (t) ja(t)sin (t)

参见图1，I支路乘法器的输出为：

x(t)xL(t) 2a(t)cos[2 f0t (t)]cos(2 f0t) a(t){cos (t) cos[4 f0t (t)]}

经过低通滤波（LPF）以后输出为：

yI(t) a(t)cos (t)

同样，Q支路的输出为：

x(t)xL(t) 2a(t)cos[2 f0t (t)]sin(2 f0t) a(t){sin (t) sin[4 f0t (t)]}

经过低通滤波（LPF）以后输出为：

yQ(t) a(t)sin (t)

用yI(t)作为实部，

即： yQ(t)作为虚部，组成一复信号恰好是中频x(t)的复包络。

(t) yI(t) jyQ(t)

因yI(t)和 yQ(t)均作为视频信号，而且包含了原信号的幅度和相位：

22 1a(t) yI(t) yQ(t), (t) tgyQ(t)

yI(t)

经变换后，就可对信号进行数字处理。

四、实验内容

1. 观看I、Q两路正交信号。

2. 根据记录的波形数据，测量两路信号的幅相不平衡度。

3. 幅相不平衡度的测量方法：

正交信号如图2所示，从示波器上读取正交I、Q信号的电压幅度值为AI和

AQ，按公式： A 20lgAI(dB)AQ，

计算幅度平衡值。

测量TA和TB的值，按公式：

计算相位平衡度。

(TA TB)/(TA TB) 90

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图1正交信号波形

五、实验步骤

1. 实验装置的连接

实验装置的Q9座“SIN”和“FO”分别连接到两台“DDS信号产生器实验装

置”上；Q9座“OUT1”和“OUT2”分别连接到示波器的两个输入端“CH1”

和“CH2”上；正确连接“+5V”和“±12V”电源。

2. Q9座“FO”对应的“DDS信号产生器实验装置”输出频率设置为10MHz（设

置方法见“DDS信号产生器实验”）；

3. Q9座“SIN”对应的“ＤＤＳ信号产生实验装置”输出频率从9.6MHz到

9.999MHz，分别按“K1”键和“K2”键，记录波形，并将测试数据填入表格。

4. 记录波形

9.6MHz

9.7 MHz

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9.8 MHz

9.9 MHz

9.95 MHz

9.97MHz

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9.99 MHz

9.999 MHz

5. 测试中频本振（/FO、FO）的幅相不平衡度。

波形如下：

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六、实验分析

(1) 从表格1中可以清楚地看到，如果输入信号SIN的频率偏离检波器理论中频

本振频率10MHz，将出现幅相不平衡的现象，且频率不同，幅相不平衡的程

度也不同。频率偏离越大，幅相不平衡现象越明显。也就是说，如果雷达回

波信号有多普勒频移，频移越大，幅相不平衡的影响就越严重。

(2) 从表格3可以看出，实验用中频本振信号本身就存在一定的幅相不平衡，用

它来参与解调，必然使得输出信号呈现一定的幅相不平衡。

(3) LPF前的信号是解调处理前的中频正交信号，LPF后的信号是解调后的输出视

频信号。它们都呈现出了幅相不平衡的特点。

七、思考题

(1) 幅相不平衡是什么原因造成的？

答：原因来自两个方面：

A. 本振信号由模拟信号产生，模拟移相器输出正交的SIN和COS信号，很

难完全保证幅度完全相同，相位相差90°。采用这样的本振信号与输

入信号相乘以后，必然导致幅相不平衡。

B. 实验中解调乘法完成以后，采用模拟低通滤波器滤波后，再经放大处理

得到视频I路和Q路信号。由于模拟滤波器和放大器不可能做到电路元

件参数完全一致，再加上温度等外界环境的影响，使得输出也不能一致。

(2) 幅相不平衡如何进行调整？

答：可以采用误差校正技术。接收机IQ检波前注入一个已知的理想信号，

该信号必须是已知其特性的合成多普勒信号。这个合成的多普勒信号经IQ

检波和FFT处理器处理，信号在镜频出的响应反映了IQ通道的幅相不平衡，

分析所得的误差数据，并记录储存在一个校准文件里。系统工作时，调用该

校准文件即可。

实验三匹配滤波器

一．实验目的

1.了解匹配滤波器的工作原理。

2.掌握二相编码脉冲信号的压缩比，主旁瓣比，码源宽度的测量方法。

3.加深和巩固课堂所学有关距离分辨力，横向滤波器‘和匹配滤波器方面知识。

二．实验仪器

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示波器，直流稳压电源，万用表。

三．实验原理

二相编码信号的匹配滤波器为：H（f）=μ1（f）²μ2（f）

式中，μ1（f）为子脉冲匹配滤波器，μ2（f）为横向滤波器（即抽头加权延时

线求和）二相编码信号的匹配滤波结构如图1所示。

图一 二相编码信号的匹配滤波器结构

子脉冲匹配滤波器频率特性为：

μ1（f）=Tsinc(fT)ej fT P

横向滤波器频率特性为

μ2（f）= c(p 1) ke j2 f(KT)

k 0p 1

式中，P为码长；T为码源宽度；cK为二相编码信号。

在此，采用数字信号处理省略了子脉冲匹配滤波器，所以脉冲压缩输出不再是三

角波而是方波。横行滤波器（即抽头加权延时线求和网络）的结构如图2所示，

在此采用超大规模集成

电路完成。

图二 横向滤波器（即抽头加权延时线求和网络）结构示意图

四．实验内容和步骤

1.检查信号箱电源以及信号输出的连接方式。

2.打开试验箱电源和示波器，调整示波器使观察信号最佳。

3.按键K1，数码管显示P，观察OUT1输出的单脉冲信号以及OUT2输出的匹配滤

波信号，记录输出波形。

4.用示波器测量压缩比,主旁瓣比，和码元宽度等参数。

5.再次按键K1，改变单脉冲信号码元宽度，LED4显示带小数点。观察信号和匹

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配滤波输出的改变，测量各项参数。

6.一次按键K2~K7，选择不同的输出信号，重复步骤2~4，观察波形，记录数据。

7.将实验记录数据填入表1.进行分析。

1.单脉冲

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2.脉冲串

3. 31位M序列

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4. 31位PN截断码

5. 13位巴克码

6. 13位巴克码

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五．思考题

1为什么脉冲压缩输出波形为方波而不是三角波？

2.主副瓣比的测量方法有哪些？

3.31位PN截断码（m序列中截取一个周期）与31位m序列的脉冲压缩输出波形

为何不一样？

答:

1.因为滤波阶数不够，滤波效果不佳，没有把基波滤掉，从波形上可见，基波分

量比三次谐波分量还大。方波的基波/三次谐波分量比为1/3，尚能对付，三角

波为1/9，谐波分量太小了。

2. 幅度最大的值作为主瓣，幅度仅次于主瓣的作为副瓣，二者比值为主副瓣比。

实验四 动目标检测及相参积累

一、实验目的

1、了解动目标检测（MTD）及相参积累的工作原理。

2、掌握动目标检测（MTD）及相参积累的性能测试方法。

二、实验仪器

示波器、万用表。

三、实验原理

动目标检测（MTD）是利用了动目标雷达回波信号的多普勒频率偏移，采用

滤波器组在复杂的雷达回波中检测出运动目标的多普勒频率，

并以此来确定动目

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标的距离、速度和方位。其中，滤波器组具有不同的中心频率，其实质是相当于

对不同多普勒通道进行相参积累处理。

当杂波功率谱C(f)和信号频谱S（f）已知时，最佳滤波器的频率响应是：

S (f)e j2πft0H f =

这一滤波器可分为两个级联的滤波器H1(f)和H2(f)，其传递函数分别为 |H1 f |2=1C(f) H2 f =H1fS(f)e j2πft0

H1 f 用于杂波抑制，而H2 f 用于对雷达回波脉冲串信号匹配。MTI滤波器

相当与H1 f ，只能使其滤波特性的凹口对准杂波梳状谱的中心，且使二者宽度

基本相同。对于相参脉冲串信号，H2 f 还可进一步表示为：

H2 f =H21 f H22 f

即信号匹配滤波器为H21 f 和H22 f 两个滤波器级联。式中H21 f 为单个脉冲

的匹配滤波器，H22 f 利用回波脉冲串的相位特性而进行相参积累，它是梳状形

滤波器，齿的间隔为脉冲重复频率fr，齿的位置取决于回波信号的多普勒频移，

而齿的宽度则应和回波谱线宽度相一致。

要对回波相参脉冲串作匹配滤波，必须知道目标的多普勒频移以及天线扫描

对脉冲串的调制情况。实际情况中，多普勒频移fd不能预知，因此需要采用一组

相邻且部分重叠的滤波器组，覆盖整个多普勒频率范围，如下图所示。

图6.1 动目标显示和多普勒滤波器组的特性

我们可以看出MTI滤波无法抑制图中具有多普勒频移的气象杂波，但是MTD

滤波完全抑制了气象杂波对动目标回波的干扰，

同时我们也可以初步确定动目标

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回波的多普勒频移范围。

MTD滤波器具有N个输出的横向滤波器，经过各重复周期的不同加权并求

和后，可实现N个相邻的窄带滤波器组，原理结构框图如下所示。

Q复序列按不同距离单元、在不同重复周期Tr的顺序输入的，而MTD处理是对同

一距离单元的相邻若干次扫掠内的信号进行频域滤波，且所需处理的通常不是某

一个或某一部分距离单元，而是作用距离的全程。因此在I/Q采样与MTD滤波器

之间必须要有MTD输入缓存器来完成序列的暂存与格式转换。它的工作方式为正

交存取方式。

存入方向

取出方向 TT ……… T

图6.3 MTD输入缓存器存储空间分布及写入/读出顺序

为保证对全程每个距离单元的滤波能在NTr（即相参处理间隔CPI）内完成，

输入缓存的读出速率一般可以比其写入速率快些。在实际实现中，一般需要两组

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结构相同的输入缓存电路乒乓交替读写，以保证在不丢失任何数据的前提下进行

MTD流水式滤波处理。且每一组均有两套结构相同的存储电路，以分别同时缓存

同相和正交数据。

Magnitude(dB)Magnitude(dB

)Frequency(Hz)Frequency(Hz)

图6.4 时域FIR滤波器组实现的16和8脉冲MTD

图6.4（a）为16脉冲MTD特性曲线，图4（b）为8脉冲MTD特性曲线。

图中凹口宽度W1与总底部宽度W2之比定义为凹口相对宽度，它代表了抑制杂波

的频谱宽度，越宽则抑制杂波的频谱宽度越宽，杂波抑制性能越好，但盲速越严

重，丢失运动目标的可能性越大，信噪比损失越严重；反过来，MTD滤波器凹口

相对宽度越窄则抑制杂波的频谱宽度越窄，杂波抑制性能越差，盲速则相对不严

重，丢失目标的可能性小，信噪比损失不严重。因此，MTD滤波器凹口相对宽度

要折衷选择。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/q0g1.html