LFM信号由于其具有较大的带宽时宽积,广泛应用于现代雷达系统中。频率线性地向上或向下扫过脉冲宽带,以向上线性调频为例,LFM 信号可以表示为
x(t)=exp(j2π(f0t+μ2t2))Rect(tτ0)(1)
其中,Rect(tτ0)表示宽带为τ0的矩形脉冲,该式为线性调频信号的解析信号。其频谱主要由exp(jπμt2)Rect(tτ0)决定,而exp(j2πf0t)相当于对频谱引入了关于中心频率为f0的频移。
考虑基带LFM信号,调频信号的频率范围从f0→f0+μτ0,故f0可设置为−μτ02.设LFM信号的带宽为B,求得下列信号的傅里叶变换,即
^X(f)=∫+∞−∞exp(jπμt2)Rect(tτ0)e−j2πftdt=∫τ02−τ02ejπμt2e−j2πftdf(2)
考虑菲涅耳积分的形式,进行变量代换,设μ′=πμ,令z=√2π(√μ′t−πf√μ′),并且有dt=√π2μ′dz,式(2)可以改写为
^X(f)=√π2μ′e−j(πf)2/μ′∫z2−z1ejπz2/2dz=√π2μ′e−j(πf)2/μ′{∫z10ejπz2/2+∫z20ejπz2/2}z1=−√2μ′π(τ02+πfμ′)=√Bτ02(1+fB/2)z2=√2μ′π(τ02−fμ)=√Bτ02(1−fB/2)(3)
利用C(z),S(z)表示菲涅尔(Fresnel)积分,定义为
C(z)=∫z0cos(πv22)dvS(z)=∫z0sin(πv22)dv(4)
有C(−z)=−C(z),S(−z)=−S(z),其中,若z>>1,菲涅尔积分可近似表示为
C(z)≈12+1πzsin(π2z2)S(z)≈12−1πzcos(π2z2)(5)
进而可得到^X(f)的频谱为
^X(f)=√π2μ′e−j(πf)2/(μ′){[C(z1)+C(z2)]+j[S(z1)+S(z2)]}=√12μe−j(πf)2/(μ′){[C(z1)+C(z2)]+j[S(z1)+S(z2)]}(6)
令时宽带宽积为Q=Bτ0,若该值较大,从式(6)中可以推导,当频段处于调频信号的频段,即−B/2∼B/2,此时z1和z2近似相等,且此时C(z1),C(z2),S(z1),S(z2)均近似等于1/2, LFM信号的频谱幅值近似等于 √1μ,当频段远大于B/2或远小于-B/2时,z1,z2可近似认为互为相反数,于是其频谱幅值近似为0.后续仿真可验证此结论。
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