文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.07.005
中文引用格式： 辛心，王超，胡岸勇，等. 一種寬帶數(shù)控模擬復(fù)相關(guān)器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(7)：19-23.
英文引用格式： Xin Xin，Wang Chao，Hu Anyong，et al. Design and implementation of a digitally controlled wideband analog complex correlator[J].Application of Electronic Technique，2017，43(7)：19-23.
0 引言
采用被動(dòng)毫米波成像技術(shù)的設(shè)備具有全天候、全天時(shí)工作的優(yōu)勢(shì)。毫米波能穿透衣物，在安防領(lǐng)域，通過(guò)毫米波被動(dòng)成像技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)隱匿武器的檢測(cè)[1-4]。復(fù)相關(guān)器是毫米波被動(dòng)成像系統(tǒng)[5-6]的核心器件之一，復(fù)相關(guān)器的恰當(dāng)設(shè)計(jì)是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)良好性能的重要保障，其實(shí)現(xiàn)方法分為模擬相關(guān)和數(shù)字相關(guān)兩種。采用數(shù)字相關(guān)器可以達(dá)到高頻譜分辨率，還可以方便地得到大范圍的時(shí)延，適合工作于通道數(shù)量多的系統(tǒng)。但是數(shù)字相關(guān)器在將模擬信號(hào)進(jìn)行量化時(shí)具有量化誤差，因此，其靈敏度低于模擬復(fù)相關(guān)器。模擬復(fù)相關(guān)器靈敏度高，具有更寬的工作帶寬[7-10]。本文介紹一種模擬復(fù)相關(guān)器，該復(fù)相關(guān)器可測(cè)量?jī)陕沸盘?hào)的相關(guān)值，采用數(shù)字控制調(diào)節(jié)信號(hào)的增益與偏置，具有更強(qiáng)的靈活性和更好的一致性。
1 加法型模擬復(fù)相關(guān)器的設(shè)計(jì)方案
本復(fù)相關(guān)器設(shè)計(jì)指標(biāo)：工作頻率1.5 GHz～2.5 GHz，在1 GHz帶寬內(nèi)輸出幅度變化不超過(guò)1.5 dB，相位反演誤差不超過(guò)5°。復(fù)相關(guān)器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
該復(fù)相關(guān)器采用一種加法型復(fù)相關(guān)器結(jié)構(gòu)[11-12]。復(fù)相關(guān)電路由功分器與90°混合耦合器組成的射頻移相網(wǎng)絡(luò)、檢波二極管、低通濾波器以及差分放大器組成。射頻移相網(wǎng)絡(luò)由3個(gè)90°混合耦合器、1個(gè)功分器組成。信號(hào)經(jīng)過(guò)射頻移相網(wǎng)絡(luò)，分別得到含有實(shí)部相關(guān)信息和虛部相關(guān)信息的信號(hào)。檢波二極管對(duì)每一路射頻信號(hào)進(jìn)行平方律檢波。低通濾波器濾除信號(hào)檢波后無(wú)用的高頻成分，只保留直流成分。最后，對(duì)直流信號(hào)進(jìn)行放大，并對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行AD采樣，采樣后將包含實(shí)部信息的兩路信號(hào)作差，包含虛部信息的兩路信號(hào)作差，得到實(shí)部與虛部的相關(guān)值。
圖1中的兩路輸入信號(hào)的電壓可以表示為：
其中，G是放大器的增益，K是二極管檢波靈敏度。因?yàn)閂real是實(shí)相關(guān)結(jié)果，Vimag與實(shí)相關(guān)結(jié)果正交[13]。因此該方案可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算兩路信號(hào)復(fù)相關(guān)值的功能。
2 數(shù)字控制復(fù)相關(guān)器的增益與偏置方案設(shè)計(jì)
在系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中，采取數(shù)字控制方案調(diào)整復(fù)相關(guān)器實(shí)部與虛部輸出信號(hào)的增益與偏置，該方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。
放大器的增益與偏置分別由與其連接的數(shù)控電位器(digital potentiometer，digipot)的電阻值決定。選用的digipot芯片可以通過(guò)SPI通信協(xié)議接收MCU發(fā)送來(lái)的指令，從而改變接入電路的電阻值，也就改變了放大器的增益與偏置。硬件控制部分以MCU為核心， MCU將上位機(jī)發(fā)送來(lái)的指令進(jìn)行處理，并發(fā)送給與指令地址對(duì)應(yīng)的digipot芯片。
數(shù)字控制方案軟件設(shè)計(jì)包括用戶界面主程序、MCU控制程序、串口通信程序、自動(dòng)調(diào)節(jié)增益與偏置程序、手動(dòng)調(diào)節(jié)增益與偏置程序、AD采集程序與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序等。其整體程序流程如圖3所示。
3 數(shù)字控制復(fù)相關(guān)器的增益與偏置方案設(shè)計(jì)
3.1 復(fù)相關(guān)器的硬件實(shí)現(xiàn)
考慮到系統(tǒng)集成，該模擬復(fù)相關(guān)器分為復(fù)相關(guān)模塊與數(shù)字控制模塊。復(fù)相關(guān)模塊包括射頻移相網(wǎng)絡(luò)、檢波電路與放大電路，數(shù)字控制模塊包括MCU及其外圍電路、串口通信電路與將輸出的單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)的電路。
該復(fù)相關(guān)器工作帶寬為1.5 GHz～2.5 GHz，應(yīng)用于被動(dòng)毫米波成像系統(tǒng)，設(shè)計(jì)時(shí)需要盡可能使體積減小，成本降低，同時(shí)滿足其在1 GHz帶寬內(nèi)輸出幅度變化不超過(guò)1.5 dB，相位反演誤差不超過(guò)5°的設(shè)計(jì)要求。射頻移相網(wǎng)絡(luò)通過(guò)分立表貼器件實(shí)現(xiàn)，以減小電路板尺寸。電路板頂層與底層都放置器件，以最大限度地利用空間。
檢波二極管芯片選用AVAGO的HSMS-285x系列，該芯片具有一致性較好的2個(gè)通道，且無(wú)偏置，檢波靈敏度高，因此是較理想的選擇。低通濾波器采用RC低通濾波器，截止頻率為1 MHz。為保證增益與偏置電壓調(diào)節(jié)精度，數(shù)控電位器選用Analog Devices的AD526x系列，該系列支持SPI、I2C通信該系列芯片將總阻值分為256個(gè)可調(diào)節(jié)檔位，最大容差為8%，保證了所需調(diào)節(jié)精度。最終實(shí)現(xiàn)的調(diào)節(jié)精度為：第一級(jí)放大器偏置步進(jìn)量0.2 V，第二級(jí)放大器偏置步進(jìn)量10 mV。
系統(tǒng)應(yīng)用中， 8個(gè)通道集成在一起，其增益與偏置由1個(gè)數(shù)控模塊進(jìn)行控制，結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。
3.2 點(diǎn)頻測(cè)試
為驗(yàn)證復(fù)相關(guān)器的功能，并測(cè)試其在工作帶寬內(nèi)的幅度變化與其等效相關(guān)帶寬，需要對(duì)其進(jìn)行點(diǎn)頻測(cè)試，系統(tǒng)框圖如圖5所示。測(cè)試中，通過(guò)改變移相器的移相值，在IF端口得到兩路相位差在0°～360°變化的信號(hào)。
在中心頻率2 GHz下模擬復(fù)相關(guān)器的輸出如圖6所示。在0°～360°內(nèi)，實(shí)部輸出電壓值Vreal、虛部輸出電壓值Vimag曲線符合余弦正弦函數(shù)規(guī)律，實(shí)部輸出信號(hào)與虛部輸出信號(hào)正交，實(shí)現(xiàn)了兩路信號(hào)的互相關(guān)運(yùn)算功能。以(Vreal，Vimag)為坐標(biāo)，畫(huà)出測(cè)試數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，這些點(diǎn)組合成一個(gè)復(fù)相關(guān)圓，測(cè)試點(diǎn)與復(fù)相關(guān)圓的擬合程度越高，復(fù)相關(guān)器的工作性能越接近于理想狀態(tài)。輸入功率為-16 dBm時(shí)復(fù)相關(guān)圓如圖7所示。圖中的點(diǎn)為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，圖中的圓為各實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)通過(guò)最小二乘法得到的擬合圓[14]。根據(jù)非線性回歸方程擬合優(yōu)度計(jì)算公式[15]計(jì)算出實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與復(fù)相關(guān)圓的擬合優(yōu)度。擬合圓的圓心偏置及擬合度見(jiàn)表1。復(fù)相關(guān)器在1.5 GHz～2.5 GHz范圍內(nèi)的輸出幅度變化如圖8所示。
由圖表易得，輸出信號(hào)與相關(guān)圓的擬合度均在0.96以上，擬合度較好。圖7中不同頻率下的復(fù)相關(guān)圓的圓心有偏移，這是由射頻移相網(wǎng)絡(luò)與檢波二極管在不同頻率下的特性差異造成的。復(fù)相關(guān)器在2 GHz下相位反演誤差為1.615 9°。在1.5 GHz～2.5 GHz的工作帶寬內(nèi)，復(fù)相關(guān)器的輸出幅度變化不超過(guò)1.5 dB，等效相關(guān)帶寬為0.905 4 GHz，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。
3.3 寬帶測(cè)試
為評(píng)估模擬復(fù)相關(guān)器在實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用中的工作性能，對(duì)模擬復(fù)相關(guān)器進(jìn)行寬帶噪聲信號(hào)測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9所示。改變可變衰減器的衰減值，輸入到復(fù)相關(guān)器的信號(hào)功率也隨之改變。本實(shí)驗(yàn)在不同輸入功率下測(cè)試復(fù)相關(guān)器的工作性能。
得到的相關(guān)圓測(cè)試結(jié)果如圖10所示。相關(guān)圓的圓心偏置與擬合度見(jiàn)表2。反演相位的均方根誤差如圖11所示。由圖表易得，復(fù)相關(guān)圓的圓心偏置均在0.1以下，擬合度均在0.96左右，擬合程度較好。反演相位的均方根誤差均在2.5°以內(nèi)，符合系統(tǒng)5°以內(nèi)的指標(biāo)要求。
3.4 信噪比測(cè)試
該復(fù)相關(guān)器應(yīng)用于被動(dòng)毫米波成像系統(tǒng)中，為探究不同輸入功率對(duì)復(fù)相關(guān)器輸出信號(hào)的信噪比影響，搭建系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖12所示。
由于系統(tǒng)成像應(yīng)用情景下信號(hào)相關(guān)性很小，因此在測(cè)試過(guò)程中將噪聲源斷電，來(lái)滿足弱相關(guān)性的條件。矢量調(diào)制器控制兩路本振信號(hào)的相位差在0°～360°等步進(jìn)變化，從而使中頻信號(hào)IF1與IF2的相位差在0°～360°改變。通過(guò)調(diào)整功率補(bǔ)償模塊的衰減值，改變輸入到復(fù)相關(guān)器的信號(hào)功率，以對(duì)比相關(guān)器在不同輸入功率下的信噪比。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了-13 dBm、-16 dBm、-19 dBm輸入功率下復(fù)相關(guān)器的信噪比。
設(shè)第k個(gè)相位點(diǎn)處第i個(gè)數(shù)據(jù)為ri，i=1，2，3，……，1 280；k=1，2，3，…，8，則可以計(jì)算該相位點(diǎn)所有數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差：
容易得出，比值結(jié)果Rk反映了噪信比大小，其值越小越好。為了更直接地顯示各功率下信噪比，將Rk轉(zhuǎn)換成信噪比，數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。C1～C3是數(shù)控可調(diào)復(fù)相關(guān)器的編號(hào)。從表3易得出結(jié)論，同一種復(fù)相關(guān)器在功率較大時(shí)，信噪比也較高。
4 結(jié)論
該加法型模擬復(fù)相關(guān)器通過(guò)1.5 GHz～2.5 GHz射頻移相網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)實(shí)部、虛部相關(guān)值的測(cè)量。數(shù)控增益與偏置方案的設(shè)計(jì)，使對(duì)輸出信號(hào)增益與偏置的控制便利且精確，增益步進(jìn)量30 mV，第一級(jí)放大器偏置步進(jìn)量0.2 V，第二級(jí)放大器偏置步進(jìn)量10 mV。寬帶測(cè)試下相位反演精度在2.5°以內(nèi)，在1 GHz工作帶寬內(nèi)幅度變化不超過(guò)1.5 dB，等效相關(guān)噪聲帶寬達(dá)到0.905 GHz。且信噪比在檢波二極管工作范圍內(nèi)，隨著輸入功率增大而增大。
通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化射頻移相網(wǎng)絡(luò)的傳輸線，可以得到更精確的相位反演精度。為得到更高信噪比，在檢波二極管的工作范圍內(nèi)，應(yīng)盡可能提高輸入功率。
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作者信息：
辛 心，王 超，胡岸勇，苗俊剛
（北京航空航天大學(xué) 微波感知與安防應(yīng)用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100191）