《电子技术应用》

一种宽带数控模拟复相关器的设计及实现

2017年电子技术应用第7期
辛 心,王 超,胡岸勇,苗俊刚
(北京航空航天大学 微波感知与安防应用北京市重点实验室,北京100191)
摘要: 介绍了一种加法型增益与偏置可数字控制的1.5~2.5 GHz模拟复相关器的设计原理及实现过程,并分别在点频与宽带输入信号情况下,评估了复相关器的等效相关带宽与相位的测量精度,以及在不同输入功率情况下的信噪比。实验结果表明,此模拟复相关器的增益与偏置可实现数字自动调整,在1 GHz工作带宽内幅度变化不超过1.5 dB,等效相关噪声带宽达到0.905 GHz,相位测量精度优于2.5°,在输入功率为-13 dBm时,信噪比达到13 dB。
中图分类号: TN928
文献标识码: 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. 一种宽带数控模拟复相关器的设计及实现[J].电子技术应用,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.

Design and implementation of a digitally controlled wideband analog complex correlator

Xin Xin,Wang Chao,Hu Anyong,Miao Jungang
(Beijing Key Laboratory of Microwave Perception and Security Applications,Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100191,China)
Abstract: A 1.5 GHz~2.5 GHz analog complex correlator using “add and square” scheme was designed and implemented for passive millimeter-wave imaging applications. A digital gain and offset control scheme was adopted. The results of single frequency test show that the output amplitude variation is less than 1.5 dB, and the equivalent correlation bandwidth is 0.905 GHz. Meanwhile, the results of broadband noise measurement show that the correlator phase accuracy is better than 2.5°. At last, an experiment under low SNR environment is carried out to evaluate the influence on the signal-to-noise ratio(SNR) brought by different input power. The results show that in the range of -20~-10 dBm, SNR becomes higher as input power increases and SNR is 13 dB when input power reaches -13 dBm.

0 引言

    采用被动毫米波成像技术的设备具有全天候、全天时工作的优势。毫米波能穿透衣物,在安防领域,通过毫米波被动成像技术,可以实现对隐匿武器的检测[1-4]复相关器是毫米波被动成像系统[5-6]的核心器件之一,复相关器的恰当设计是系统实现良好性能的重要保障,其实现方法分为模拟相关和数字相关两种。采用数字相关器可以达到高频谱分辨率,还可以方便地得到大范围的时延,适合工作于通道数量多的系统。但是数字相关器在将模拟信号进行量化时具有量化误差,因此,其灵敏度低于模拟复相关器。模拟复相关器灵敏度高,具有更宽的工作带宽[7-10]。本文介绍一种模拟复相关器,该复相关器可测量两路信号的相关值,采用数字控制调节信号的增益与偏置,具有更强的灵活性和更好的一致性。

1 加法型模拟复相关器的设计方案

    本复相关器设计指标:工作频率1.5 GHz~2.5 GHz,在1 GHz带宽内输出幅度变化不超过1.5 dB,相位反演误差不超过5°。复相关器的结构如图1所示。

sp5-t1.gif

    该复相关器采用一种加法型复相关器结构[11-12]。复相关电路由功分器与90°混合耦合器组成的射频移相网络、检波二极管、低通滤波器以及差分放大器组成。射频移相网络由3个90°混合耦合器、1个功分器组成。信号经过射频移相网络,分别得到含有实部相关信息和虚部相关信息的信号。检波二极管对每一路射频信号进行平方律检波。低通滤波器滤除信号检波后无用的高频成分,只保留直流成分。最后,对直流信号进行放大,并对输出信号进行AD采样,采样后将包含实部信息的两路信号作差,包含虚部信息的两路信号作差,得到实部与虚部的相关值。

    图1中的两路输入信号的电压可以表示为:

sp5-gs1-4.gif

其中,G是放大器的增益,K是二极管检波灵敏度。因为Vreal是实相关结果,Vimag与实相关结果正交[13]。因此该方案可以实现计算两路信号复相关值的功能。

2 数字控制复相关器的增益与偏置方案设计

    在系统应用过程中,采取数字控制方案调整复相关器实部与虚部输出信号的增益与偏置,该方案结构设计如图2所示。

sp5-t2.gif

    放大器的增益与偏置分别由与其连接的数控电位器(digital potentiometer,digipot)的电阻值决定。选用的digipot芯片可以通过SPI通信协议接收MCU发送来的指令,从而改变接入电路的电阻值,也就改变了放大器的增益与偏置。硬件控制部分以MCU为核心, MCU将上位机发送来的指令进行处理,并发送给与指令地址对应的digipot芯片。

    数字控制方案软件设计包括用户界面主程序、MCU控制程序、串口通信程序、自动调节增益与偏置程序、手动调节增益与偏置程序、AD采集程序与数据存储程序等。其整体程序流程如图3所示。

sp5-t3.gif

3 数字控制复相关器的增益与偏置方案设计

3.1 复相关器的硬件实现

    考虑到系统集成,该模拟复相关器分为复相关模块与数字控制模块。复相关模块包括射频移相网络、检波电路与放大电路,数字控制模块包括MCU及其外围电路、串口通信电路与将输出的单端信号转换为差分信号的电路。

    该复相关器工作带宽为1.5 GHz~2.5 GHz,应用于被动毫米波成像系统,设计时需要尽可能使体积减小,成本降低,同时满足其在1 GHz带宽内输出幅度变化不超过1.5 dB,相位反演误差不超过5°的设计要求。射频移相网络通过分立表贴器件实现,以减小电路板尺寸。电路板顶层与底层都放置器件,以最大限度地利用空间。

    检波二极管芯片选用AVAGO的HSMS-285x系列,该芯片具有一致性较好的2个通道,且无偏置,检波灵敏度高,因此是较理想的选择。低通滤波器采用RC低通滤波器,截止频率为1 MHz。为保证增益与偏置电压调节精度,数控电位器选用Analog Devices的AD526x系列,该系列支持SPI、I2C通信该系列芯片将总阻值分为256个可调节档位,最大容差为8%,保证了所需调节精度。最终实现的调节精度为:第一级放大器偏置步进量0.2 V,第二级放大器偏置步进量10 mV。

    系统应用中, 8个通道集成在一起,其增益与偏置由1个数控模块进行控制,结构图如图4所示。

sp5-t4.gif

3.2 点频测试

    为验证复相关器的功能,并测试其在工作带宽内的幅度变化与其等效相关带宽,需要对其进行点频测试,系统框图如图5所示。测试中,通过改变移相器的移相值,在IF端口得到两路相位差在0°~360°变化的信号。

sp5-t5.gif

    在中心频率2 GHz下模拟复相关器的输出如图6所示。在0°~360°内,实部输出电压值Vreal、虚部输出电压值Vimag曲线符合余弦正弦函数规律,实部输出信号与虚部输出信号正交,实现了两路信号的互相关运算功能。以(Vreal,Vimag)为坐标,画出测试数据所对应的点,这些点组合成一个复相关圆,测试点与复相关圆的拟合程度越高,复相关器的工作性能越接近于理想状态。输入功率为-16 dBm时复相关圆如图7所示。图中的点为实测数据,图中的圆为各实测数据点通过最小二乘法得到的拟合圆[14]。根据非线性回归方程拟合优度计算公式[15]计算出实测数据与复相关圆的拟合优度。拟合圆的圆心偏置及拟合度见表1。复相关器在1.5 GHz~2.5 GHz范围内的输出幅度变化如图8所示。

sp5-t6.gif

sp5-t7.gif

sp5-b1.gif

sp5-t8.gif

    由图表易得,输出信号与相关圆的拟合度均在0.96以上,拟合度较好。图7中不同频率下的复相关圆的圆心有偏移,这是由射频移相网络与检波二极管在不同频率下的特性差异造成的。复相关器在2 GHz下相位反演误差为1.615 9°。在1.5 GHz~2.5 GHz的工作带宽内,复相关器的输出幅度变化不超过1.5 dB,等效相关带宽为0.905 4 GHz,满足设计指标的要求。

3.3 宽带测试

    为评估模拟复相关器在实际系统应用中的工作性能,对模拟复相关器进行宽带噪声信号测试。测试系统结构如图9所示。改变可变衰减器的衰减值,输入到复相关器的信号功率也随之改变。本实验在不同输入功率下测试复相关器的工作性能。

sp5-t9.gif

    得到的相关圆测试结果如图10所示。相关圆的圆心偏置与拟合度见表2。反演相位的均方根误差如图11所示。由图表易得,复相关圆的圆心偏置均在0.1以下,拟合度均在0.96左右,拟合程度较好。反演相位的均方根误差均在2.5°以内,符合系统5°以内的指标要求。

sp5-t10.gif

sp5-b2.gif

sp5-t11.gif

3.4 信噪比测试

    该复相关器应用于被动毫米波成像系统中,为探究不同输入功率对复相关器输出信号的信噪比影响,搭建系统进行实验。测试系统框图如图12所示。

sp5-t12.gif

    由于系统成像应用情景下信号相关性很小,因此在测试过程中将噪声源断电,来满足弱相关性的条件。矢量调制器控制两路本振信号的相位差在0°~360°等步进变化,从而使中频信号IF1与IF2的相位差在0°~360°改变。通过调整功率补偿模块的衰减值,改变输入到复相关器的信号功率,以对比相关器在不同输入功率下的信噪比。实验测试了-13 dBm、-16 dBm、-19 dBm输入功率下复相关器的信噪比。

    设第k个相位点处第i个数据为ri,i=1,2,3,……,1 280;k=1,2,3,…,8,则可以计算该相位点所有数据的标准差:

sp5-gs5-6.gif

    容易得出,比值结果Rk反映了噪信比大小,其值越小越好。为了更直接地显示各功率下信噪比,将Rk转换成信噪比,数据见表3。C1~C3是数控可调复相关器的编号。从表3易得出结论,同一种复相关器在功率较大时,信噪比也较高。

sp5-b3.gif

4 结论

    该加法型模拟复相关器通过1.5 GHz~2.5 GHz射频移相网络实现实部、虚部相关值的测量。数控增益与偏置方案的设计,使对输出信号增益与偏置的控制便利且精确,增益步进量30 mV,第一级放大器偏置步进量0.2 V,第二级放大器偏置步进量10 mV。宽带测试下相位反演精度在2.5°以内,在1 GHz工作带宽内幅度变化不超过1.5 dB,等效相关噪声带宽达到0.905 GHz。且信噪比在检波二极管工作范围内,随着输入功率增大而增大。

    通过进一步优化射频移相网络的传输线,可以得到更精确的相位反演精度。为得到更高信噪比,在检波二极管的工作范围内,应尽可能提高输入功率。

参考文献

[1] YUJIRI L,SHOUCRI M,MOFFA P.Passive millimeter wave imaging[J].IEEE Microw Mag.IEEE Microwave Magazine,2003,4(3):39-50.

[2] KOLINKO V G,LIN S H,SHEK A,et al.A passive millimeter-wave imaging system for concealed weapons and explosives detection[C].Optics and Photonics in Global Homeland Security.San Diego:Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering,2005,5781:85-92.

[3] NANZER J.Microwave and millimeter-wave remote sensing for security applications[M].Norwood:Artech House,2012:1-10.

[4] KIM W G,MOON N W,CHANG Y S,et al.System design of focal plane array based Millimeter-wave Imaging radiometer for concealed weapon detection[C].Geoscience and Remote Sensing Symposium(IGARSS).Korea:2011 IEEE International,2011,58(11):2258-2261.

[5] ZHENG C,Yao X,HU A,et al.A passive millimeter-wave imager used for concealed weapon detection[J].Progress in Electromagnetics Research B,2013,46(46):379-397.

[6] HU A,MIAO J.Prototype development of AN 8 mm-band two dimensional interferometric synthetic aperture radiometer[C].Mechanic Automation and Control Engineering(MACE).Beijing:Second International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering,2011:1487-1490.  

[7] HARRIS A I,ZMUIDZINAS J.A wideband lag correlator for heterodyne spectroscopy of broad astronomical and atmospheric spectral lines[J].Review of Scientific Instruments,2001,72(2):1531-1538.

[8] HOLLER C M,KANEKO T,JONES M E,et al.A 6-12 GHz analogue lag-correlator for radio interferometry[J].Astronomy & Astrophysics,2007,464(2):795-806.

[9] LI C T,KUBO D Y,WILSON W,et al.AMiBA wideband analog correlator[J].Astrophysical Journal,2010,716(1):746-757.

[10] TOONEN R C,HASELBY C C,BLICK R H.An ultrawideband cross-correlation radiometer for mesoscopic experiments[J].IEEE Transactions on Instrumentation & Measurement,2008,57(12):2874-2879.

[11] 王新彪,李靖,姜景山.全极化微波辐射计加法型模拟复相关器研究[J].宇航学报,2011,32(8):1840-1847.

[12] 王新彪.Ka波段模拟型全极化微波辐射计研究[D].北京:中国科学院空间研究所,2011:14-17.

[13] KOISTINEN O,LAHTINEN J,HALLIKAINEN M T.Comparison of analog continuum correlators for remote sensing and radio astronomy[J].IEEE Transactions on Instrumentation & Measurement,2002,51(2):227-234.

[14] AHN S J,RAUH W,WARNECKE H J.Least-squares orthogonal distances fitting of circle,sphere,ellipse,hyperbola,and parabola[J].Pattern Recognition,2001,34(12):2283-2303.

[15] HAESSEL W.Measuring goodness of fit in linear and nonlinear models[J].Southern Economic Journal,1978,44(3):648.



作者信息:

辛  心,王  超,胡岸勇,苗俊刚

(北京航空航天大学 微波感知与安防应用北京市重点实验室,北京100191)

继续阅读>>