《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 作者:辛 心,王 超,胡岸勇,苗俊刚
2017/7/28 11:39:00

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。

    关键词: 毫米波被动成像;复相关;模拟复相关器

    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.

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。

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    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:

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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。

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    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。

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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。

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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。

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    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。

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    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。

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    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。

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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。

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    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:

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    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。

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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。

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