C波段高精度數(shù)字化鑒相器

李少甫，劉 聰，李 端，李雅楠，王蘭蘭，高 蟠，何永斌，郭 鋒，夏祖學

(西南科技大學信息工程學院，四川綿陽621010)

0 引言

微波相位測量在無線通信電路、雷達發(fā)射接收機電路、無線定位和微波傳感器測量等領域有重要應用［1-3］。微波相位測量是比較成熟的技術，但是對于特定的應用，通用的方法無法滿足需要。在很多應用中，微波頻率抖動和相位是非常重要的參量，因而研究其檢測技術非常重要。文獻［1］的實驗方法中采用雙平衡混頻的方法能夠測量相位，但不能夠測量頻率。本文研究一種聯(lián)合使用FFT和非線性最小二乘法擬合的測量方法可以同時測量頻率和相位。

1 原理和總體電路

總體電路如圖1所示，由于在C波段頻率比較高，為了降低數(shù)字化采樣的采樣率采用變頻降低頻率。電路由本振電路、本振監(jiān)測電路、本振低通濾波電路、本振功分電路、變頻電路和中頻低通濾波電路等構成。

圖1 數(shù)字化相位測量總體電路

1.1 本振電路

本振電路采用 hittite的hmc358電路，頻率在6.5 GHz左右，可以調整。直流供電電壓3 V，電流100 mA;頻率調整電壓為0～10 V，頻率可調范圍是5.8～6.8 GHz;輸出功率最大到10 dBm;二次諧波和三次諧波相對基波水平分別為-10 dB和-20 dB。

本振監(jiān)測電路采用微帶電路，設計在電路板上，監(jiān)測端耦合度為20 dB。本振低通濾波電路采用9階Butterworth低通支線微帶電路，設計在電路板上，目的是濾除本振的二次以上諧波，幅頻特性如圖2所示。本振功分電路采用Wilkinson微帶功分電路，設計在電路板上。

圖2 本振低通濾波器幅頻特性

1.2 變頻電路

變頻電路采用Hittite的Hmc219電路，其RF和本振輸入頻率范圍為4.5～9 GHz，在本振輸入功率13 dBm非線性1 dB壓縮功率可達10 dBm，中頻輸出頻率范圍為DC～2.5 GHz，變頻損耗8.5 dB左右，本振與RF之間的隔離度為25 dB左右。

被測試微波經過變頻電路后，頻率在500 MHz左右，有8.5 dB左右的損耗。為了濾除高次諧波，設計了一個6階Butterworth低通支線微帶電路，設計在電路板上，幅頻特性如圖3所示。考慮到電路尺寸設計的階數(shù)不是太高，且Hmc219電路是雙平衡混頻器，對帶外諧波有較強的抑制，這樣2個電路加起來對于本振、RF和上邊帶的抑制在50 dB以上。

變頻后的信號經過高速A/D變換后送計算機進行相位測量等數(shù)據(jù)處理。

圖3 中頻低通濾波器幅頻特性

2 數(shù)字化相位測量

微波相位測量主要有模擬電路相位測量系統(tǒng)和數(shù)字化相位測量系統(tǒng)。數(shù)字化相位測量系統(tǒng)具有處理靈活、精度高等優(yōu)勢。數(shù)字化相位測量方法主要有相關函數(shù)法［4，5］、一階線性插值測相法、線性最小二乘法和FFT譜分析法等［6，7］。其中一階線性插值測相法通過比較過零點來比較相位差，其精度較差，F(xiàn)FT譜分析法在高精度測量時需要較高的采樣率或者采樣頻率與基波頻率成倍數(shù)關系［8］。線性最小二乘法具有較高的精度，但是對被測波的頻率要事先測量出來。相關函數(shù)法要求采樣頻率是被測信號頻率的整數(shù)倍，也有較高的精度。但是相關函數(shù)法對于來自于2個非相關的源的非相關噪聲具有較好的抑制作用，對于來自本振等相關源的噪聲卻無能為力。通過比較分析，本文采用非線性最小二乘法擬合的方法。

2.1 數(shù)字化相位測量原理

輸入微波信號分別為:

式中，n1和 n2分別為噪聲信號;A1和 A2、ω1和 ω2、φ1和φ2分別為幅度、角頻率和位。它們經過變頻濾波以后為:

式中，α為變頻損耗比;ωL為本振角頻率;n'1和n'2分別為變頻和濾波對輸入噪聲的改變;nl為變頻中增加的噪聲，它們與變頻器的噪聲系數(shù)有關。

經過高速A/D變換后的量化信號為:

式中，ωIF1和 ωIF2為中頻，它們分別為(ωL-ω1)和(ωL-ω2);e(k)為量化噪聲。

對式(5)和式(6)進行傅里葉變換可以初步估計其頻率和相位，但是由于其采樣點有限，其精度非常小，特別是相位對噪聲比較敏感，這個方法滿足不了實際工程的需要。非線性最小二乘法擬合方法的收斂時間對初值比較敏感，所以先用FFT估計頻率和相位，作為初值再采用它優(yōu)化得到比較精確的頻率和相位。

2.2 數(shù)字化相位測量仿真和實驗

通過優(yōu)化運算式(7)可以找到被測信號頻率和相位。非線性最小二乘法擬合數(shù)據(jù)得到的被測信號波形如圖4所示，實驗條件是輸入信號頻率5.1 GHz，功率10 dBm，本振信號頻率6.1 GHz，功率本振信號功率12.5 dBm，中頻信號頻率500 MHz，2路信號相位差80°，A/D轉換的位數(shù)是8位，采樣率是5 GHz。非線性最小二乘法擬合測量2路誤差與信號信噪比和A/D轉換的位數(shù)的關系曲線如圖5所示。從圖5可以看出，在信噪比大于30 dB時，A/D轉換的位數(shù)是8位時用非線性最小二乘擬合法的測量誤差小于0.1°，能夠滿足工程測量的需要。A/D轉換的位數(shù)小于8位時有比較大的測量誤差。

圖4 非線性最小二乘法擬合數(shù)據(jù)波形

圖5 角度測量誤差與信噪比和A/D變換的關系

3 結束語

為了改進獻［1，2］中的相位測量方法，設計了一個數(shù)字化相位測量系統(tǒng)，討論了前端硬件電路中各個部分的原理和實現(xiàn)方法，該前端頻率帶寬可以達到1 GHz。

本文提出的聯(lián)合FFT與非線性最小二乘法擬合測量微波相位的方法具有測量精度高、不需要事先知道被測量信號頻率等優(yōu)點，還可以測量信號頻率。與文獻［1，2］中的測量方法比較，極大地提高了測量精度，同時解決了頻率測量問題。目前已經完成原理性實驗，經過分析和實驗研究該電路能夠滿足工程測量要求。下一步的工作還要提高電路的動態(tài)范圍等。

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