小型化數字測頻接收機

邰 寧，張曉發，袁乃昌

（國防科學技術大學 電子科學與工程學院，湖南 長沙 410073）

在現代戰爭中，雷達技術得到了廣泛應用。對雷達信號頻率進行快速、準確的測量具有重要意義。瞬時測頻（IFM）接收機是變換法測頻接收機的一種，能在短時間內迅速測量目標信號的頻率，它首先把信號的頻率信息轉化為相位，通過對相位的測量間接計算被測信號頻率。

本文的IFM接收機采用AD公司產品AD8302進行設計，通過FPGA對采集的相位信息進行運算，進而得到目標信號的頻率。實驗結果表明本系統具有良好的測頻性能。

1 AD8302的性能及原理

AD8302是AD公司推出的用于測量兩路輸入信號的相位差及幅度比的單片集成電路，頻率范圍可從低頻到2.7 GHz。單片AD8302集成了精密匹配的2個對數檢波器，一個相位檢波器，輸出放大器組和一個偏置單元等。圖1是AD8302的功能框圖，可以從中看出該芯片的組成及功能。

AD8302主要有信號的幅度比測量、相位測量和電平比較3種工作方式，信號輸入范圍為－60～0 dBm（50 Ω系統）。用作幅度測量時，輸入信號動態范圍可達60 dB，單片相位測量范圍為180°[1]。AD8302幅度和相位測量模式電路連接如圖2所示。在本系統中，我們用到AD8302的相位輸出電壓，相位比較器的輸出與輸入端VINA和VINB之間的關系為

當AD8302的VHPS管腳與PSET相連接時，（1）式中RRIQ為 10 mV/°，VCP是中心點電壓， 為 900 mV 對應 90°相位[2]。φ（VINA）和 φ（VINB）分別為兩端口輸入信號的相位。

圖1 AD8302功能框圖Fig.1 AD8302 functional diagram

AD8302在不同相位差情況下的電壓輸出結果見圖3。從中可以看出，在－180°～+180°范圍內，輸出的結果是 0～+1.8 V直流電壓。但是這會引入模糊的測量結果，比如在+90°和－90°相位差情況下電壓輸出均為+0.9 V，無法判斷正確結果。文中設計采用兩片AD8302同時工作，將目標信號通過功分器、延遲線、90°耦合器后產生不同的相位延遲，通過比較兩路AD8302的電壓值來計算正確頻率。

2 測頻接收機的設計與實現

被測信號經過長度為L的延遲線后，會產生Δφ=2π·f·L/c的相位延遲，其中c為被測信號在延遲線中的傳播速度，可見其頻率f與Δφ成比例關系。因此，通過測量相位差就可以計算目標信號頻率。

圖2 AD8302測量模式電路連接圖Fig.2 Basic connections in measurement mode

圖3 不同相位差時AD8302的相位電壓輸出Fig.3 Phase output vs.input phase difference

IMF接收機的結構如圖4所示。被測信號經過功分器1分成兩路，兩路信號經過不同的延遲線之后，一路通過90°耦合器后分別進入兩片AD8302輸入端，另一路通過功分器2后再進入AD8302，所有的信號進入AD8302時均需AC耦合[3]。這樣兩片AD8302輸出的相位電壓值所對應的相位正好相差90°，對兩路電壓值進行AD采樣，將所得數據在FPGA內部進行處理以計算正確頻率。

圖4 測頻接收機設計框圖Fig.4 Design diagram of frequency measurement

2.1 AD電路設計

由于目標信號可持續200 ns，因此選用采樣率可達40MSPS的AD9203。AD9203為單端或差分輸入，采樣結果為10位并行輸出，采用+3.3 V供電。AD9203采樣電路如圖5所示。在進行AD電路設計時，需要注意模擬供電與數字供電要分開，模擬地與數字地適當隔離，以減少數字電路對模擬電路的影響[4]。

2.2 控制電路設計

整個系統由FPGA控制，選用Xilinx公司產品Spartan3[5]，該器件功能強大而且價格便宜。Spartan3主要完成發現被測信號，控制AD電路對鑒相器的輸出電壓進行采樣，之后通過運算完成目標信號頻率的測量，測量結果通過74HC245輸出到下級電路。

圖5 AD采樣電路圖Fig.5 AD sampling circuit

2.3 軟件編程

整個系統首先檢測到目標信號的同步信號，控制AD電路進行采樣，將電壓采樣結果作為查尋地址送到ROM查表得出頻率。建立ROM查詢表，用安捷倫公司的微波信號源產生1.4～2.0 GHz的標準信號，將AD8302的相位輸出采樣電壓作為地址，與相應頻率對應即可。由于AD8302在電壓輸出最大值與最小值附近線性性不是很理想，因此需要選擇兩路輸出電壓中合適的一路進行查表計算，并通過比較兩路電壓以解模糊得到正確結果。最后將計算得出的頻率輸出到下級電路。整個程序的流程圖如圖6所示。

圖6 程序流程圖Fig.6 Program flow chart

編程采用VHDL語言[6]，主要部分是判斷相位差屬于－180°～0°還是 0°～+180°， 之后選取合適的一路輸出電壓作為地址進行尋址。舉例來說，兩片AD8302的輸出如圖7，比如+60°與60°的解模糊， 從圖中可見+60°時 I路大于 0.9 V，Q路小于0.9 V；－60°時I路、Q路均大于0.9 V，同時I路小于Q路。這樣，可以根據I路、Q路和中間值0.9 V三者的關系來確定正確結果。

圖7 不同相位差下兩片AD8302的輸出Fig.7 Phase outputs of two AD8302 vs.phase difference

2.4 整體電路實現

由于本系統需要與其他部件組合使用，因此體積需要盡可能小。元器件全部采用縮小體積表面封裝，并加裝金屬外殼以減少外界干擾。延遲線選用的同軸電纜長度相差28.5 cm，在輸入信號頻率變化時可得到理想的電壓變化。圖8所示為完整的測頻接收機[7]實物圖。

3 測試結果

系統測試選用安捷倫公司的微波信號源[8]，輸出信號頻率范圍1.4～2.0 GHz，幅度為－20 dBm。經過測試，本系統測頻范圍為 1.4～2.0GHz，測量精度達到 10MHz，動態范圍為－36～10dBm，性能良好。

4 結 論

文中介紹了AD8302的典型應用，根據AD8302的鑒相功能設計了IFM接收機，并制作了系統對電路進行驗證。實驗結果表明，根據AD8302設計的IFM接收機具有良好的測頻功能，簡化了系統設計。為了提高系統的性能，可以增加AD的有效位數，或者自己搭建比較器電路，經過改良，可以進一步提高測頻精度和測頻范圍。

圖8 IFM接收機實物圖Fig.8 Actual photo of IFM receiver

[1]唐志凱，李衛林，張廣輝，等.基于AD8302的瞬時測頻接收機[J].電子信息對抗技術，2009（24）：20－23.

TANG Zhi-kai，LI Wei-lin，ZHANG Guang-hui，et la.IFM receiver based on AD8302 [J].Electronic Information Warfare Technology，2009（24）:20－23.

[2]Analog Device， Inc.AD8302 Data Sheet[EB/OL].（2002）http://www.analog.com.

[3]Analog Device， Inc.Decoupling Techniques[EB/OL].（2009）[2009－03].http://www.analog.com.

[4]Analog Device，Inc.Grounding data converters and solving the mystery of “AGND” and “DGND” [EB/OL].（2009）[2008－10].http://www.analog.com.

[5]Xilinx Corporation.Spartan－3 FPGA Family:Complete Data Sheet[EB/OL].（2005）[2005－08－19].http://www.xilinx.com.

[6]潘松，黃繼業.EDA技術與VHDL[M].北京：清華大學出版社，2009.

[7]向海生，王冰.DC－10 GHz數字瞬時測頻接收機設計[J].現代電子技術，2012（7）：105－107.

XIANG Hai-sheng，WANG Bing.Design of DC －10 GHz digital instantaneous frequency measurement receiver[J].Modern Electronics Technique，2012（7）：105－107.

[8]張慶彪，郭高鳳，李恩.基于DSP的微波信號源控制[J].現代電子技術，2011（18）：15－17.

ZHANG Qing-biao，GUO Gao-feng，LI En.Control of microwave signalsource based on DSP [J].Modern Electronics Technique，2011（18）：15－17.