一種零中頻接收機直流偏移對消電路的設(shè)計

文/沈金成 李萬昌 辛鵬

1 直流偏移問題概述

零中頻接收機一般應(yīng)用于使用單頻連續(xù)波的雷達。與傳統(tǒng)的超外差接收機相比，零中頻接收機的射頻信號沒有鏡像頻率，不需要鏡像抑制濾波器。變頻后的中頻信號在低頻（一般低于10kHz），放大電路使用普通的運算放大器即可，濾波器的設(shè)計也更加簡單，對ADC 的精度和采樣率的要求也有所降低。這樣大大降低了接收機設(shè)計的要求，同時體積和功耗也顯著降低。

在這些優(yōu)點之外，零中頻接收機存在一個必須解決的問題。下變頻的過程中，如果射頻信號與本振的頻率相同，則直接被變頻至直流。在雷達的探測過程中，零中頻接收機變頻產(chǎn)生的信號，是直流分量與射頻信號所攜帶的有用信號的疊加，這些直流分量會使放大電路飽和，導(dǎo)致有用信號無法被放大。因此，直流偏置信號的消除是零中頻接收機的關(guān)鍵。

直流偏置問題的主要來源包括：接收機接收到的目標反射回波，本振泄露以及本振在混頻器電路的多次反射，同頻帶干擾信號等。

目前主要的直流對消技術(shù)包括射頻對消、數(shù)字對消、交流耦合等。射頻對消是在接收通道引入一路額外信號，其相位與空間泄露信號相反，幅度基本相等，當2 個信號相疊加時，使得泄露信號功率減小。數(shù)字對消是用ADC采集中頻信號，對中頻的直流分量進行累計，得到直流分量后減去對應(yīng)的直流分量。交流耦合是在中頻端加隔直電容去直流。射頻對消需考慮多種來源的射頻成分，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。數(shù)字對消在ADC 采集數(shù)據(jù)前需考慮直流成分放大飽和的問題，無法提供足夠的增益。交流對消有很大的局限性，有用信號頻率低時，無法通過隔直電容。

本文提供了一種在中頻端進行直流對消的方法及電路，可實時消除連續(xù)波變頻后產(chǎn)生的直流分量，使中頻信號只剩交流分量，從而能夠提供足夠的增益，將零中頻信號放大至適合A/D 轉(zhuǎn)換器采集的范圍。

2 直流偏移對消電路的架構(gòu)

如圖1a 所示為中頻端直流偏移對消電路的架構(gòu)。由加法器、有效值轉(zhuǎn)換器、差分放大器、3 個電壓跟隨器、放大器、濾波器等組成。

射頻回波與本振經(jīng)過下變頻產(chǎn)生的零中頻信號IFIN，進入如圖1a 所示的直流對消電路。IFIN 經(jīng)加法器抬高電平，然后功分為兩路，一路經(jīng)有效值轉(zhuǎn)換器檢出直流分量送至差分放大器，另一路經(jīng)阻抗匹配后送至差分放大器，兩路信號經(jīng)差分放大器進行減法運算，得到消去直流分量后的零中頻信號。

加法器采用由運算放大器與精密電阻組成的加法電路，用于將零中頻信號附加一個直流分量，抬高零中頻信號的電平，避免零中頻信號出現(xiàn)負電壓導(dǎo)致有效值檢波器無法有效檢波。同時，抬高零中頻信號的電平，可以保證其有效值在有效值檢波器的最佳輸入功率范圍內(nèi)，保證轉(zhuǎn)換的精度。

有效值轉(zhuǎn)換器用來轉(zhuǎn)換出信號的有效值。零中頻信號可以視作多種正弦波信號與一種直流信號的疊加，信號的有效值等于直流信號的電壓值。因此，圖1a 中有效值轉(zhuǎn)換器輸出的電壓值即為零中頻信號的直流分量。

圖1a 中使用了3 個電壓跟隨器用于阻抗匹配，因電壓跟隨器的輸入阻抗可視為無窮大，可以使信號最大程度傳輸至后級。

使用運算放大器組建差分放大電路，其平衡電橋采用高精度電阻（不低于1%精度）以降低誤差。放大倍數(shù)設(shè)置為1，這樣的好處是平衡電橋使用的各個電阻值相等，易于匹配。

差分放大后的零中頻信號，不含直流分量，可以使用放大器設(shè)置較高的增益進行放大，避免了直流分量導(dǎo)致的放大器飽和。

3 應(yīng)用與結(jié)果分析

基于本文直流偏移對消的方法，設(shè)計研制了L 波段零中頻接收機，并應(yīng)用于手持式隔墻探測雷達，探測墻或其他障礙物后的活動目標。

本方案選用高精度RMS-DC 轉(zhuǎn)換芯片LTC1966 進行有效值檢波。LTC1966 把輸入信號的有效值轉(zhuǎn)換為直流輸出，輸出電壓為輸入信號直流電壓與交流信號有效值之和，總體誤差低于0.25%。通過調(diào)整其耦合電容的容值，可調(diào)整檢波時間。

圖1

圖1b 為接收回波RF 與本振LO 的相位差從0°跳變至180°時，零中頻接收機的測試結(jié)果。RF 與LO 的相位差跳變，導(dǎo)致混頻后的IFIN 的直流偏移產(chǎn)生跳變。約130ms 之后，有效值檢波器檢出有效值，送至差分放大器進行直流偏移對消過程，輸出信號開始向零恢復(fù)。由于有效值檢波器的耦合電容放電，輸出信號需要經(jīng)過另外240ms 恢復(fù)至零。

基于本接收機的探測目標類型，選用了較大的耦合電容，使直流偏移對消的過程保持在ms 的量級。通過調(diào)整耦合電容的容值，可以調(diào)整對消的時間。

4 總結(jié)

本文介紹了一種對零中頻接收機在中頻端進行直流偏移對消的方法，該方法可以有效的消除零中頻中的直流分量。通過調(diào)整有效值檢波器的耦合電容，可以調(diào)整直流偏移對消的時間。基于本文方法的零中頻接收機應(yīng)用于隔墻探測雷達，可有效探測墻或障礙物之外的活動目標。