單通道干涉儀測(cè)向系統(tǒng)中的高精度數(shù)字移相技術(shù)研究

王靈威，劉長(zhǎng)軍

1. 四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610064

2. 無線能量傳輸教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610064

單通道干涉儀測(cè)向系統(tǒng)中，需要一個(gè)高精度的數(shù)字移相器對(duì)天線信號(hào)在0°～360°（步進(jìn)小于1°）內(nèi)進(jìn)行多次移相[1]。系統(tǒng)中移相器的誤差，會(huì)引起天線陣元間的相位差測(cè)量結(jié)果附加誤差，進(jìn)而影響測(cè)向精度[2]，因此對(duì)移相器的研究有著重要的意義。傳統(tǒng)的移相器多采用單片數(shù)字移相器芯片或模擬移相器芯片結(jié)合外圍控制電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[3?5]。目前，數(shù)字移相器芯片的精度可以達(dá)到6位，最小步進(jìn)為5.625°，但工作頻段范圍主要為1 GHz以上；而模擬移相器芯片的精度受控制電壓精度的影響，且移相相位與電壓改變是非線性關(guān)系，要實(shí)現(xiàn)0°～360°的數(shù)字移相較困難[6]。本文所研究的基于直接頻率合成、混頻技術(shù)的數(shù)字移相器，可以實(shí)現(xiàn)單通道干涉儀測(cè)向系統(tǒng)對(duì)移相器的要求。

1 移相器的工作原理

1.1 DDS 信號(hào)發(fā)生器

直接數(shù)字頻率合成[7]（DDS）信號(hào)發(fā)生器的原理框圖如圖1所示。它由1個(gè)參考時(shí)鐘源、2個(gè)相位累加器、2個(gè)數(shù)字加法器、2個(gè)波形存儲(chǔ)器、2個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及2個(gè)低通濾波器等組成。2個(gè)波形存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的是同一余弦波的歸一化空間采樣。2個(gè)相位累加器由同一個(gè)參考時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)，且由同一個(gè)頻率控制字控制。2個(gè)數(shù)字加法器由2個(gè)不同的相位控制字控制。根據(jù)DDS的原理，DDS信號(hào)發(fā)生器輸出的信號(hào)的頻率和頻率分辨率、相位分辨率可以表示如下[8]：

圖1 DDS 信號(hào)發(fā)生器原理框圖

如圖1所示，該DDS信號(hào)發(fā)生器的功能是通過輸入1個(gè)頻率控制字和2個(gè)相位控制字，實(shí)現(xiàn)輸出2路同頻信號(hào)。通過不同的相位控制字使數(shù)字加法器的值不同，實(shí)現(xiàn)兩路信號(hào)在同一時(shí)刻始終出現(xiàn)固定的相位偏移。相位控制字的字長(zhǎng)P小于或等于相位累加器的字長(zhǎng)N且與相位累加器輸出的高位對(duì)齊。DDS信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)的最小相位差可以表示為

式中P為相位控制字字長(zhǎng)。

1.2 移相器

移相器的原理框圖如圖2所示。它主要由2個(gè)混頻器、1個(gè)帶通濾波器、1個(gè)高通濾波器、1個(gè)DDS信號(hào)發(fā)生器組成。DDS信號(hào)發(fā)生器的兩路輸出作為2個(gè)混頻器的本振輸入信號(hào)。2個(gè)混頻器分別進(jìn)行下混頻和上混頻[9]，帶通濾波器的中心頻率為輸入信號(hào)頻率減去本振頻率，帶寬約為本振信號(hào)頻率的一半。由于下混頻器的本振信號(hào)和上混頻器的本振信號(hào)同步，且頻率相同，相位有固定偏差，因此輸出信號(hào)與輸入信號(hào)頻率相同，且存在固定的相位差。通過控制兩本振信號(hào)的相位差，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入射頻信號(hào)移相。

圖2 移相器原理框圖

根據(jù)圖2的原理，在不考慮傳輸路徑和器件本身延遲的條件下，包含有諧波分量的射頻輸入信號(hào)、下混頻器本振信號(hào)和上混頻器本振信號(hào)可以表示為：

由于信號(hào)發(fā)生器的輸出端有匹配的低通濾波器，因此本振信號(hào)的諧波幅度很小，可以忽略，即

經(jīng)過下混頻之后，輸出信號(hào)主要有輸入信號(hào)頻率的基頻分量，輸入信號(hào)基頻分量和輸入信號(hào)諧波分量與本振信號(hào)的和頻、差頻分量，可以表示為

由于除了輸入信號(hào)基頻與下混頻器本振信號(hào)的差頻信號(hào)以外的信號(hào)都位于帶通濾波器的阻帶處，因此帶通濾波器的輸出信號(hào)可以表示為

式中：G0為帶通濾波器的帶內(nèi)衰減系數(shù)；為帶通濾波器引入的相位差。

通過上混頻器后的信號(hào)可表示為

通過高通濾波器后的信號(hào)可表示為

當(dāng)移相器的硬件確定后，傳輸路徑和器件本身延遲導(dǎo)致的固有相位偏移為一固定值，即、、、、均為確定值，可以通過在的條件下進(jìn)行測(cè)量獲得。各器件的增益和衰減也為確定值，即G為確定值，假設(shè)，，則移相器的輸出可以表示為

由式（3）可知，輸入輸出信號(hào)的相位差只與兩本振信號(hào)相位差、移相器固有相位差有關(guān)，因此可通過控制兩本振信號(hào)的相位差，即通過控制DDS信號(hào)發(fā)生器的相位控制字，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)移相。移相器實(shí)際移相角度與兩本振信號(hào)相位差的關(guān)系為

2 移相器樣機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述工作原理，搭建了移相器的原理樣機(jī)，如圖3所示。移相器中DDS信號(hào)發(fā)生器的DDS部分用FPGA實(shí)現(xiàn)，硬件由Xilinx公司的SP605評(píng)估板和自研的D/A FMC子卡組成。

圖3 移相器樣機(jī)實(shí)物照片

DDS信號(hào)發(fā)生器的參考時(shí)鐘頻率為204.8 MHz，相位累加器字長(zhǎng)為32位，頻率控制字為6位，相位控制字為12位。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，理論上，DDS信號(hào)發(fā)生器可以輸出頻率不大于102.4 MHz的信號(hào)，但考慮到輸出頻率高時(shí)輸出信號(hào)相位抖動(dòng)比較大，而DDS信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)頻率主要影響移相器中的濾波器設(shè)計(jì)，與移相器的功能和移相精度無關(guān)。考慮到移相器中濾波器的實(shí)現(xiàn)難度[12]，輸出頻率固定設(shè)置為10 MHz。由于相位控制字為12位，由式（1）可知，移相步進(jìn)小于0.09°。

移相器樣機(jī)的工作頻率為432~434 MHz。兩級(jí)混頻電路的混頻器和濾波器根據(jù)此頻段進(jìn)行選擇，混頻器的型號(hào)為Mini-Circuits公司的ZX05-25MH-S+，帶通濾波器的通帶頻率為421~425 MHz[13]，高通濾波器的截止頻率為430 MHz，放大器的增益約為 15 dB。

3 測(cè)量結(jié)果

采用Agilent公司的E5071C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀按照頻率步進(jìn)0.1 MHz和移相角度步進(jìn)約0.088°（對(duì)應(yīng)DDS信號(hào)發(fā)生器的兩路信號(hào)相位控制字相差1）對(duì)移相器進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)移相器實(shí)測(cè)移相角度與理論移相角度之差（誤差）的RMS值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。移相器在不同頻率處的移相角度均方根誤差數(shù)據(jù)見圖4，移相器在不同移相角度處的移相角度均方根誤差數(shù)據(jù)見圖5。

圖4 移相器在不同頻率處的 RMS 誤差

圖5 移相器在不同移相角度處的 RMS 誤差

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：1）移相器樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了432~434 MHz頻率范圍內(nèi)的非同步輸入信號(hào)0°～360°移相，且在頻段內(nèi)移相器的RMS誤差小于0.65°；2）移相器在0°～360°的各個(gè)移相角度上的RMS誤差均小于0.8°；3）移相器的步進(jìn)小于0.09°。

通過本文的分析可知，提高移相器中DDS信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率，并選擇合適的中頻濾波器，可以實(shí)現(xiàn)更大頻率范圍的輸入信號(hào)移相；選用不同的中頻濾波器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同頻源的輸出信號(hào)的功率有一定的要求，輸入信號(hào)有能段的信號(hào)移相，具備較大的靈活性。同時(shí)，本移相器也存在一些缺點(diǎn)，電路相對(duì)復(fù)雜，對(duì)DDS信號(hào)量損失、系統(tǒng)噪聲會(huì)引起輸入信號(hào)信噪比下降。