鎖相解調(diào)器鎖定指示的快速檢測(cè)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

劉蘇杰, 馮 旻, 王 蓉, 郭金雷

(1.上海無線電設(shè)備研究所,上海201109;2.上海機(jī)電工程研究所,上海201109)

0 引言

鎖相解調(diào)器鎖定指示信號(hào)在雷達(dá)、通信、無線電遙控遙測(cè)等領(lǐng)域,用于鎖相接收回路掃描停止、工作時(shí)序管理、BIT檢測(cè)等場(chǎng)合。該信號(hào)檢測(cè)時(shí)間過長(zhǎng),將直接影響產(chǎn)品進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài),對(duì)于工作時(shí)序要求嚴(yán)格的產(chǎn)品尤為重要。

經(jīng)典的鎖定指示裝置是正交鑒相器,也被稱為輔助鑒相器或相干振幅檢測(cè)器[1]。為了減少虛警,通常采用較大的時(shí)常數(shù),確保產(chǎn)品給出穩(wěn)定可靠的解調(diào)器鎖定指示,因而需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能形成解調(diào)器鎖定指示。由于產(chǎn)品工作時(shí)序的需要,鎖定指示的檢測(cè)時(shí)間應(yīng)控制在非常短的時(shí)間內(nèi)。為實(shí)現(xiàn)鎖定指示的快速檢測(cè),本文對(duì)經(jīng)典的鎖相接收機(jī)鎖定指示原理進(jìn)行研究。從現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理的角度,提出了周期計(jì)數(shù)、數(shù)字濾波檢測(cè)算法,進(jìn)行了軟硬件設(shè)計(jì),通過試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 經(jīng)典鎖定指示檢測(cè)原理

采用異或門鑒相的鎖定指示原理,如圖1所示[2]。停止比相器把天線信號(hào)經(jīng)混頻中放后,作為輸入;把多普勒信號(hào)經(jīng)過90°相移后作為另一個(gè)輸入。從圖中可以看出,環(huán)路比相器輸出信號(hào)經(jīng)過環(huán)路濾波器后的輸出電壓為(1/2)sinθe,同時(shí),停止比相器輸出信號(hào)經(jīng)過低通濾波器后,輸出電壓為(1/2)cosθe。在鎖相解調(diào)器穩(wěn)定鎖定后,θe趨近于0,所以斯密特觸發(fā)器的輸入為(1/2)cosθe≈0.5,固態(tài)本振輸入為 (1/2)sinθe≈0。當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí),停止比相器輸出信號(hào)的主要頻率成分為零頻和倍頻,經(jīng)低通濾波器后,進(jìn)入斯密特觸發(fā)器的為直流電壓,提供一個(gè)有用的停止信號(hào),該信號(hào)通過解調(diào)器的邏輯管理,最終形成鎖定指示。

圖1 鎖定指示檢測(cè)原理框圖與計(jì)算

低通濾波器輸出的電壓幅度和噪聲起伏情況,反映了鎖定指示的品質(zhì)。低通濾波器又被稱為平滑濾波器,其時(shí)常數(shù)是實(shí)際鎖定指示的關(guān)鍵部分。如果沒有平滑,鎖定指示將會(huì)因?yàn)榄h(huán)路起伏噪聲而上下跳變,發(fā)出錯(cuò)誤的鎖定和失鎖指示。如果平滑過多,鎖定指示因延遲太長(zhǎng)而導(dǎo)致沒有及時(shí)停止掃描造成的環(huán)路失鎖。與之對(duì)應(yīng),從鎖定到失鎖的延遲時(shí)間太長(zhǎng),將會(huì)使環(huán)路在失鎖噪聲的推動(dòng)下,環(huán)路將遠(yuǎn)離鎖定的設(shè)計(jì)值,將大大降低環(huán)路的捕捉能力[3]。

2 鎖定檢測(cè)設(shè)計(jì)

經(jīng)典的鎖定指示檢測(cè)采用模擬電路實(shí)現(xiàn),產(chǎn)品性能穩(wěn)定可靠,但在研制和生產(chǎn)過程中存在不足之處。首先,構(gòu)成經(jīng)典鎖定指示檢測(cè)的電阻、電容存在容差,鎖定檢測(cè)性能個(gè)性差異大;其次,溫度、器件的老化也會(huì)導(dǎo)致電容、電阻的參數(shù)變化,鎖定指示檢測(cè)性能不可避免的受到環(huán)境和貯存的影響。

為彌補(bǔ)這些不足,本設(shè)計(jì)采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)鎖相解調(diào)器的鎖定指示檢測(cè)。依據(jù)圖1的檢測(cè)原理,可采用周期計(jì)數(shù)檢測(cè)、數(shù)字濾波檢測(cè)以及組合檢測(cè)的方法。組合檢測(cè)就是將周期計(jì)數(shù)檢測(cè)和數(shù)字濾波檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行邏輯組合所形成的檢測(cè)方式。

2.1 周期計(jì)數(shù)檢測(cè)

根據(jù)鎖相環(huán)原理,環(huán)路鎖定后,鑒相器的兩個(gè)輸入之間存在穩(wěn)定的相位差,而沒有頻率差。根據(jù)這一原理,可以對(duì)鑒相器兩個(gè)輸入的每一個(gè)周期的相位差進(jìn)行比較,當(dāng)連續(xù)幾次相位差的大小相互之間小于一定的值,即可認(rèn)定環(huán)路已基本鎖定[4]。

周期計(jì)數(shù)檢測(cè)的工作過程示意圖如圖2所示。異或門鑒相器的兩個(gè)輸入分別為中放限幅中頻輸入和基準(zhǔn)中頻輸入(頻率為fDi),Δti(i=1～5)為這兩個(gè)信號(hào)連續(xù)5個(gè)周期的時(shí)間滯后。

Δti與滯后相位的關(guān)系為

圖2 周期計(jì)數(shù)檢測(cè)示意圖

設(shè)中頻頻率fDi=2.5 MHz、fs=200 MHz、相位誤差Δφ=15°,那么Δti≈16.7 ns。則環(huán)路鎖定的判定準(zhǔn)則：Δt2-Δt1≤16.7 ns,Δt3-Δt2≤16.7 ns,Δt4-Δt3≤16.7 ns,Δt5-Δt4≤16.7 ns,Δt6-Δt5≤16.7 ns。通過6個(gè)周期的相位差的檢測(cè),共2 400 ns完成整個(gè)環(huán)路鎖定的判定。由于檢測(cè)時(shí)間短,將頻繁出現(xiàn)環(huán)路鎖定狀態(tài)檢測(cè)的虛警。

如果設(shè)計(jì)要求鎖定指示形成時(shí)間為40μs,則可將6個(gè)周期增長(zhǎng)到100個(gè)周期,40μs形成鎖定指示信號(hào),減小環(huán)路鎖定檢測(cè)的虛警。然而,100個(gè)周期數(shù)較大,在解調(diào)器靈敏度附近時(shí),每個(gè)時(shí)間間隔都能滿足檢測(cè)條件的難度較大,降低了解調(diào)器靈敏度。有兩種解決措施：一是可以采用滑窗算法,只要有連續(xù)100個(gè)周期滿足要求,即完成鎖定檢測(cè);二是采用比例檢測(cè)門限,降低連續(xù)100個(gè)周期的要求,只要N(1≤N≤100)個(gè)周期滿足鎖定要求即送出鎖定指示信號(hào),具體取值通過試驗(yàn)進(jìn)行確定。

2.2 數(shù)字濾波檢測(cè)

數(shù)字濾波檢測(cè)的方法是針對(duì)模擬鎖定指示的經(jīng)典鎖定檢測(cè)技術(shù)(圖1)進(jìn)行數(shù)字化來完成。圖1中,環(huán)路鑒相、停止鑒相、斯密特觸發(fā)器、邏輯管理的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)起來也較為簡(jiǎn)單。模擬鎖定檢測(cè)電路的平滑濾波器的電路圖如圖3所示。

圖3 平滑濾波器電路圖

為保持鎖定指示性能,不采用FIR濾波器設(shè)計(jì),而是在模擬濾波器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行傳遞函數(shù)的數(shù)字化濾波設(shè)計(jì),即采用IIR濾波器設(shè)計(jì)。

具體設(shè)計(jì)思路：按照經(jīng)典平滑濾波器的電路圖計(jì)算模擬濾波器的傳遞函數(shù)Hm(s),再按s域到z域的轉(zhuǎn)換,將Hm(s)轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器的H(z)。實(shí)現(xiàn)這一過程的方法較多,為了保證轉(zhuǎn)換后的H(z)保持良好的濾波性能,必須滿足兩個(gè)條件。一是經(jīng)典平滑濾波器轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器后,必須是因果穩(wěn)定的。平滑濾波器Hm(s)的極點(diǎn)位于s平面左半平面上;轉(zhuǎn)換后的數(shù)字濾波器的極點(diǎn)必須位于單位圓內(nèi)。即轉(zhuǎn)換關(guān)系必須使模擬濾波器傳遞函數(shù)s平面的左半平面影射數(shù)字域z平面的單位圓內(nèi)部。二是數(shù)字濾波器的頻響為保持Hm(s)的幅頻、相頻特性不變,轉(zhuǎn)換過程必須使模擬傳遞函數(shù)s平面的虛軸線性映射到z平面的單位圓上。

脈沖響應(yīng)不變法和雙線性不變法是工程上常用的轉(zhuǎn)換方法[5]。本文的平滑濾波器實(shí)現(xiàn)數(shù)字化,采用雙線性變換法。

從圖3的電路圖建立平滑濾波器的傳遞函數(shù)為

式中：A0=1;A1=0;B0=1;B1=R1×c1。

采用雙線形變換法對(duì)式(1)進(jìn)行z變換后,數(shù)字域平滑濾波器傳遞函數(shù)為

式(2)與式(3)中：

考慮到定點(diǎn)運(yùn)算,需將濾波器的浮點(diǎn)系數(shù)定點(diǎn)化,可將所有系數(shù)進(jìn)行同比放大,將舍位誤差對(duì)濾波器性能的影響減小到可以忽略,該平滑濾波器的實(shí)現(xiàn)框圖如圖4所示。x(n)為數(shù)字信號(hào)輸入,經(jīng)過乘法器、延遲、加法器、減法器等最終形成輸出y(n),完成信號(hào)數(shù)字濾波。

圖4 平滑濾波器的實(shí)現(xiàn)框圖

2.3 組合檢測(cè)

周期計(jì)數(shù)檢測(cè)是通過對(duì)每個(gè)周期相位差進(jìn)行計(jì)數(shù)檢測(cè),當(dāng)連續(xù)多個(gè)周期的計(jì)數(shù)值都滿足鎖定條件,即判定環(huán)路鎖定。這種方法鎖定檢測(cè)時(shí)間短,判決條件過松容易發(fā)生鎖定的虛警,判決條件過緊容易發(fā)生漏警。

數(shù)字濾波檢測(cè)是通過與模擬鎖定檢測(cè)的數(shù)字化方式來實(shí)現(xiàn),即采用數(shù)字正交鑒相器,再通過數(shù)字低通濾波器來實(shí)現(xiàn)鎖定信號(hào)檢測(cè),這類鎖定檢測(cè)需要較長(zhǎng)的時(shí)間,但穩(wěn)定可靠。

通過對(duì)這兩種檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行邏輯組合,取各自的優(yōu)點(diǎn)從而可以獲取更好的檢測(cè)性能。

3 硬件設(shè)計(jì)

按照上述的分析,周期計(jì)數(shù)檢測(cè)對(duì)工作時(shí)鐘有較高要求,數(shù)字濾波檢測(cè)則希望能夠便利的使用數(shù)字信號(hào)處理基本的IP核。綜合這些因素,本設(shè)計(jì)采用XILINX公司V5系列的XC5VSX50T芯片完成該鎖定指示形成電路的設(shè)計(jì),硬件原理框圖如圖5所示。

圖5 硬件原理框圖

圖5 中,鎖定指示形成電路的硬件設(shè)計(jì)以XC5VSX50T芯片為中心,按照數(shù)據(jù)手冊(cè)配置相應(yīng)的晶振、驅(qū)動(dòng)、EPROM等輔助器件,完成鎖定指示形成算法的實(shí)現(xiàn)[6]。為實(shí)現(xiàn)一定的通用性,設(shè)計(jì)8路邏輯輸入、8路邏輯輸出、4路模擬信號(hào)輸出。為降低電源噪聲,對(duì)輸入+5 V電源進(jìn)行電源濾波后,進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。

4 軟件設(shè)計(jì)

采用原理圖和硬件描述語言混合的輸入方式,將周期計(jì)數(shù)檢測(cè)、數(shù)字濾波檢測(cè)的設(shè)計(jì)輸入到ISE軟件中。FPGA軟件頂層設(shè)計(jì)采用原理圖的方式進(jìn)行設(shè)計(jì);原理圖中邏輯、控制管理等具體模塊采用硬件描述語言(VHDL),周期計(jì)數(shù)、數(shù)字濾波檢測(cè)軟件頂層示意圖分別如圖6、7所示。

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)模塊的有效性,將圖6、7所示的設(shè)計(jì)軟件在XC5VSX50T芯片上進(jìn)行綜合編譯和仿真,周期計(jì)數(shù)檢測(cè)、數(shù)字濾波檢測(cè)軟件能夠完成預(yù)期的功能。在時(shí)鐘頻率使用150 MHz時(shí),穩(wěn)定、周期計(jì)數(shù)指示使用的資源的總和小于30%。

圖6 周期計(jì)數(shù)檢測(cè)軟件的頂層設(shè)計(jì)

圖7 數(shù)字濾波檢測(cè)軟件的頂層設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證數(shù)字濾波檢測(cè)軟件的有效性,建立平滑濾波器的激勵(lì)信號(hào)源,在ISE軟件中進(jìn)行時(shí)序仿真。先后將輸入激勵(lì)信號(hào)的頻率設(shè)置為0.01 k Hz、0.02 k Hz…0.19 k Hz、0.20 k Hz、0.30 k Hz…0.90 k Hz、1.00 k Hz,為便于分析,對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行20×log10(dout)轉(zhuǎn)換,結(jié)果如表1所示。從表中可以看出,平滑濾波器的3 dB帶寬約在0.16 k Hz,符合設(shè)計(jì)要求。

表1 平滑濾波軟件模塊仿真結(jié)果

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

在完成軟硬件設(shè)計(jì)后,接入鎖相解調(diào)器系統(tǒng),進(jìn)行以下三個(gè)試驗(yàn),探索鎖定指示數(shù)字形成算法的性能。一是僅采用周期計(jì)數(shù)檢測(cè)算法完成解調(diào)器閉合;二是僅采用數(shù)字濾波檢測(cè)算法完成解調(diào)器閉合;三是同時(shí)采用周期計(jì)數(shù)檢測(cè)算法和數(shù)字濾波檢測(cè)算法,所形成的鎖定指示進(jìn)行邏輯“或”后送出,形成“組合鎖定檢測(cè)”指示信號(hào)。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

從表2中看出,周期計(jì)數(shù)檢測(cè)能夠較快的形成鎖定指示信號(hào)。但因?yàn)殒i相解調(diào)器工作在靈敏度附近時(shí),噪聲較大,計(jì)數(shù)在滿足條件和不滿足條件之間來回切換,導(dǎo)致解調(diào)器靈敏度下降,可用于對(duì)靈敏度要求不高的場(chǎng)合。

表2 鎖定檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

數(shù)字濾波檢測(cè)需要較長(zhǎng)的檢測(cè)時(shí)間,但在鎖相解調(diào)器的各種狀態(tài)下均能夠穩(wěn)定工作。

經(jīng)過邏輯“或”的組合鎖定檢測(cè)的檢測(cè)時(shí)間時(shí)間較短,在高于靈敏度時(shí),能夠穩(wěn)定工作。在低于靈敏度時(shí),該方法會(huì)出現(xiàn)鎖定指示跌落和反復(fù)虛警,需要在設(shè)計(jì)中加以考慮。

6 結(jié)束語

為實(shí)現(xiàn)鎖相解調(diào)器鎖定指示的快速檢測(cè),提出采用周期計(jì)數(shù)的方法,并結(jié)合數(shù)字濾波檢測(cè)方法,實(shí)現(xiàn)了鎖定指示的組合檢測(cè),達(dá)到了預(yù)期功能。試驗(yàn)表明：數(shù)字濾波檢測(cè)算法與模擬鎖定檢測(cè)的性能基本保持一致,可用于對(duì)鎖定檢測(cè)時(shí)間要求不高的場(chǎng)合;組合鎖定檢測(cè)算法,同時(shí)滿足快速和性能需求,但需要更多的資源。