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

王靈威，劉長軍

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實驗室，四川 成都 610064

單通道干涉儀測向系統(tǒng)中，需要一個高精度的數(shù)字移相器對天線信號在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，會引起天線陣元間的相位差測量結(jié)果附加誤差，進(jìn)而影響測向精度[2]，因此對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)計實現(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，可以實現(xiàn)單通道干涉儀測向系統(tǒng)對移相器的要求。

1 移相器的工作原理

1.1 DDS 信號發(fā)生器

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

圖1 DDS 信號發(fā)生器原理框圖

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

式中P為相位控制字字長。

1.2 移相器

移相器的原理框圖如圖2所示。它主要由2個混頻器、1個帶通濾波器、1個高通濾波器、1個DDS信號發(fā)生器組成。DDS信號發(fā)生器的兩路輸出作為2個混頻器的本振輸入信號。2個混頻器分別進(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頻率減去本振頻率，帶寬約為本振信號頻率的一半。由于下混頻器的本振信號和上混頻器的本振信號同步，且頻率相同，相位有固定偏差，因此輸出信號與輸入信號頻率相同，且存在固定的相位差。通過控制兩本振信號的相位差，即可實現(xiàn)對輸入射頻信號移相。

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、下混頻器本振信號和上混頻器本振信號可以表示為：

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

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

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

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可表示為

通過高通濾波器后的信號可表示為

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，輸入輸出信號的相位差只與兩本振信號相位差、移相器固有相位差有關(guān)，因此可通過控制兩本振信號的相位差，即通過控制DDS信號發(fā)生器的相位控制字，實現(xiàn)對輸入信號移相。移相器實際移相角度與兩本振信號相位差的關(guān)系為

2 移相器樣機(jī)的設(shè)計與實現(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信號發(fā)生器的DDS部分用FPGA實現(xiàn)，硬件由Xilinx公司的SP605評估板和自研的D/A FMC子卡組成。

圖3 移相器樣機(jī)實物照片

DDS信號發(fā)生器的參考時鐘頻率為204.8 MHz，相位累加器字長為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信號發(fā)生器可以輸出頻率不大于102.4 MHz的信號，但考慮到輸出頻率高時輸出信號相位抖動比較大，而DDS信號發(fā)生器的輸出信號頻率主要影響移相器中的濾波器設(shè)計，與移相器的功能和移相精度無關(guān)?？紤]到移相器中濾波器的實現(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°（對應(yīng)DDS信號發(fā)生器的兩路信號相位控制字相差1）對移相器進(jìn)行了測試，并對移相器實測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。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

實驗結(jié)果表明：1）移相器樣機(jī)實現(xiàn)了432~434 MHz頻率范圍內(nèi)的非同步輸入信號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信號發(fā)生器的輸出頻率，并選擇合適的中頻濾波器，可以實現(xiàn)更大頻率范圍的輸入信號移相；選用不同的中頻濾波器，可以實現(xiàn)對不同頻源的輸出信號的功率有一定的要求，輸入信號有能段的信號移相，具備較大的靈活性。同時，本移相器也存在一些缺點，電路相對復(fù)雜，對DDS信號量損失、系統(tǒng)噪聲會引起輸入信號信噪比下降。