四路鑒相器瞬時(shí)測(cè)頻解模糊方法研究

李國君，朱澤龍，岳付昌

（1.92941部隊(duì)；2.91475部隊(duì)，遼寧葫蘆島125001）

微波信號(hào)頻率測(cè)量在電子對(duì)抗和空饋式雷達(dá)目標(biāo)模擬領(lǐng)域占據(jù)重要地位。比相法瞬時(shí)測(cè)頻實(shí)時(shí)測(cè)量到達(dá)脈沖信號(hào)載頻，為信號(hào)上下變頻提供參考信號(hào)，是后續(xù)信號(hào)檢測(cè)和處理的基礎(chǔ)，對(duì)脈沖信號(hào)而言，具有高頻率截獲概率、高測(cè)頻精度等突出優(yōu)點(diǎn)[1-4]。

比相法數(shù)字瞬時(shí)頻率測(cè)量典型電路包括放大器、功分器、鑒相器和量化編碼電路等[5]。因?yàn)榻嵌刃畔⒌闹貜?fù)等原因，實(shí)際工程中測(cè)得的角度變化范圍控制在360°內(nèi)。為解決角度信息的模糊和多值，一般采用多個(gè)測(cè)頻單元組合使用[6]。本文主要研究四路鑒相器解模糊問題，采用由低位向高位解模糊，并給出了具體實(shí)現(xiàn)方法。

1 比相法瞬時(shí)測(cè)頻原理

比相法瞬時(shí)測(cè)頻是目前應(yīng)用較廣泛的一種瞬時(shí)測(cè)頻技術(shù)，其核心是把信號(hào)的頻率信息轉(zhuǎn)換成相位信息（角度信息）；然后，根據(jù)相位所對(duì)應(yīng)幅度信息推算出信號(hào)頻率[7-9]。

基本測(cè)頻單元主要由2 部分構(gòu)成，包括1 個(gè)功分器和2 條長度不等的延遲傳輸線，基本組成如圖1 所示。

圖1 基本測(cè)頻單元組成圖Fig.1 Diagram of basic frequency measurement unit

功分器將1 路信號(hào)分解為2 路，然后分別經(jīng)過不同長度的傳輸線（1路不延時(shí)，另1路延遲特定時(shí)間），2路信號(hào)對(duì)應(yīng)一確定相位差Δ?，可表示為：

式（1）中：l 為延遲線長度；c 為光速；f 為信號(hào)頻率。

相位差Δ? 是一個(gè)正比于頻率的量，其延遲線長度越大，2 路信號(hào)的相位差越大。在完成頻率到相位的轉(zhuǎn)換后，接下來的問題是如何將得到的相位差值轉(zhuǎn)換成可以測(cè)量的幅度信息。完成頻率到幅度轉(zhuǎn)換的器件為鑒相器[10-14]，鑒相器是一個(gè)簡單的和差合路器，因?yàn)? 個(gè)高頻信號(hào)在疊加時(shí)，合成信號(hào)的幅度與信號(hào)的相位差有關(guān)，因而可以用它來表示2 路信號(hào)的相位差。為了消除信號(hào)本身幅度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，就須要同時(shí)獲得這2 個(gè)信號(hào)的和與差，最常用的器件是3 dB 定向耦合器，它能夠?qū)⑤斎胄盘?hào)分為2 個(gè)等幅且具有90°相位差的信號(hào)。

圖1中，假設(shè)輸入的微波信號(hào)為：

延遲線延遲時(shí)間為τ，通過功分器后，在A1和A2處得到的2路信號(hào)為：

2 路信號(hào)通過3 dB 定向耦合器之后，在C1 和C2處得到的2路信號(hào)為：

經(jīng)過平方率檢波和低通濾波之后，D1 處和D2 處的信號(hào)形式為：

同理，可以得到在D3處和D4處的檢波信號(hào)形式為：

式（10）和式（9）相減得：

式（11）和式（12）相減得：

在生成呈正弦、余弦變化的信號(hào)后，工程實(shí)現(xiàn)中一般不直接按式（13）、（14）計(jì)算反三角函數(shù)，而是將加權(quán)后正余弦信號(hào)經(jīng)量化電阻網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化，得到代表相位值的多位二進(jìn)制數(shù)，具體方法可見文獻(xiàn)[15-17]。

2 四路鑒相器瞬時(shí)測(cè)頻具體實(shí)現(xiàn)

在鑒相器中，延遲線長度的選擇是一個(gè)重要問題，通常選擇延遲比的范圍在2 ∶1 到8 ∶1 之間，小的延遲比要求更多的微波鑒相器，對(duì)每個(gè)鑒相器輸出信號(hào)數(shù)字量化時(shí)，可用較低的分辨率，降低了對(duì)數(shù)字編碼電路的要求。大的延遲比可減少鑒相器數(shù)目，但對(duì)每個(gè)鑒相器輸出信號(hào)數(shù)字量化時(shí)要用較高的分辨率，會(huì)增加數(shù)字編碼電路的復(fù)雜度。

為保證高測(cè)頻精度和低系統(tǒng)復(fù)雜度，工程上一般采用延遲比為4 ∶1。鑒相器數(shù)量為4個(gè)，前3個(gè)鑒相器分別提供四位編碼輸出，第4 個(gè)鑒相器提供六位編碼輸出，解模糊后相位碼數(shù)為12 位，利用四路鑒相器實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)測(cè)頻原理圖如圖2所示。

圖2 四路鑒相器測(cè)頻電路組成圖Fig.2 Circuit composition of 4 routes phase discriminator frequency measurement

3 多鑒相器測(cè)頻解模糊方法

采用多鑒相器法進(jìn)行測(cè)頻時(shí)，會(huì)出現(xiàn)測(cè)頻模糊問題，以第1 路和第2 路測(cè)頻為例，第1 路測(cè)頻相位變化為0～2π ，當(dāng)延遲比為4 ∶1 時(shí)，第2 路相位變化為0～8π，第3、4 路鑒相器相位變化以此類推[18-20]。采用四路鑒相器實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)測(cè)頻時(shí)，短延遲支路輸出代碼是整個(gè)相位代碼的高位，長延遲支路的輸出代碼是整個(gè)相位代碼低位，解模糊方法采用由低位向高位解模糊方法，具體解模糊過程如下：

四路鑒相器輸出相位碼由高位向低位分別為?1、?2、?3、?4，將每個(gè)鑒相器編碼補(bǔ)齊為12位。具體方法如表1所示。

表1 四路鑒相器解模糊編碼方法Tab.1 Coding method of solving ambiguity for 4 routes phase discriminator

在?2～?4編碼中，××表示數(shù)值存在模糊和不確定性，具體值可能為0或1，解模糊步驟如下：

1）利用?4碼解?3碼的模糊，得到中間對(duì)位的?5碼；

2）利用?5碼解?2碼的模糊，得到中間對(duì)位的?6碼；

3）利用?6碼解?1碼的模糊，得到最終相位碼?7，根據(jù)?7碼可得利用四路鑒相器測(cè)頻的輸入射頻信號(hào)頻率。

4 解模糊算法典型實(shí)現(xiàn)

4.1 解模糊算法舉例

1）?4碼解?3碼的模糊。取?3的前8 位，即?′3=10100000，?4的前8 位為?′4=××101100，其中×× 代 表4 種 可 能 數(shù) 值 分 別 為00、01、10、11，令?( k )= |?′3-?′4|，其中絕對(duì)值最小時(shí)所對(duì)應(yīng)的××值即為中間對(duì)位后的?5碼值，經(jīng)計(jì)算10 碼對(duì)應(yīng)相位差最小，?5碼值為?5=10101100。

2）?5碼解?2碼的模糊。取?2的前10 位，即?′2=0110000000 ，?5的前10 位?′5=××10101100 。其中，××代表4 種可能數(shù)值分別為00、01、10、11，令?( k )= |?′2-?′5|，其中絕對(duì)值最小時(shí)所對(duì)應(yīng)的××值即為中間對(duì)位后的?6碼值，經(jīng)計(jì)算01 碼對(duì)應(yīng)相位差最小，?6碼值為?6=0110101100。

3）?6碼解?1碼的模糊。取?1的前12 位，?6的前12 位為?′6=××0110101100，與?1碼進(jìn)行解模糊，計(jì)算過程與1、2 相同，經(jīng)計(jì)算10 碼對(duì)應(yīng)相位差最小，最終的相位碼? 碼值為?=100110101100。

4.2 解模糊結(jié)果分析

如果取?1～?4編碼輸出的編碼值按照由高位至低位拼接的相位碼即a11a10b9b8c7c6d5d4d3d2d1d0，該值與解模糊結(jié)果是相同的，這只是適用于4.1 中舉例所用編碼的結(jié)果，不具有普遍性。

為了說明該問題，以?4碼解?3碼的模糊過程為例，假設(shè)?4碼解模糊時(shí)前8位為?′4=d7d6d5d4d3d2d1d0（×× 用d7d6表示），?3的前8 位為?3=c7c6c5c40000，|?3-?4|可表示為

根據(jù)式（15），如果d0～d5均為1、c4～c5均為0，當(dāng)c7=d7、c6=d6時(shí)，此時(shí)相位差絕對(duì)值為63π/2 048，當(dāng)c7=d7、c6=1、d6=0 時(shí)，此時(shí)相位差絕對(duì)值為π/2 048，解模糊結(jié)果應(yīng)為?′4=c7d6d5d4d3d2d1d0，而不是直接對(duì)位的c7c6d5d4d3d2d1d0。

圖3 4位相位碼弧度劃分原理圖Fig.3 Radian division of 4 bite phase code

對(duì)于某一具體相位值，該值可能落在圖3 中第2相位區(qū)間和第3 相位區(qū)間的交線上，如圖3 中星號(hào)所示，此時(shí)相位編碼出現(xiàn)就會(huì)出現(xiàn)模糊，增加相位編碼位數(shù)時(shí)，即是將整個(gè)2π 弧度繼續(xù)劃分成更小的相位區(qū)間，并實(shí)現(xiàn)模糊相位的重排，通過縮小相位值區(qū)間范圍的方法，能夠解決相位模糊問題。

5 結(jié)束語

比相法瞬時(shí)測(cè)頻是解決實(shí)時(shí)頻率測(cè)量的重要方法，本文從瞬時(shí)測(cè)頻原理出發(fā)，設(shè)計(jì)了比相法瞬時(shí)測(cè)頻的具體實(shí)現(xiàn)方式，并對(duì)四路鑒相器測(cè)頻解模糊問題進(jìn)行了深入研究，給出了典型算法舉例，分析了解模糊結(jié)果，具有一定的理論深度，可為工程技術(shù)人員提供有益參考。