小型化數(shù)字測頻接收機(jī)

摘要：本文介紹了AD公司的RF／IF相位和幅度測量芯片AD8302，并以此芯片為核心，組合功分器、延遲線和FPGA芯片設(shè)計了瞬時測頻接收機(jī)，改進(jìn)了傳統(tǒng)的設(shè)計方案。依照設(shè)計制作了測頻系統(tǒng)，并對系統(tǒng)整體性能進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明本系統(tǒng)可以準(zhǔn)確測量1．4～2．0 GHz范圍內(nèi)的信號，測頻精度為10 MHz。
關(guān)鍵詞：瞬時測頻；相位差；AD8302；鑒相器

    在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，雷達(dá)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。對雷達(dá)信號頻率進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的測量具有重要意義。瞬時測頻(IFM)接收機(jī)是變換法測頻接收機(jī)的一種，能在短時間內(nèi)迅速測量目標(biāo)信號的頻率，它首先把信號的頻率信息轉(zhuǎn)化為相位，通過對相位的測量間接計算被測信號頻率。
    本文的IFM接收機(jī)采用AD公司產(chǎn)品AD8302進(jìn)行設(shè)計，通過FPGA對采集的相位信息進(jìn)行運算，進(jìn)而得到目標(biāo)信號的頻率。實驗結(jié)果表明本系統(tǒng)具有良好的測頻性能。

1 AD8302的性能及原理
    AD8302是AD公司推出的用于測量兩路輸入信號的相位差及幅度比的單片集成電路，頻率范圍可從低頻到2.7GHz。單片AD8302集成了精密匹配的2個對數(shù)檢波器，一個相位檢波器，輸出放大器組和一個偏置單元等。圖1是AD8302的功能框圖，可以從中看出該芯片的組成及功能。

    AD8302主要有信號的幅度比測量、相位測量和電平比較3種工作方式，信號輸入范圍為-60～0 dBm(50 Ω系統(tǒng))。用作幅度測量時，輸入信號動態(tài)范圍可達(dá)60 dB，單片相位測量范圍為180°。AD8302幅度和相位測量模式電路連接如圖2所示。在本系統(tǒng)中，我們用到AD8302的相位輸出電壓，相位比較器的輸出與輸入端VINA和VINB之間的關(guān)系為
    VPHS=-RRIQ|φ(VINA)-φ(VINB)|-90°+VCP      (1)
    當(dāng)AD8302的VHPS管腳與PSET相連接時，(1)式中RRIQ為10 mV／°，VCP是中心點電壓，為900 mV對應(yīng)90°相位。φ(VINA)和φ(VINB)分別為兩端口輸入信號的相位。

    AD8302在不同相位差情況下的電壓輸出結(jié)果見圖3。從中可以看出。在-180°～+180°范圍內(nèi)，輸出的結(jié)果是0～+1.8V直流電壓。但是這會引入模糊的測量結(jié)果，比如在+90°和-90°相位差情況下電壓輸出均為+0．9 V，無法判斷正確結(jié)果。文中設(shè)計采用兩片AD8302同時工作，將目標(biāo)信號通過功分器、延遲線、90°耦合器后產(chǎn)生不同的相位延遲，通過比較兩路AD8302的電壓值來計算正確頻率。

2 測頻接收機(jī)的設(shè)計與實現(xiàn)
    被測信號經(jīng)過長度為L的延遲線后，會產(chǎn)生△φ=2π·f·L／c的相位延遲，其中c為被測信號在延遲線中的傳播速度，可見其頻率f與△φ成比例關(guān)系。因此，通過測量相位差就可以計算目標(biāo)信號頻率。

    IMF接收機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。被測信號經(jīng)過功分器1分成兩路，兩路信號經(jīng)過不同的延遲線之后，一路通過90°耦合器后分別進(jìn)入兩片AD8302輸入端，另一路通過功分器2后再進(jìn)入AD8302，所有的信號進(jìn)入AD8302時均需AC耦合。這樣兩片AD8302輸出的相位電壓值所對應(yīng)的相位正好相差90°，對兩路電壓值進(jìn)行AD采樣，將所得數(shù)據(jù)在FPGA內(nèi)部進(jìn)行處理以計算正確頻率。
2．1 AD電路設(shè)計
    由于目標(biāo)信號可持續(xù)200 ns，因此選用采樣率可達(dá)40MSPS的AD9203。AD9203為單端或差分輸入，采樣結(jié)果為10位并行輸出，采用+3．3 V供電。AD9203采樣電路如圖5所示。在進(jìn)行AD電路設(shè)計時，需要注意模擬供電與數(shù)字供電要分開，模擬地與數(shù)字地適當(dāng)隔離，以減少數(shù)字電路對模擬電路的影響。

2．2 控制電路設(shè)計
    整個系統(tǒng)由FPGA控制，選用Xilinx公司產(chǎn)品Spartan3，該器件功能強(qiáng)大而且價格便宜。Spartan3主要完成發(fā)現(xiàn)被測信號，控制AD電路對鑒相器的輸出電壓進(jìn)行采樣，之后通過運算完成目標(biāo)信號頻率的測量，測量結(jié)果通過74HC245輸出到下級電路。
2．3 軟件編程
    整個系統(tǒng)首先檢測到目標(biāo)信號的同步信號，控制AD電路進(jìn)行采樣，將電壓采樣結(jié)果作為查尋地址送到ROM查表得出頻率。建立ROM查詢表，用安捷倫公司的微波信號源產(chǎn)生1．4～2．0 GHz的標(biāo)準(zhǔn)信號，將AD8302的相位輸出采樣電壓作為地址，與相應(yīng)頻率對應(yīng)即可。由于AD8302在電壓輸出最大值與最小值附近線性性不是很理想，因此需要選擇兩路輸出電壓中合適的一路進(jìn)行查表計算，并通過比較兩路電壓
以解模糊得到正確結(jié)果。最后將計算得出的頻率輸出到下級電路。整個程序的流程圖如圖6所示。

    編程采用VHDL語言，主要部分是判斷相位差屬于-180°～0°還是0°～+180°，之后選取合適的一路輸出電壓作為地址進(jìn)行尋址。舉例來說，兩片AD8302的輸出如圖7，比如+60°與60°的解模糊，從圖中可見+60°時 I路大于0．9 V，Q路小于0．9 V；-60°時 I路、Q路均大于0．9 V，同時I路小于Q路。這樣，可以根據(jù)I路、Q路和中間值0．9 V三者的關(guān)系來確定正確結(jié)果。

2．4 整體電路實現(xiàn)
    由于本系統(tǒng)需要與其他部件組合使用，因此體積需要盡可能小。元器件全部采用縮小體積表面封裝，并加裝金屬外殼以減少外界干擾。延遲線選用的同軸電纜長度相差285 cm，在輸入信號頻率變化時可得到理想的電壓變化。圖8所示為完整的測頻接收機(jī)實物圖。

3 測試結(jié)果
    系統(tǒng)測試選用安捷倫公司的微波信號源，輸出信號頻率范圍14～20 GHz，幅度為-20 dBmo經(jīng)過測試，本系統(tǒng)測頻范圍為1.4～2．0GHz，測量精度達(dá)到10MHz，動態(tài)范圍為-36～10dBm，性能良好。

4 結(jié)論
    文中介紹了AD8302的典型應(yīng)用，根據(jù)A08302的鑒相功能設(shè)計了IFM接收機(jī)，并制作了系統(tǒng)對電路進(jìn)行驗證。實驗結(jié)果表明，根據(jù)AD8302設(shè)計的IFM接收機(jī)具有良好的測頻功能，簡化了系統(tǒng)設(shè)計。為了提高系統(tǒng)的性能，可以增加AD的有效位數(shù)，或者自己搭建比較器電路，經(jīng)過改良，可以進(jìn)一步提高測頻精度和測頻范圍。