單通道干涉儀測向系統中的高精度數字移相技術研究

王靈威，劉長軍

1. 四川大學 電子信息學院，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中，需要一個高精度的數字移相器對天線信號在0°～360°（步進小于1°）內進行多次移相[1]。系統中移相器的誤差，會引起天線陣元間的相位差測量結果附加誤差，進而影響測向精度[2]，因此對移相器的研究有著重要的意義。傳統的移相器多采用單片數字移相器芯片或模擬移相器芯片結合外圍控制電路設計實現[3?5]。目前，數字移相器芯片的精度可以達到6位，最小步進為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系，要實現0°～360°的數字移相較困難[6]。本文所研究的基于直接頻率合成、混頻技術的數字移相器，可以實現單通道干涉儀測向系統對移相器的要求。

1 移相器的工作原理

1.1 DDS 信號發生器

直接數字頻率合成[7]（DDS）信號發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個數字加法器、2個波形存儲器、2個數模轉換器以及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動，且由同一個頻率控制字控制。2個數字加法器由2個不同的相位控制字控制。根據DDS的原理，DDS信號發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 信號發生器原理框圖

如圖1所示，該DDS信號發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，實現輸出2路同頻信號。通過不同的相位控制字使數字加法器的值不同，實現兩路信號在同一時刻始終出現固定的相位偏移。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信號發生器組成。DDS信號發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，即可實現對輸入射頻信號移相。

圖2 移相器原理框圖

根據圖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衰減系數；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

當移相器的硬件確定后，傳輸路徑和器件本身延遲導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，，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，因此可通過控制兩本振信號的相位差，即通過控制DDS信號發生器的相位控制字，實現對輸入信號移相。移相器實際移相角度與兩本振信號相位差的關系為

2 移相器樣機的設計與實現

根據上述工作原理，搭建了移相器的原理樣機，如圖3所示。移相器中DDS信號發生器的DDS部分用FPGA實現，硬件由Xilinx公司的SP605評估板和自研的D/A FMC子卡組成。

圖3 移相器樣機實物照片

DDS信號發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。根據奈奎斯特采樣定理，理論上，DDS信號發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信號發生器的輸出信號頻率主要影響移相器中的濾波器設計，與移相器的功能和移相精度無關。考慮到移相器中濾波器的實現難度[12]，輸出頻率固定設置為10 MHz。由于相位控制字為12位，由式（1）可知，移相步進小于0.09°。

移相器樣機的工作頻率為432~434 MHz。兩級混頻電路的混頻器和濾波器根據此頻段進行選擇，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 測量結果

采用Agilent公司的E5071C矢量網絡分析儀按照頻率步進0.1 MHz和移相角度步進約0.088°（對應DDS信號發生器的兩路信號相位控制字相差1）對移相器進行了測試，并對移相器實測移相角度與理論移相角度之差（誤差）的RMS值進行了統計。移相器在不同頻率處的移相角度均方根誤差數據見圖4，移相器在不同移相角度處的移相角度均方根誤差數據見圖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 結論

實驗結果表明：1）移相器樣機實現了432~434 MHz頻率范圍內的非同步輸入信號0°～360°移相，且在頻段內移相器的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）移相器的步進小于0.09°。

通過本文的分析可知，提高移相器中DDS信號發生器的輸出頻率，并選擇合適的中頻濾波器，可以實現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，電路相對復雜，對DDS信號量損失、系統噪聲會引起輸入信號信噪比下降。