小型化数字测频接收机

摘要：本文介绍了AD公司的RF／IF相位和幅度测量芯片AD8302，并以此芯片为核心，组合功分器、延迟线和FPGA芯片设计了瞬时测频接收机，改进了传统的设计方案。依照设计制作了测频系统，并对系统整体性能进行了测试，测试结果表明本系统可以准确测量1．4～2．0 GHz范围内的信号，测频精度为10 MHz。
关键词：瞬时测频；相位差；AD8302；鉴相器

    在现代战争中，雷达技术得到了广泛应用。对雷达信号频率进行快速、准确的测量具有重要意义。瞬时测频(IFM)接收机是变换法测频接收机的一种，能在短时间内迅速测量目标信号的频率，它首先把信号的频率信息转化为相位，通过对相位的测量间接计算被测信号频率。
    本文的IFM接收机采用AD公司产品AD8302进行设计，通过FPGA对采集的相位信息进行运算，进而得到目标信号的频率。实验结果表明本系统具有良好的测频性能。

1 AD8302的性能及原理
    AD8302是AD公司推出的用于测量两路输入信号的相位差及幅度比的单片集成电路，频率范围可从低频到2.7GHz。单片AD8302集成了精密匹配的2个对数检波器，一个相位检波器，输出放大器组和一个偏置单元等。图1是AD8302的功能框图，可以从中看出该芯片的组成及功能。

    AD8302主要有信号的幅度比测量、相位测量和电平比较3种工作方式，信号输入范围为-60～0 dBm(50 Ω系统)。用作幅度测量时，输入信号动态范围可达60 dB，单片相位测量范围为180°。AD8302幅度和相位测量模式电路连接如图2所示。在本系统中，我们用到AD8302的相位输出电压，相位比较器的输出与输入端VINA和VINB之间的关系为
    VPHS=-RRIQ|φ(VINA)-φ(VINB)|-90°+VCP      (1)
    当AD8302的VHPS管脚与PSET相连接时，(1)式中RRIQ为10 mV／°，VCP是中心点电压，为900 mV对应90°相位。φ(VINA)和φ(VINB)分别为两端口输入信号的相位。

    AD8302在不同相位差情况下的电压输出结果见图3。从中可以看出。在-180°～+180°范围内，输出的结果是0～+1.8V直流电压。但是这会引入模糊的测量结果，比如在+90°和-90°相位差情况下电压输出均为+0．9 V，无法判断正确结果。文中设计采用两片AD8302同时工作，将目标信号通过功分器、延迟线、90°耦合器后产生不同的相位延迟，通过比较两路AD8302的电压值来计算正确频率。

2 测频接收机的设计与实现
    被测信号经过长度为L的延迟线后，会产生△φ=2π·f·L／c的相位延迟，其中c为被测信号在延迟线中的传播速度，可见其频率f与△φ成比例关系。因此，通过测量相位差就可以计算目标信号频率。

    IMF接收机的结构如图4所示。被测信号经过功分器1分成两路，两路信号经过不同的延迟线之后，一路通过90°耦合器后分别进入两片AD8302输入端，另一路通过功分器2后再进入AD8302，所有的信号进入AD8302时均需AC耦合。这样两片AD8302输出的相位电压值所对应的相位正好相差90°，对两路电压值进行AD采样，将所得数据在FPGA内部进行处理以计算正确频率。
2．1 AD电路设计
    由于目标信号可持续200 ns，因此选用采样率可达40MSPS的AD9203。AD9203为单端或差分输入，采样结果为10位并行输出，采用+3．3 V供电。AD9203采样电路如图5所示。在进行AD电路设计时，需要注意模拟供电与数字供电要分开，模拟地与数字地适当隔离，以减少数字电路对模拟电路的影响。

2．2 控制电路设计
    整个系统由FPGA控制，选用Xilinx公司产品Spartan3，该器件功能强大而且价格便宜。Spartan3主要完成发现被测信号，控制AD电路对鉴相器的输出电压进行采样，之后通过运算完成目标信号频率的测量，测量结果通过74HC245输出到下级电路。
2．3 软件编程
    整个系统首先检测到目标信号的同步信号，控制AD电路进行采样，将电压采样结果作为查寻地址送到ROM查表得出频率。建立ROM查询表，用安捷伦公司的微波信号源产生1．4～2．0 GHz的标准信号，将AD8302的相位输出采样电压作为地址，与相应频率对应即可。由于AD8302在电压输出最大值与最小值附近线性性不是很理想，因此需要选择两路输出电压中合适的一路进行查表计算，并通过比较两路电压
以解模糊得到正确结果。最后将计算得出的频率输出到下级电路。整个程序的流程图如图6所示。

    编程采用VHDL语言，主要部分是判断相位差属于-180°～0°还是0°～+180°，之后选取合适的一路输出电压作为地址进行寻址。举例来说，两片AD8302的输出如图7，比如+60°与60°的解模糊，从图中可见+60°时 I路大于0．9 V，Q路小于0．9 V；-60°时 I路、Q路均大于0．9 V，同时I路小于Q路。这样，可以根据I路、Q路和中间值0．9 V三者的关系来确定正确结果。

2．4 整体电路实现
    由于本系统需要与其他部件组合使用，因此体积需要尽可能小。元器件全部采用缩小体积表面封装，并加装金属外壳以减少外界干扰。延迟线选用的同轴电缆长度相差285 cm，在输入信号频率变化时可得到理想的电压变化。图8所示为完整的测频接收机实物图。

3 测试结果
    系统测试选用安捷伦公司的微波信号源，输出信号频率范围14～20 GHz，幅度为-20 dBmo经过测试，本系统测频范围为1.4～2．0GHz，测量精度达到10MHz，动态范围为-36～10dBm，性能良好。

4 结论
    文中介绍了AD8302的典型应用，根据A08302的鉴相功能设计了IFM接收机，并制作了系统对电路进行验证。实验结果表明，根据AD8302设计的IFM接收机具有良好的测频功能，简化了系统设计。为了提高系统的性能，可以增加AD的有效位数，或者自己搭建比较器电路，经过改良，可以进一步提高测频精度和测频范围。