劉蘇杰, 馮 旻, 王 蓉, 郭金雷

(1.上海無線電設(shè)備研究所,上海201109;2.上海機電工程研究所,上海201109)

0 引言

鎖相解調(diào)器鎖定指示信號在雷達(dá)、通信、無線電遙控遙測等領(lǐng)域,用于鎖相接收回路掃描停止、工作時序管理、BIT檢測等場合。該信號檢測時間過長,將直接影響產(chǎn)品進(jìn)入下一個狀態(tài),對于工作時序要求嚴(yán)格的產(chǎn)品尤為重要。

經(jīng)典的鎖定指示裝置是正交鑒相器,也被稱為輔助鑒相器或相干振幅檢測器[1]。為了減少虛警,通常采用較大的時常數(shù),確保產(chǎn)品給出穩(wěn)定可靠的解調(diào)器鎖定指示,因而需要較長的時間才能形成解調(diào)器鎖定指示。由于產(chǎn)品工作時序的需要,鎖定指示的檢測時間應(yīng)控制在非常短的時間內(nèi)。為實現(xiàn)鎖定指示的快速檢測,本文對經(jīng)典的鎖相接收機鎖定指示原理進(jìn)行研究。從現(xiàn)代數(shù)字信號處理的角度,提出了周期計數(shù)、數(shù)字濾波檢測算法,進(jìn)行了軟硬件設(shè)計,通過試驗驗證。

1 經(jīng)典鎖定指示檢測原理

采用異或門鑒相的鎖定指示原理,如圖1所示[2]。停止比相器把天線信號經(jīng)混頻中放后,作為輸入;把多普勒信號經(jīng)過90°相移后作為另一個輸入。從圖中可以看出,環(huán)路比相器輸出信號經(jīng)過環(huán)路濾波器后的輸出電壓為(1/2)sinθe,同時,停止比相器輸出信號經(jīng)過低通濾波器后,輸出電壓為(1/2)cosθe。在鎖相解調(diào)器穩(wěn)定鎖定后,θe趨近于0,所以斯密特觸發(fā)器的輸入為(1/2)cosθe≈0.5,固態(tài)本振輸入為 (1/2)sinθe≈0。當(dāng)環(huán)路鎖定時,停止比相器輸出信號的主要頻率成分為零頻和倍頻,經(jīng)低通濾波器后,進(jìn)入斯密特觸發(fā)器的為直流電壓,提供一個有用的停止信號,該信號通過解調(diào)器的邏輯管理,最終形成鎖定指示。

圖1 鎖定指示檢測原理框圖與計算

低通濾波器輸出的電壓幅度和噪聲起伏情況,反映了鎖定指示的品質(zhì)。低通濾波器又被稱為平滑濾波器,其時常數(shù)是實際鎖定指示的關(guān)鍵部分。如果沒有平滑,鎖定指示將會因為環(huán)路起伏噪聲而上下跳變,發(fā)出錯誤的鎖定和失鎖指示。如果平滑過多,鎖定指示因延遲太長而導(dǎo)致沒有及時停止掃描造成的環(huán)路失鎖。與之對應(yīng),從鎖定到失鎖的延遲時間太長,將會使環(huán)路在失鎖噪聲的推動下,環(huán)路將遠(yuǎn)離鎖定的設(shè)計值,將大大降低環(huán)路的捕捉能力[3]。

2 鎖定檢測設(shè)計

經(jīng)典的鎖定指示檢測采用模擬電路實現(xiàn),產(chǎn)品性能穩(wěn)定可靠,但在研制和生產(chǎn)過程中存在不足之處。首先,構(gòu)成經(jīng)典鎖定指示檢測的電阻、電容存在容差,鎖定檢測性能個性差異大;其次,溫度、器件的老化也會導(dǎo)致電容、電阻的參數(shù)變化,鎖定指示檢測性能不可避免的受到環(huán)境和貯存的影響。

為彌補這些不足,本設(shè)計采用數(shù)字信號處理技術(shù)實現(xiàn)鎖相解調(diào)器的鎖定指示檢測。依據(jù)圖1的檢測原理,可采用周期計數(shù)檢測、數(shù)字濾波檢測以及組合檢測的方法。組合檢測就是將周期計數(shù)檢測和數(shù)字濾波檢測結(jié)果進(jìn)行邏輯組合所形成的檢測方式。

2.1 周期計數(shù)檢測

根據(jù)鎖相環(huán)原理,環(huán)路鎖定后,鑒相器的兩個輸入之間存在穩(wěn)定的相位差,而沒有頻率差。根據(jù)這一原理,可以對鑒相器兩個輸入的每一個周期的相位差進(jìn)行比較,當(dāng)連續(xù)幾次相位差的大小相互之間小于一定的值,即可認(rèn)定環(huán)路已基本鎖定[4]。

周期計數(shù)檢測的工作過程示意圖如圖2所示。異或門鑒相器的兩個輸入分別為中放限幅中頻輸入和基準(zhǔn)中頻輸入(頻率為fDi),Δti(i=1～5)為這兩個信號連續(xù)5個周期的時間滯后。

Δti與滯后相位的關(guān)系為

圖2 周期計數(shù)檢測示意圖

設(shè)中頻頻率fDi=2.5 MHz、fs=200 MHz、相位誤差Δφ=15°,那么Δti≈16.7 ns。則環(huán)路鎖定的判定準(zhǔn)則：Δt2-Δt1≤16.7 ns,Δt3-Δt2≤16.7 ns,Δt4-Δt3≤16.7 ns,Δt5-Δt4≤16.7 ns,Δt6-Δt5≤16.7 ns。通過6個周期的相位差的檢測,共2 400 ns完成整個環(huán)路鎖定的判定。由于檢測時間短,將頻繁出現(xiàn)環(huán)路鎖定狀態(tài)檢測的虛警。

如果設(shè)計要求鎖定指示形成時間為40μs,則可將6個周期增長到100個周期,40μs形成鎖定指示信號,減小環(huán)路鎖定檢測的虛警。然而,100個周期數(shù)較大,在解調(diào)器靈敏度附近時,每個時間間隔都能滿足檢測條件的難度較大,降低了解調(diào)器靈敏度。有兩種解決措施：一是可以采用滑窗算法,只要有連續(xù)100個周期滿足要求,即完成鎖定檢測;二是采用比例檢測門限,降低連續(xù)100個周期的要求,只要N(1≤N≤100)個周期滿足鎖定要求即送出鎖定指示信號,具體取值通過試驗進(jìn)行確定。

2.2 數(shù)字濾波檢測

數(shù)字濾波檢測的方法是針對模擬鎖定指示的經(jīng)典鎖定檢測技術(shù)(圖1)進(jìn)行數(shù)字化來完成。圖1中,環(huán)路鑒相、停止鑒相、斯密特觸發(fā)器、邏輯管理的數(shù)字化實現(xiàn)起來也較為簡單。模擬鎖定檢測電路的平滑濾波器的電路圖如圖3所示。

圖3 平滑濾波器電路圖

為保持鎖定指示性能,不采用FIR濾波器設(shè)計,而是在模擬濾波器設(shè)計的基礎(chǔ)上,進(jìn)行傳遞函數(shù)的數(shù)字化濾波設(shè)計,即采用IIR濾波器設(shè)計。

具體設(shè)計思路：按照經(jīng)典平滑濾波器的電路圖計算模擬濾波器的傳遞函數(shù)Hm(s),再按s域到z域的轉(zhuǎn)換,將Hm(s)轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器的H(z)。實現(xiàn)這一過程的方法較多,為了保證轉(zhuǎn)換后的H(z)保持良好的濾波性能,必須滿足兩個條件。一是經(jīng)典平滑濾波器轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器后,必須是因果穩(wěn)定的。平滑濾波器Hm(s)的極點位于s平面左半平面上;轉(zhuǎn)換后的數(shù)字濾波器的極點必須位于單位圓內(nèi)。即轉(zhuǎn)換關(guān)系必須使模擬濾波器傳遞函數(shù)s平面的左半平面影射數(shù)字域z平面的單位圓內(nèi)部。二是數(shù)字濾波器的頻響為保持Hm(s)的幅頻、相頻特性不變,轉(zhuǎn)換過程必須使模擬傳遞函數(shù)s平面的虛軸線性映射到z平面的單位圓上。

脈沖響應(yīng)不變法和雙線性不變法是工程上常用的轉(zhuǎn)換方法[5]。本文的平滑濾波器實現(xiàn)數(shù)字化,采用雙線性變換法。

從圖3的電路圖建立平滑濾波器的傳遞函數(shù)為

式中：A0=1;A1=0;B0=1;B1=R1×c1。

采用雙線形變換法對式(1)進(jìn)行z變換后,數(shù)字域平滑濾波器傳遞函數(shù)為

式(2)與式(3)中：

考慮到定點運算,需將濾波器的浮點系數(shù)定點化,可將所有系數(shù)進(jìn)行同比放大,將舍位誤差對濾波器性能的影響減小到可以忽略,該平滑濾波器的實現(xiàn)框圖如圖4所示。x(n)為數(shù)字信號輸入,經(jīng)過乘法器、延遲、加法器、減法器等最終形成輸出y(n),完成信號數(shù)字濾波。

圖4 平滑濾波器的實現(xiàn)框圖

2.3 組合檢測

周期計數(shù)檢測是通過對每個周期相位差進(jìn)行計數(shù)檢測,當(dāng)連續(xù)多個周期的計數(shù)值都滿足鎖定條件,即判定環(huán)路鎖定。這種方法鎖定檢測時間短,判決條件過松容易發(fā)生鎖定的虛警,判決條件過緊容易發(fā)生漏警。

數(shù)字濾波檢測是通過與模擬鎖定檢測的數(shù)字化方式來實現(xiàn),即采用數(shù)字正交鑒相器,再通過數(shù)字低通濾波器來實現(xiàn)鎖定信號檢測,這類鎖定檢測需要較長的時間,但穩(wěn)定可靠。

通過對這兩種檢測結(jié)果進(jìn)行邏輯組合,取各自的優(yōu)點從而可以獲取更好的檢測性能。

3 硬件設(shè)計

按照上述的分析,周期計數(shù)檢測對工作時鐘有較高要求,數(shù)字濾波檢測則希望能夠便利的使用數(shù)字信號處理基本的IP核。綜合這些因素,本設(shè)計采用XILINX公司V5系列的XC5VSX50T芯片完成該鎖定指示形成電路的設(shè)計,硬件原理框圖如圖5所示。

圖5 硬件原理框圖

圖5 中,鎖定指示形成電路的硬件設(shè)計以XC5VSX50T芯片為中心,按照數(shù)據(jù)手冊配置相應(yīng)的晶振、驅(qū)動、EPROM等輔助器件,完成鎖定指示形成算法的實現(xiàn)[6]。為實現(xiàn)一定的通用性,設(shè)計8路邏輯輸入、8路邏輯輸出、4路模擬信號輸出。為降低電源噪聲,對輸入+5 V電源進(jìn)行電源濾波后,進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。

4 軟件設(shè)計

采用原理圖和硬件描述語言混合的輸入方式,將周期計數(shù)檢測、數(shù)字濾波檢測的設(shè)計輸入到ISE軟件中。FPGA軟件頂層設(shè)計采用原理圖的方式進(jìn)行設(shè)計;原理圖中邏輯、控制管理等具體模塊采用硬件描述語言(VHDL),周期計數(shù)、數(shù)字濾波檢測軟件頂層示意圖分別如圖6、7所示。

為驗證設(shè)計模塊的有效性,將圖6、7所示的設(shè)計軟件在XC5VSX50T芯片上進(jìn)行綜合編譯和仿真,周期計數(shù)檢測、數(shù)字濾波檢測軟件能夠完成預(yù)期的功能。在時鐘頻率使用150 MHz時,穩(wěn)定、周期計數(shù)指示使用的資源的總和小于30%。

圖6 周期計數(shù)檢測軟件的頂層設(shè)計

圖7 數(shù)字濾波檢測軟件的頂層設(shè)計

為驗證數(shù)字濾波檢測軟件的有效性,建立平滑濾波器的激勵信號源,在ISE軟件中進(jìn)行時序仿真。先后將輸入激勵信號的頻率設(shè)置為0.01 k Hz、0.02 k Hz…0.19 k Hz、0.20 k Hz、0.30 k Hz…0.90 k Hz、1.00 k Hz,為便于分析,對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行20×log10(dout)轉(zhuǎn)換,結(jié)果如表1所示。從表中可以看出,平滑濾波器的3 dB帶寬約在0.16 k Hz,符合設(shè)計要求。

表1 平滑濾波軟件模塊仿真結(jié)果

5 試驗驗證

在完成軟硬件設(shè)計后,接入鎖相解調(diào)器系統(tǒng),進(jìn)行以下三個試驗,探索鎖定指示數(shù)字形成算法的性能。一是僅采用周期計數(shù)檢測算法完成解調(diào)器閉合;二是僅采用數(shù)字濾波檢測算法完成解調(diào)器閉合;三是同時采用周期計數(shù)檢測算法和數(shù)字濾波檢測算法,所形成的鎖定指示進(jìn)行邏輯“或”后送出,形成“組合鎖定檢測”指示信號。試驗結(jié)果如表2所示。

從表2中看出,周期計數(shù)檢測能夠較快的形成鎖定指示信號。但因為鎖相解調(diào)器工作在靈敏度附近時,噪聲較大,計數(shù)在滿足條件和不滿足條件之間來回切換,導(dǎo)致解調(diào)器靈敏度下降,可用于對靈敏度要求不高的場合。

表2 鎖定檢測試驗結(jié)果

數(shù)字濾波檢測需要較長的檢測時間,但在鎖相解調(diào)器的各種狀態(tài)下均能夠穩(wěn)定工作。

經(jīng)過邏輯“或”的組合鎖定檢測的檢測時間時間較短,在高于靈敏度時,能夠穩(wěn)定工作。在低于靈敏度時,該方法會出現(xiàn)鎖定指示跌落和反復(fù)虛警,需要在設(shè)計中加以考慮。

6 結(jié)束語

為實現(xiàn)鎖相解調(diào)器鎖定指示的快速檢測,提出采用周期計數(shù)的方法,并結(jié)合數(shù)字濾波檢測方法,實現(xiàn)了鎖定指示的組合檢測,達(dá)到了預(yù)期功能。試驗表明：數(shù)字濾波檢測算法與模擬鎖定檢測的性能基本保持一致,可用于對鎖定檢測時間要求不高的場合;組合鎖定檢測算法,同時滿足快速和性能需求,但需要更多的資源。