一种高速多通道A_D幅相一致性修正的实现方法(精)

1、第 32 卷第 6 期 2011 年 6 月微计算机应用 MICROCOMPUTER APPLICATIONSVol. 32No. 6Jun. 2011一种高速多通道 A /D 幅相一致性修正的实现方法冀映辉1, 2蔡炜1, 2陈铭2（1 中国科学院声学研究所北京 1001902北京中科海讯电子科技有限公司北京 100107）摘要：相控阵雷达系统中多个 A /D 通道之间幅度、相位特性存在的不可避免 的差异，降低了后续雷达数字信号处理使用数据源的精确度，从而影响了雷达系统 的分辨率。针对这一问题，作者提出了一种自适应修正多A /D 通道之间幅相不一致性的方法。实验证明该方法实现简单、修正结果较

2、好、有较强的工程应用价值。关键词：相控阵雷达多通道 A /D幅相不一致性修正数字下变频Desig n of RapidlO user Level Communi cati on In terface and Its Improveme ntJI Yinghui 1, 2, CAI Wei 1 , 2,CHEN Mi ng 2(1lnstitute of Acoustics , Chinese Academy of Sciences Beijing 100190, Chi na ,2Beijing Zhong Ke Hai Xun Electro nics Tech no logy Co. .

3、Ltd. Beiji ng , 100107, China )Abstract : In phased array radar system multiple A /Dchannels have differentamplitude and phase characteristics un avoidably. This differe nee reduces source dataaccuracy in radar digital sig nal process ing and has seriously affect ing on phased radarresolutio n. In o

4、r-der to solve this problem ,the author proposes an adaptive correct ion method which can revise this differe neeamong differe nt A /Dcha n-n els. Experime nt shows that this method is simple to realization , has excelle nt correct ion results and Engin eeri ng applicati ons. Keywords phasedarray ra

5、dar system multiple A /Dchannels ； differenee amplitude and phasecharacteristics revise； DDC在相控阵雷达信号处理系统中，每个阵面中的多个阵元需要同时接收雷达的回 波信号。中频回波信号经过高速 A /D 采样后进入雷达信号处理系统进行后续的数字下变频、脉冲压缩、波束形成、动目标检测、恒虚警检测等处理过程。然而，由于相控阵中阵元的 个数比较多，各个 A /D 通道由于布线差异、时钟误差等环境因素，导致A /D 通道之间存在不可忽略的幅相不一致，特别是多个A /D 板卡之间 A /D 通道的幅相差异尤为明显。

6、这种幅相误差会一定程度影响后续的波束形成处理，最终导致误判或者 增大对目标的定位误差。因此，有必要对多个A /D 通道的幅相一致性进行修正。1系统硬件描述1. 1系统硬件结构本系统的硬件实现如图 1 所示，系统的硬件由时钟板、A /D 板、信号处理板和显控主机四部分组成。时钟板通过四分频向四块 A /D 板提供同步采样时钟。4 块125MHz 的 A /D 板采样输入信号，每块 A /D 板有 4 个 A /D 通道。A /D 采样的 信号通过源同步传送到信号处理板。信号处理板接收来自 PC 主机的命令，并根本文于 2011 - 04- 11 收到。6 期冀映辉等：一种高速多通道 A /D 幅

7、相一致性修正的实现方法据命令决定 雷达信号处理的工作模式，同时将部分处理结果发送给显控PC。1.2 系统固定误差消除时钟精度不稳会影响修正效果。因此在修正过程中采用高精度的外部时钟源向时钟板提供信号。每块 A /D 板的输入信号差异消除，一是采用同一路信号源通过 功率分配器将信号源分成 16 个信号源，二是通过等长信号线消除各个 A /D 通道信 号传输过程中产生的相位差异。输入的中频信号频率不同，A /D 通道采样的幅度比和相位差会不同，因此需要测量每个频点对应的幅相差异ChinaAll rightsreserved*Publishing Hous?, http J/wwwxvki+nct

8、1994-2011Academic Journal Elytron ic图 1 系统硬件结构2幅相一致性修正方法2. 1修正思路在每个 A /D 通道输入同频同相同幅度的正弦信号，通过检测A /D 采样后的数据差异来修正 A /D 通道的差异。在实际应用中，A /D 采样中频信号，因此直接检测每个 A /D 通道的幅度和相位显然在实现上有一定难度。将 A /D 采样后的数据经过数字下变频(DDC )到基带信号，再进行相位 和幅度检测是一种好的方法。2. 2 修正理论分析0A0ADfit1设两个 A /D 通道采样后的正弦信号表达式为 s 仁 A 1*sin (2*PI*(fc +df)*n +

9、9 1s2=A 2*sin (2*PI* (fc +df ) *n +正交的载波信号表达式为neo =exp (j*2*PI*fc*n )=cos (2*PI*fc*n ) +j*sin (2*PI*fc*n )其中，A1, A2 分别表示正弦信号的幅度，fc 表示载波信号的频率，(fc +df )表示 输入正弦信号的频率，9 1 9盼别表示正弦信号的初始相位，n =1，N，表示 每一个采样时刻。DDC 数字下变频：s1mix =s1* neo=0. 5*A1*sin(2*PI*(2*fc +df)*n +9)1sin(2*PI*df*n +)1+0.5*j*A1*cos(2*PI*df*n

10、+lcos(2*PI*(2*fc +df)*n +9)1 slmix 经过低通滤波器后输出为76微计算机应用 2011 年S1ddc =0. 5*A1*sin(2*PI*df*n +9 1j*cos(2*PI*df*n +9 1同理:S2ddc =0. 5*A2*sin(2*PI*df*n +0 2j*cos(2*PI*df*n +0 2设a=2*PI*df*n +0 1=2*PI*df*n +0 2Us2ddc slddc =sin( +j*cos( B)Sin( a)+j*cos( a)=cos( B a)+j*sin( B a)=cos( 0 2 0 )+j*sin( 0 2 0 )由此

11、可得出如下结论：两个 A /D 通道采样得到的中频正弦波信号，分别经过 正交数字下变频和低通滤波器后，其输出信号的比值理论上是一个常复数。该复数的相位即表示两个A /D 通道的相位差，该复数的模值即表示两个 A /D 通道的幅度比值。2. 3仿真结果设 fc =75MHz,df =2MHz, 0仁 0 25*PI, 02=0 5*PI,A1=1 , A2=0 . 5, N =2048。图 2 是 s1ddc 和 s2ddc 未进行修正前点除的结果。可见点除结果模值的均值很好的显示了s1 和 s2 的幅度比，点除结果反正切值的均值很好的显示了 s1 和 s2 的相位差。以 A1 为参考，使用预先

12、获得的幅度 比和相位差对 A2 进行修正。图 3 是修正后 s1ddc 和 s2ddc 的幅度比和相位差，可 见修正后两者点除的实部均值为 1,虚部均值为 0,达到了理想的修正结果，有效 证明了该方法的可行性。图 2 修正前低通滤波器输出修正后低通滤波器输出ChinaAll rights reserved.Publishing House httpy/wwwxnki.nct 1994-2011Academic Journal Electronic8 P0图 4A /D 通道幅相修正处理866 期冀映辉等：一种高速多通道 A /D 幅相一致性修正的实现方法 3具体实现3. 1实现框图根据节 2

13、的分析，笔者设计的多通道 A /D 幅相一致性修正方法如图 4。笔者 设计了具有自适应频率修正的多 A /D 通道幅相一致性修正系统。A /D 采样中频正弦波信号得到的实数 采样值，首先通过 FFT 变换进行频率估计，此处频率估计的精度不用太高，由节2.2 的推导可知，存在一定载波频率偏移的情况不影响后面的A /D 幅相修正效果。在 DDC 之后进行幅相修正，进行幅相修正寄存器加权，幅相修正寄存器的初始值 为（1+j*0 ），即在开始时假设每个 A /D 通道的相位和幅度均一样。各 A /D 通道 幅相修正后的结果经过低通滤波器后，分别与参考通道 0 的输出相除，对每个通道来讲，所得的结果理论

14、上是一个复数常量。4 修正实际测试结果在输入端通过功分器输入同频同相的 75MHz 中频正弦波，修正前后各个 A /D 通道相比参考通道的相位差和幅度比如表1 所示。表 1修正结果通道号修正前修正后相位差（？）幅度比相位差（？）幅度比 00101. 00000011.533781.009790. 0115411.00013020. 2723751.011760.0019731.0002003- 1.9451.036- 0. 030771. 0005104- 64. 60351. 02197- 0. 311411.0077305- 62. 52771.02361- 0. 32511. 00746

15、06- 64. 40861. 02676- 0. 327151. 0087007-63. 93631.05222- 0. 332991.0086608- 66. 77621.01774- 0. 230571. 0091109- 62.42921.02778- 0. 238141.00859010- 63. 59771. 03205- 0. 238541. 00908011 65.4751.05736- 0. 238791.00973012- 82. 0271.03046- 0. 235041. 01427013- 79.94011.03698- 0. 254281. 01394014- 82.

16、 28351.04056- 0. 238361. 0147401582. 50151.066260. 236861.014980由表 1 可见，未进行副相修正之前，各 A /D 板内 4 个通道的相位差别较小， 各 A /D板之间的相位差别较大。未修正前各 A /D 通道的幅度差别相对较小。修正 后的相位差别小于 0. 5?,幅度差异小于 2%,很好的满足了系统的应用需求，消 除了 A /D 通道本身带来的误差。5 总结与展望本文有效解决了多 A /D 通道之间存在的幅相特性不一致的问题。本方法不仅 适用了相控阵雷达系统，也适用于其它的相控阵射频系统。多通道A /D 之间的幅相特性不一致是物理因素造成的，没有办法避免，只能在 A /D 采样后对数据进行 修正减少多通道 A /D 本身带来的数据误差。需要指出的是，这种后天的修96微计算机应用 2011 年正只有在多 A /D 通道的相位误差在一定的范围内才是有效的。参考文071岑凡.开放式体系结构的数字信号处理平台研制北京：中国科学院博士 学位论文，2009. 2 Texas Instruments. ADS6443datasheet. www. ti. com, 2007.3程佩青.数字信号处理教程，第二版。北京：清华大学出版社，2006. 4陆广平，卜迎春.基于 DSP 的多路数据采集