Geniş Bant Sayısal Kontrollü Analog Karmaşık İlişkilendiricinin Tasarımı ve Uygulanması
Xin Xin, Wang Chao, Hu Anyong, Miao Jungang
(Pekin Anahtar Mikrodalga Algılama ve Güvenlik Uygulaması Laboratuvarı, Beihang Üniversitesi, Pekin 100191)
Bu makale, kazanımı ve ofseti dijital olarak kontrol edilebilen bir 1.5 2.5 GHz analog kompleks ilişkilendiricinin tasarım ilkesini ve uygulama sürecini tanıtmakta ve nokta frekansı ve geniş bant giriş sinyalleri durumunda karmaşık ilişkilendiricinin eşdeğer korelasyonunu değerlendirmektedir. Bant genişliği ve fazın ölçüm doğruluğu ve farklı giriş gücü koşullarında sinyal-gürültü oranı. Deneysel sonuçlar, bu analog kompleks korelatörün kazanç ve ofsetinin otomatik olarak dijital olarak ayarlanabileceğini göstermektedir.Genlik değişimi 1 GHz çalışma bant genişliği içinde 1.5 dB'yi aşmaz, eşdeğer korelasyonlu gürültü bant genişliği 0.905 GHz'e ulaşır ve faz ölçüm doğruluğu 2.5 ° 'den daha iyidir. Giriş gücü -13 dBm olduğunda, sinyal-gürültü oranı 13 dB'ye ulaşır.
Milimetre dalga; pasif görüntüleme; karmaşık korelasyon; analog karmaşık ilişkilendirici
Çin Kütüphanesi Sınıflandırma Numarası: TN928
Belge tanımlama kodu: Bir
DOI: 10.16157 / j.issn.0258-7998.2017.07.005
Çince alıntı biçimi: Xin Xin, Wang Chao, Hu Anyong ve diğerleri.Geniş bantlı sayısal olarak kontrol edilen bir analog karmaşık ilişkilendiricinin tasarımı ve uygulaması.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2017, 43 (7): 19-23.
İngilizce alıntı biçimi: Xin Xin, Wang Chao, Hu Anyong, et al.Dijital olarak kontrol edilen bir geniş bant analog karmaşık ilişkilendiricinin tasarımı ve uygulaması.Elektronik Tekniğin Uygulanması, 2017, 43 (7): 19-23.
0 Önsöz
Pasif milimetre dalga görüntüleme teknolojisini kullanan ekipman, tüm hava koşullarında ve tüm gün çalışma avantajına sahiptir. Milimetre dalgalar giysilere nüfuz edebilir Güvenlik alanında gizli silahların tespiti milimetre dalga pasif görüntüleme teknolojisi ile sağlanabilir. Karmaşık ilişkilendirici, milimetre dalga pasif görüntüleme sisteminin temel bileşenlerinden biridir.Karmaşık ilişkilendiricinin uygun tasarımı, sistemin iyi performansa ulaşması için önemli bir garantidir.Uygulama yöntemleri iki türe ayrılır: analog korelasyon ve dijital korelasyon. Dijital ilişkilendiricilerin kullanımı, yüksek spektral çözünürlük sağlayabilir ve çok sayıda kanala sahip sistemlerde çalışmaya uygun olan çok çeşitli zaman gecikmelerini kolayca elde edebilir. Bununla birlikte, dijital ilişkilendirici, analog sinyali nicellerken bir nicemleme hatasına sahiptir, bu nedenle duyarlılığı, analog karmaşık ilişkilendiricinin duyarlılığından daha düşüktür. Analog kompleks korelatör yüksek hassasiyete ve daha geniş çalışma bant genişliğine sahiptir. Bu makale, iki sinyalin korelasyon değerini ölçebilen, sinyalin kazancını ve ofsetini ayarlamak için dijital kontrolü benimseyen ve daha güçlü esnekliğe ve daha iyi tutarlılığa sahip bir analog karmaşık ilişkilendirici tanıtmaktadır.
1 Toplamsal analog karmaşık korelatör tasarım şeması
Bu karmaşık ilişkilendiricinin tasarım indeksi: çalışma frekansı 1.5 GHz ~ 2.5 GHz, 1 GHz bant genişliği içindeki çıktı genliği değişikliği 1.5 dB'yi aşmaz, faz ters çevirme hatası 5 ° 'yi geçmez. Çoklu ilişkilendiricinin yapısı Şekil 1'de gösterilmektedir.
Karmaşık ilişkilendirici, ek bir karmaşık ilişkilendirici yapısını benimser. Karmaşık korelasyon devresi, bir güç bölücü ve bir 90 ° hibrit bağlaştırıcı, bir detektör diyotu, bir alçak geçiren filtre ve bir diferansiyel amplifikatörden oluşan bir radyo frekansı faz kaydırma ağından oluşur. RF faz kaydırma ağı, 390 ° hibrid bağlaştırıcı ve 1 güç ayırıcıdan oluşur. Sinyal, radyo frekansı faz kaydırma ağından geçer ve sırasıyla gerçek kısmı ve hayali kısmı ilgili bilgiyi içeren sinyaller elde edilir. Algılama diyotu, her RF sinyalinde kare yasası algılaması gerçekleştirir. Düşük geçişli filtre, sinyal algılamasından sonra işe yaramaz yüksek frekanslı bileşenleri filtreler ve yalnızca DC bileşenini tutar. Son olarak, DC sinyalini kuvvetlendirin ve çıkış sinyali üzerinde AD örneklemesi gerçekleştirin Örneklemeden sonra, gerçek parça bilgisini içeren iki sinyal farklılaştırılır ve sanal parça bilgisini içeren iki sinyal, gerçek parça ile sanal parça arasındaki korelasyon değerini elde etmek için farklılaştırılır. .
Şekil 1'deki iki giriş sinyalinin voltajı şu şekilde ifade edilebilir:
Bunlar arasında, G, amplifikatörün kazancı ve K, diyot algılama duyarlılığıdır. Vreal gerçek bir korelasyon sonucu olduğundan, Vimag gerçek korelasyon sonucuna ortogonaldir. Bu nedenle, bu çözüm, iki sinyalin karmaşık korelasyon değerini hesaplama işlevini gerçekleştirebilir.
2 Dijital kontrol kompleksi ilişkilendiricisinin kazanç ve önyargı düzeni tasarımı
Sistem uygulaması sürecinde, karmaşık korelatörün gerçek kısmının ve sanal parça çıkış sinyallerinin kazancını ve ofsetini ayarlamak için bir dijital kontrol şeması benimsenir Bu şemanın yapısal tasarımı, Şekil 2'de gösterilir.
Amplifikatörün kazancı ve önyargısı, kendisine bağlı dijital potansiyometrenin (dijital potansiyometre, digipot) direnç değeri ile belirlenir. Seçilen digipot çipi, MCU tarafından SPI iletişim protokolü aracılığıyla gönderilen talimatları alabilir, böylece erişim devresinin direnç değerini değiştirerek amplifikatörün kazancını ve önyargısını da değiştirebilir. Donanım kontrol kısmı çekirdek olarak MCU'yu alır ve MCU üst bilgisayar tarafından gönderilen talimatları işler ve bunları talimat adresine karşılık gelen digipot çipine gönderir.
Dijital kontrol şemasının yazılım tasarımı, ana kullanıcı arayüz programını, MCU kontrol programını, seri iletişim programını, otomatik ayar kazancı ve ofset programını, manuel ayar kazancı ve ofset programını, AD edinim programını ve veri depolama programını içerir. Genel program akışı Şekil 3'te gösterilmektedir.
3 Dijital kontrol kompleksi korelatörünün kazanç ve önyargı düzeni tasarımı
3.1 Çoklu ilişkilendiricinin donanım uygulaması
Sistem entegrasyonu dikkate alındığında, analog karmaşık korelatör, karmaşık bir korelasyon modülüne ve bir dijital kontrol modülüne bölünmüştür. Karmaşık korelasyon modülü, bir radyo frekansı faz kaydırma ağı, bir algılama devresi ve bir yükseltme devresi içerir Dijital kontrol modülü, bir MCU ve bunun çevresel devrelerini, bir seri iletişim devresini ve çıktı tek uçlu sinyali bir diferansiyel sinyale dönüştüren bir devreyi içerir.
Bu karmaşık ilişkilendiricinin çalışma bant genişliği 1.5 GHz 2.5 GHz'dir.Pasif milimetre dalga görüntüleme sistemine uygulanır.Tasarım, 1 GHz bant genişliği içindeki çıkış genliği değişikliğinin 1.5 dB'yi aşmamasını sağlarken, hacmi ve maliyeti olabildiğince azaltmalıdır. Faz ters çevirme hatası, 5 ° 'lik tasarım gerekliliğini aşmaz. Radyo frekansı faz kaydırma ağı, devre kartının boyutunu küçültmek için ayrı yüzey montajlı cihazlar tarafından gerçekleştirilir. Alan kullanımını en üst düzeye çıkarmak için cihazlar devre kartının üst ve alt katmanlarına yerleştirilir.
Dedektör diyot çipi HSMS-285x AVAGO serisini seçer Bu çip iyi tutarlılık, ofset içermeyen ve yüksek algılama hassasiyeti olan 2 kanala sahiptir, bu nedenle ideal bir seçimdir. Alçak geçiren filtre, kesme frekansı 1 MHz olan bir RC alçak geçiren filtre kullanır. Kazanç ve ön gerilim ayarının doğruluğunu sağlamak için, dijital kontrol potansiyometresi AD526x serisi Analog Cihazları kullanır.Bu seri, SPI ve I2C iletişimini destekler.Bu yonga serisi, toplam direnci maksimum% 8 toleransla 256 ayarlanabilir konuma böler. Gerekli ayarlama doğruluğunu sağlayın. Elde edilen son ayarlama doğruluğu şudur: birinci aşama amplifikatörünün önyargı adımı 0,2 V ve ikinci aşama amplifikatörünün önyargı adımı 10 mV'dir.
Sistem uygulamasında 8 kanal entegre edilmiştir ve kazancı ve ofseti sayısal bir kontrol modülü ile kontrol edilmektedir Yapı diyagramı Şekil 4'te gösterilmiştir.
3.2 Nokta frekans testi
Karmaşık ilişkilendiricinin işlevini doğrulamak ve çalışma bant genişliğindeki genlik değişimini ve eşdeğer korelasyon bant genişliğini test etmek için üzerinde bir nokta frekansı testi yapmak gerekir.Sistem blok diyagramı Şekil 5'te gösterilmiştir. Testte faz kaydırıcının faz kaydırma değeri değiştirilerek IF portunda faz farkı 0 ° ile 360 ° arasında değişen iki sinyal elde edilir.
Analog kompleks korelatörün 2 GHz merkez frekansındaki çıkışı, Şekil 6'da gösterilmektedir. 0 ° 360 ° içinde, gerçek parça çıkış voltajı değeri Vreal ve hayali parça çıkış voltajı değeri Vimag eğrisi, kosinüs-sinüs fonksiyonu yasasına uygundur, gerçek parça çıkış sinyali hayali parça çıkış sinyaline ortogonaldir ve iki sinyalin çapraz korelasyon hesaplama işlevi gerçekleştirilir. . Koordinatlar olarak (Vreal, Vimag) kullanarak, test verilerine karşılık gelen noktaları çizin.Bu noktalar karmaşık bir korelasyon çemberi halinde birleştirilir. Test noktaları ile karmaşık korelasyon çemberi arasındaki uyum derecesi ne kadar yüksekse, karmaşık ilişkilendiricinin performansı ideale o kadar yakın olur. durum. Giriş gücü -16 dBm olduğunda karmaşık korelasyon çemberi Şekil 7'de gösterilmektedir. Şekildeki noktalar ölçülen verilerdir ve şekildeki daireler, ölçülen veri noktalarının en küçük kareler yöntemi ile elde edilen uydurulmuş dairelerdir. Ölçülen veriler ile karmaşık korelasyon çemberi arasındaki uyum iyiliği, doğrusal olmayan regresyon denkleminin uyum iyiliği hesaplama formülüne göre hesaplanır. Takılan dairenin merkez ofseti ve uyum derecesi Tablo 1'de gösterilmiştir. Karmaşık ilişkilendiricinin 1.5 GHz ila 2.5 GHz aralığındaki çıkış genliği değişimi Şekil 8'de gösterilmektedir.
Grafikten elde etmek kolaydır, çıkış sinyalinin ve korelasyon çemberinin uyum derecesi 0.96'nın üzerindedir ve uyum derecesi iyidir. Şekil 7'deki farklı frekanslardaki karmaşık korelasyon dairesinin merkezi ofsettir, bu, farklı frekanslarda radyo frekansı faz kayması ağı ile detektör diyotu arasındaki özelliklerdeki farktan kaynaklanır. Karmaşık ilişkilendiricinin 2 GHz'deki faz ters çevirme hatası 1,6159 ° 'dir. 1.5 GHz ~ 2.5 GHz çalışma bant genişliği içinde, karmaşık ilişkilendiricinin çıkış genliği 1.5 dB'yi aşmaz ve eşdeğer korelasyon bant genişliği 0.9054 GHz'dir, bu da tasarım indeksinin gereksinimlerini karşılar.
3.3 Geniş bant testi
Gerçek sistem uygulamalarında analog kompleks korelatörün performansını değerlendirmek için, analog kompleks korelatör geniş bant gürültü sinyalleri için test edildi. Test sisteminin yapısı Şekil 9'da gösterilmektedir. Değişken zayıflatıcının zayıflatma değerinin değiştirilmesi, sinyal güç girişini karmaşık ilişkilendiriciye de değiştirecektir. Bu deney, farklı giriş güçleri altında çoklu ilişkilendiricinin performansını test eder.
Elde edilen korelasyon çemberi test sonucu Şekil 10'da gösterilmektedir. Merkez ofseti ve ilgili dairenin oturması için Tablo 2'ye bakın. Ters çevirme aşamasının kök ortalama kare hatası Şekil 11'de gösterilmektedir. Grafikten, karmaşık korelasyon çemberinin merkez ofsetinin 0.1'in altında olduğu ve uyumun 0.96 civarında olduğu, iyi bir uyumu gösterdiği kolaylıkla elde edilebilir. Ters çevirme aşamasının ortalama karekök hatası, sistemin 5 ° içindeki indeks gereksinimlerini karşılayan 2,5 ° içindedir.
3.4 SNR testi
Karmaşık ilişkilendirici, pasif bir milimetre dalga görüntüleme sisteminde kullanılır.Farklı giriş güçlerinin, karmaşık ilişkilendirici çıkış sinyalinin sinyal-gürültü oranı üzerindeki etkisini araştırmak için, deney için bir sistem inşa edilir. Test sisteminin blok şeması Şekil 12'de gösterilmektedir.
Sistem görüntüleme uygulaması senaryosunda sinyal korelasyonu çok küçük olduğundan, zayıf korelasyon koşulunu karşılamak için test işlemi sırasında gürültü kaynağı kapatılır. Vektör modülatörü, ara frekans sinyalleri IF1 ve IF2 arasındaki faz farkının 0 ° 'den 360 °' ye değişmesi için, iki yerel osilatör sinyalinin faz farkını 0 ° 360 ° adımlarla değişecek şekilde kontrol eder. Güç dengeleme modülünün zayıflatma değerini ayarlayarak, karmaşık ilişkilendiriciye sinyal güç girişi, farklı giriş güçlerinde korelatörün sinyal-gürültü oranını karşılaştırmak için değiştirilir. Deney, karmaşık korelatörün sinyal-gürültü oranını -13 dBm, -16 dBm ve -19 dBm giriş güçlerinde test etti.
Farz edelim ki k-inci faz noktasındaki i-inci veriler, ri, i = 1, 2, 3, ..., 1280; k = 1, 2, 3, ..., 8, o zaman bu faz noktasındaki tüm verilerin standardı hesaplanabilir fark:
Rk oran sonucunun gürültü sinyali oranının boyutunu yansıttığını ve değer ne kadar küçükse o kadar iyi olduğunu çizmek kolaydır. Her bir güçteki sinyal-gürültü oranını daha doğrudan görüntülemek için, Rk'yi sinyal-gürültü oranına çeviriniz Veriler Tablo 3'te gösterilmiştir. C1 C3, sayısal olarak kontrol edilen ayarlanabilir karmaşık ilişkilendiricilerin sayılarıdır. Tablo 3'ten, güç daha yüksek olduğunda aynı karmaşık ilişkilendiricinin sinyal-gürültü oranının daha yüksek olduğu sonucuna varmak kolaydır.
4. Sonuç
Toplamsal analog kompleks korelatör, gerçek ve sanal parçaların korelasyon değerlerini ölçmek için 1.5 GHz 2.5 GHz radyo frekansı faz kayması ağı kullanır. Sayısal kontrol kazancı ve ofset şemasının tasarımı, çıkış sinyalinin kazancını ve ofsetini kontrol etmeyi uygun ve doğru kılar Kazanım adımı 30 mV'dir, birinci aşama amplifikatörü, 0.2 V'luk bir önyargı adımına sahiptir ve ikinci aşama amplifikatörü bir önyargı adımına sahiptir. Miktar 10 mV'dir. Geniş bant testinde, faz ters çevirme doğruluğu 2,5 ° içindedir, genlik değişimi 1 GHz çalışma bant genişliği içinde 1,5 dB'yi aşmaz ve eşdeğer ilişkili gürültü bant genişliği 0,905 GHz'e ulaşır. Ve sinyal-gürültü oranı, dedektör diyotunun çalışma aralığı içindedir ve giriş gücü arttıkça artar.
Radyo frekansı faz kayan ağın iletim hattını daha da optimize ederek, daha hassas faz ters çevirme doğruluğu elde edilebilir. Daha yüksek bir sinyal-gürültü oranı elde etmek için, detektör diyotunun çalışma aralığı dahilinde giriş gücü mümkün olduğunca arttırılmalıdır.
Referanslar
YUJIRI L, SHOUCRI M, MOFFA P. Pasif milimetre dalga görüntüleme IEEE Microw Mag. IEEE Microwave Magazine, 2003, 4 (3): 39-50.
KOLINKO VG, LIN SH, SHEK A, ve diğerleri.Gizli silahlar ve patlayıcı tespiti için pasif milimetre dalga görüntüleme sistemi. Küresel İç Güvenlikte Optik ve Fotonik San Diego: SPIE Bildirileri - Uluslararası Optik Mühendisliği Topluluğu, 2005, 5781: 85-92.
NANZER J. Güvenlik uygulamaları için mikrodalga ve milimetre dalga uzaktan algılama Norwood: Artech House, 2012: 1-10.
KIM WG, MOON NW, CHANG YS, et al. Gizli silah tespiti için odak düzlemi dizisi tabanlı Milimetre dalga Görüntüleme radyometresinin sistem tasarımı Geoscience ve Uzaktan Algılama Sempozyumu (IGARSS). Kore: 2011 IEEE International, 2011, 58 (11) : 2258-2261.
ZHENG C, Yao X, HU A, ve diğerleri.Gizli silah tespiti için kullanılan pasif bir milimetre dalga görüntüleyici.Elektromanyetik Araştırmada İlerleme B, 2013, 46 (46): 379-397.
HU A, MIAO J. 8 mm-bantlı iki boyutlu interferometrik sentetik açıklık radyometresinin prototip geliştirilmesi.Mekanik Otomasyon ve Kontrol Mühendisliği (MACE). Beijing: Second International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering, 2011: 1487-1490.
HARRIS AI, ZMUIDZINAS J. Geniş astronomik ve atmosferik spektral çizgilerin heterodin spektroskopisi için bir geniş bant gecikmeli korelatörü Scientific Instruments Review, 2001, 72 (2): 1531-1538.
HOLLER C M, KANEKO T, JONES M E, ve diğerleri Radyo interferometri için bir 6-12 GHz analog gecikmeli korelatör Astronomy and Astrophysics, 2007, 464 (2): 795-806.
LI C T, KUBO D Y, WILSON W, ve diğerleri AMiBA geniş bant analog ilişkilendirici Astrophysical Journal, 2010, 716 (1): 746-757.
TOONEN R C, HASELBY C C, BLICK R H. Mezoskopik deneyler için bir ultra geniş bant çapraz korelasyon radyometresi Enstrümantasyon ve Ölçme Üzerine IEEE İşlemleri, 2008, 57 (12): 2874-2879.
Wang Xinbiao, Li Jing, Jiang Jingshan Tam Polarizasyon Mikrodalga Radyometresinin Eklemeli Analog Kompleks Korelatörü Üzerine Araştırma Açta Astronautics, 2011, 32 (8): 1840-1847.
Wang Xinbiao Ka-bant analog tamamen polarize mikrodalga radyometre Pekin: Uzay Araştırmaları Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi, 2011: 14-17.
KOISTINEN O, LAHTINEN J, HALLIKAINEN M T. Uzaktan algılama ve radyo astronomisi için analog sürekli korelatörlerin karşılaştırılması Enstrümantasyon ve Ölçme Üzerine IEEE İşlemleri, 2002, 51 (2): 227-234.
AHN S J, RAUH W, WARNECKE H J. Daire, küre, elips, hiperbol ve parabolün en küçük kareler ortogonal mesafeleri.Pattern Recognition, 2001, 34 (12): 2283-2303.
HAESSEL W. Doğrusal ve doğrusal olmayan modellerde uyum iyiliğinin ölçülmesi Southern Economic Journal, 1978, 44 (3): 648.
