一种高速多通道AD幅相一致性修正的实现方法精.docx
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一种高速多通道AD幅相一致性修正的实现方法精
第32卷第6期2011年6月
微计算机应用MICROCOMPUTERAPPLICATIONS
Vol.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
DesignofRapidIOuser－LevelCommunicationInterfaceandItsImprovement
JIYinghui1，2，CAIWei1，2
，CHENMing2
（1InstituteofAcoustics，ChineseAcademyofSciences，Beijing100190，China，
2
BeijingZhongKeHaiXunElectronicsTechnologyCo..Ltd.Beijing，100107，China）
Abstract：
Inphasedarrayradarsystem，multipleA/Dchannelshavedifferentamplitudeandphasecharacteristicsunavoidably.Thisdifferencereducessourcedataaccuracyinradardigitalsignalprocessingandhasseriouslyaffectingonphasedradarresolution.Inor-dertosolvethisproblem，
theauthorproposesanadaptivecorrectionmethodwhichcanrevisethisdifferenceamongdifferentA/Dchan-nels.Experimentshowsthatthismethodissimpletorealization，hasexcellentcorrectionresultsandEngineeringapplications.Keywords：
phasedarrayradarsystem；multipleA/Dchannels；differenceamplitudeandphasecharacteristicsrevise；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。
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。
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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
。
图1系统硬件结构
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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
设两个A/D通道采样后的正弦信号表达式为s1=A1*sin（2*PI*（fc+df）*n+θ1）s2=A2*sin（2*PI*（fc+df）*n+θ2）正交的载波信号表达式为
nco=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，θ1、θ2分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*nco
=0.5*A1*［sin（2*PI*（2*fc+df）*n+θ1）－sin（2*PI*df*n+θ1）］+0.5*j*A1*［cos（2*PI*df*n+θ1－cos（2*PI*（2*fc+df）*n+θ1）］s1mix经过低通滤波器后输出为
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微计算机应用2011年
S1ddc=0.5*A1*［sin（2*PI*df*n+θ1）－j*cos（2*PI*df*n+θ1）］
同理：
S2ddc=0.5*A2*［sin（2*PI*df*n+θ2）－j*cos（2*PI*df*n+θ2）］
设α=2*PI*df*n+θ1，β=2*PI*df*n+θ2。
则
s2ddcs1ddc=
sin（β）+j*cos（β）
sin（α）+j*cos（α）
=cos（β－α）+j*sin（β－α）
=cos（θ2－θ1）+j*sin（θ2－θ1）
由此可得出如下结论：
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，θ1=0．25*PI，θ2=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
图3
修正后低通滤波器输出
图4A/D通道幅相修正处理
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6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（ʎ）
幅度比相位差（ʎ）
幅度比00101.00000011.533781.009790.0115411.00013020.2723751.011760.0019731.0002003－1.9451.036－0.030771.0005104－64.60351.02197－0.311411.0077305－62.52771.02361－0.32511.0074606－64.40861.02676－0.327151.0087007－63.93631.05222－0.332991.0086608－66.77621.01774－0.230571.0091109－62.42921.02778－0.238141.00859010－63.59771.03205－0.238541.00908011－65.4751.05736－0.238791.00973012－82.0271.03046－0.235041.01427013－79.94011.03698－0.254281.01394014－82.28351.04056－0.238361.01474015
－82.5015
1.06626
－0.23686
1.014980
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0.5ʎ，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
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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
献
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中国科学院博士学位论文，2009.［2］TexasInstruments.ADS6443datasheet.www.ti.com，2007.
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（2）：
137－139［5］朱丽，龚文斌，杨根庆.多波束天线通道幅相一致性校正及实现.微计算机信息，
2007，23（20）：
158－160作者简介
冀映辉，（1982－），男，博士研究生，主要研究领域为阵列信号处理、并行计算；蔡炜，（1984－），男，博士研究生，主要研究领域为阵列信号处理；陈铭（1985－），男，研发工程师。
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