一種新型相位差測量系統(tǒng)

摘    要: 傳統(tǒng)的相位差測量系統(tǒng)，因其工作的頻段窄，測量精度低，已不能滿足現(xiàn)代相控陣技術(shù)的要求。本文提出了一種新型相位差測量系統(tǒng)的設(shè)計方法，并給出了測試結(jié)果。
關(guān)鍵詞: 相位差；測量 

引言
在實(shí)際工作中，經(jīng)常會遇到需要檢測兩個信號的相位差，這也是研究網(wǎng)絡(luò)相頻特性中不可缺少的重要方面。近年來，隨著以計算機(jī)參與的數(shù)字合成和使用數(shù)據(jù)樣本求解測量特性為特征的第三代自動測試系統(tǒng)和虛擬儀器的出現(xiàn)，提出了使用同步實(shí)時取樣技術(shù)獲得取樣序列，從而計算兩信號之間的相位差的方法。雖然這些方法都不再依賴于標(biāo)準(zhǔn)時標(biāo)信號，而直接通過采樣點(diǎn)經(jīng)過數(shù)值處理即可得到被測信號相位，但其被測信號的頻率都很低，最高也只有幾十KHz，而且計算復(fù)雜、運(yùn)算量大，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代相控陣技術(shù)的要求。
本文提出了一種基于AD8302的新型相位差測量系統(tǒng)，被測信號的頻率可以高達(dá)2.7GHz，相位測量精度小于0.5度。另外，它可以獨(dú)立測量兩個射頻(RF)或中頻(IF)信號之間的相位差，這對于全球移動通信系統(tǒng)(GSM)、碼分多址(CDMA)、寬帶碼分多址(W-CDMA)、時分多址(TDMA)蜂窩電話、個人通信業(yè)務(wù)(PCS)、寬帶基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)以及現(xiàn)代相控陣系統(tǒng)來說意義重大。

圖1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)主要由相位差測量芯片AD8302、4通道A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7865、可編程邏輯器件EPM7256、PCI接口芯片S5933等幾部分組成，其中核心部分是相位差測量芯片AD8302、4通道A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7865以及PCI接口的實(shí)現(xiàn)。其系統(tǒng)硬件原理框圖示于圖1。
系統(tǒng)工作原理：將需要測量的信號及其參考信號送給相位差測量芯片AD8302，AD8302將輸出相位差信號VPHS，緩慢變化的VPHS信號經(jīng)過差分放大后送給4通道14位的A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7865，AD7865在可編程邏輯器件的控制下將數(shù)據(jù)寫入FIFO中，F(xiàn)IFO在可編程邏輯器件的控制下，通過PCI接口芯片S5933實(shí)現(xiàn)與PCI接口間的數(shù)據(jù)交換，再由相位差測量算法完成最終的相位差測量。

相位差測量電路的硬件實(shí)現(xiàn)
影響整個系統(tǒng)性能的關(guān)鍵部分在于相位差測量電路，相位差測量電路的核心器件為相位差測量芯片AD8302。AD8302是ADI公司用于RF/IF相位差測量的單片集成電路，它能同時測量從低頻到2.7GHz頻率范圍內(nèi)的兩輸入信號之間的相位差。它有測量、控制器和電平比較器三種工作方式，我們采用的是測量工作方式，其電路原理圖如圖2所示。

圖2 相位差測量電路

圖3 AD8302相位差響應(yīng)特性曲線

AD8302利用對數(shù)放大器具有對數(shù)壓縮功能的原理，通過精密匹配的兩個寬帶對數(shù)檢波器來實(shí)現(xiàn)對兩輸入通道信號的相位差測量，其相位差測量方程式為：
                      (1)
其中F(VINA)為A通道的輸入信號初相位，F(xiàn)(VINB)為B通道的輸入信號初相位，VF為斜率，VPHS為相位差輸出。默認(rèn)測量模式下的相位差的理想響應(yīng)特性曲線如圖3所示。
由AD8302的相位差響應(yīng)特性曲線可見，我們不能判斷所測信號與參考信號的相位差是在0~-180度還是在0~+180度，但是在0~-180度和在0~+180度時AD8302的相位差響應(yīng)特性曲線的斜率不同，為此我們通過改變參考信號的初相位得到兩組值，根據(jù)得到的兩組值即可判斷出所測信號相位差的正負(fù)。
另外，通過實(shí)測AD8302的相位差響應(yīng)特性，我們還發(fā)現(xiàn)AD8302的低頻相位差特性與高頻相位差特性還是略有差別的，為了提高整個系統(tǒng)的相位差測量精度，因此很有必要在軟件算法上加以修正。經(jīng)過分析我們確定相位差測量算法以相位差為