微波辐射计中异步量化技术的可行性分析

2015-06-01苏福顺吴琼之

系统工程与电子技术 2015年4期

关键词：辐射计误码孔径

苏福顺，吴琼之，孙林，邢洋

（北京理工大学信息与电子学院，北京100081）

微波辐射计中异步量化技术的可行性分析

苏福顺，吴琼之，孙林，邢洋

（北京理工大学信息与电子学院，北京100081）

在微波综合孔径辐射计的数字相关处理系统中，多通道高速模数转换是关键环节。传统量化技术都采用具有同步逻辑的模数转换器，其性能优越，但消耗的系统资源相对较大，无法适应实际星载、机载等特殊环境要求。提出的异步量化技术能极大地简化系统设计，带来资源的节约，使得大规模的微波综合孔径辐射计系统可向实用方向发展。重点比较同步量化和异步量化技术在微波综合孔径辐射计中的差异，从理论上阐述异步量化技术引入的可行性，并通过Matlab建模仿真给出仿真结果验证理论分析的正确性。

异步量化；微波辐射计；数字相关器；仿真

0 引言

微波遥感通过非接触方式对地物的微波特性进行测量和分析，从而得到目标特性参数［1］。综合孔径辐射计技术是提高微波遥感器空间分辨力的有效途径，其核心部件是复相关器［2］。数字相关器对信号进行量化，再使用数字逻辑器件完成相关处理。量化结果直接关系到数字相关器的运算结果，因此量化技术对数字相关系统的性能有很大的影响［3］。

量化器是数字相关器中各通道资源的主要消耗源。欲提高图像空间分辨力需要增加相关通道数［4］，当系统的通道数目很多时，每个通道上的资源优化能极大地降低系统总资源消耗［5］。

量化技术的性能和资源消耗通常是一对矛盾［6］，因此量化技术的优化在综合孔径辐射计中有十分重要的意义。

1 数字相关系统中的异步量化

1.1 同步量化

同步量化的量化过程在采样时钟驱动下完成。通常商用模数转换器（analog to digital convertor，ADC）采用同步量化技术，同步量化原理框图如图1所示。

图1 同步量化原理框图

采样时钟触发采样后，同步量化器使用采样保持电路对信号进行抽取，并保存抽样值到量化结束，以保证量化过程的准确性。此外，量化结果伴随数据同步时钟输出，以保证传输的正确性。这些机制能提高同步量化器的性能，但也增加了系统的功耗、体积、质量和系统复杂度［7］。

当量化通道很多时，总资源消耗将大大增加。同时，多个采集器分布部署需要精确的时钟同步系统，这些因素都增加了系统的设计难度。

1.2 异步量化

为了解决多通道辐射计中同步量化电路资源消耗过大的问题，本文提出一种使用异步量化方式进行相关数据的采集。

异步量化的量化过程不受时钟控制。后级电路利用采样时钟直接读取量化结果［8］。异步量化原理框图如图2所示。

图2 异步量化原理框图

异步量化电路不需要采样保持、同步时钟等电路，能以简单的电路形式实现高速量化［9］。同时，简单的外围电路和无需时钟同步系统的特性能很大程度上降低资源的消耗和系统复杂度。

但是，由于缺乏采样保持电路，异步量化器在量化时可能因为输入信号的变化而发生误动作［10］。

同时，由于缺乏数据同步时钟，后级电路读取采样结果时，可能读取到量化结果变化的状态。若此结果电平值落入模糊电平区间（电平值低于数字逻辑的开门电平（UIH（min））且高于关门电平（UIL（max））），后级数字电路便无法正常识别，可能发生误码。

1.3 数字相关器中异步量化的可行性分析

综合孔径微波辐射计接收被测物体辐射出来的信号［11］，使用互相关算法进行信号检测［12］。设物体辐射出的信号为S，信道加性噪声为Nc。S和Nc均为高斯分布信号且独立，故输入量化器的信号为S＋Nc也为高斯分布信号［13］。设第n个通道中的信号为Sn＝S＋Ncn。

2 验证系统仿真

2.1 仿真系统概述

本文以某综合孔径微波遥感辐射计为原型进行系统模型的构架和仿真。仿真从信号生成开始，模拟通道接收机接收信号，完成两种量化后进行相关处理，利用控制变量法比较两种量化方式所得相关系数的差异，从而研究两者的区别，探讨微波辐射计中异步量化技术引入的可行性。仿真的系统框图如图3所示。

图3 仿真系统框图

仿真系统参数如表1所示。

表1 系统仿真参数1）

2.2 仿真建模分析与实现

（1）信号发生与信道加噪

不失一般性，可设物体辐射出的信号满足高斯分布，使用Matlab的高斯序列发生函数wgn（）生成信号，使用加噪函数awgn（）模拟信号在信道中受白噪声干扰的现象。

（2）接收机

使用一个带宽为160 MHz的巴特沃斯滤波器对加噪信号进行滤波，模拟接收机行为，其幅频特性曲线如图4所示。

图4 接收机幅频特性曲线

本系统采用三阶量化，原始信号被量化为－1，0，1共3种离散状态。根据熵最大准则［16］，选择±（0.44× σ＋μ）作为量化门限，保证量化结果3种状态的比例为1∶1∶1，以达到最佳量化结果（σ为信号的标准差，μ为信号均值）。

（3）同步量化

同步量化以理想ADC为原型，假定其能够精确地实现量化和数据传输，根据参考门限和输入信号的幅值进行抽样、量化、编码即可完成其建模。

（4）异步量化

三阶异步量化建模以双比较器电路为原型，其电路如图5所示。它使用两个电源芯片生成输入电平到两个比较器反相端为异步量化提供参考电压，信号输入比较器同相端进行量化。根据两个参考电压和输入信号大小关系，信号被量化为00，01，11共3种状态。

图5 三阶异步量化电路

理想比较器的输出只由当前输入和参考电压大小关系决定。但现实使用的比较器是非理想的，当输入发生变化时，输出需要一段时间响应，称为比较器的翻转时间。即非理想比较器是记忆系统，当前输出与系统之前若干个状态和当前输入相关，如图6所示。其量化过程与参考电平设置、比较器翻转时间、输入信号等相关。

图6 非理想比较器量化过程

异步量化比较器输出如图7所示。

图7 异步量化比较器输出

在翻转状态下，比较器输出不是严格的数字高或数字低。后级电路读取到模糊电平时有一定概率发生误码。在仿真中，将采样值落入模糊电平区间的信号以p＝0.5的（0，1）分布取0值或者1值。

对信号进行异步量化、采样、编码后便完成异步量化的建模。

（5）数字相关器

根据数字复相关公式

使用数字乘法器和累加器构建数字相关器的数学模型，对两通道信号进行相关处理。

（6）差异比较模块

使用相关系数归一化两通道间相关结果。

式中，ρ为相关系数；s1，s2表示两通道的信号；Corr（）为复相关运算。

仿真系统仿真得出的相关结果是一个随机过程，差异比较模块对每种仿真条件进行10次仿真并取相对误差均值。相关系数相对差值

式中，ρsyn和ρasyn分别为使用同步量化结果和异步量化结果计算的相关系数均值。

2.3 各因素对量化结果差异的影响

相关点数与翻转时间之影响在信噪比为0 dB，相关器采样率为500 M Hz的条件下，不同相关点数和比较器翻转时间长度计算得到的10次相关系数相对差值均值如表2所示。

表2 仿真结果

对相关时间长度为0．5μs时，比较器翻转时间的变化对相关结果的影响如图8所示。

图8 比较器翻转时间对相关结果的影响

比较器翻转时间为50 ps时，不同相关时间对相关结果的影响如图9所示。

图9 相关时间对相关结果的影响

根据以上仿真结果可以看出，减小异步量化电路翻转时间，同时提高系统采样率或增加相关时间长度以增加相关点数时，异步量化和同步量化的差异会逐渐减小，与理论分析结果相同。

3 结束语

当条件优化到一定程度时，同步量化和异步量化的差异将降得足够低，不引起系统性能的恶化，认为同步量化和异步量化具有相同的量化性能。因此，只要找到合理的异步量化器，选择适当的系统参数，就能够在微波辐射计中引入异步量化技术，以相对更小的资源消耗和系统复杂度来实现量化操作。即在数字相关系统中引入异步量化技术具有可行性。

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Feasibility analysis of asynchronous quantization in microwave synthetic aperture radiometer

SU Fu-shun，WU Qiong-zhi，SUN Lin，XING Yang
（School of Information and Electronic，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

Quantization technology for multiple channels is crucial in the microwave synthetic aperture radiometer．Traditional quantization technology applies analog digital convertors（ADC）with synchronous logics，which owns excellent performance while costs too much resource，and cannot adapt to special applications like satellites or aircraft．Asynchronous quantization can simplify the system and reduce the resource cost by large degree，which makes the microwave aperture radiometer more feasible in practice．This paper focuses on the difference of synchronous quantization and asynchronous quantization，studies the feasibility of introducing asynchronous quantization to the digital correlation system in theory，and then uses the matlab to build a model and make simulation to verify the theory validity．

asynchronous quantization；microwave radiometer；digital correlator；simulation

TN 79＋2

10．3969／j．issn．1001-506X．2015．04．07

苏福顺（1990-），男，硕士研究生，主要研究方向为数字信号处理、综合孔径辐射计与机器学习。E-mail：zachsufushun＠gmail．com

吴琼之（1977 ），男，讲师，博士，主要研究方向为数字信号处理、微波散射计与综合孔径辐射计。E-mail：wqz_bit＠bit．edu．cn

孙林（1987-），男，讲师，硕士，主要研究方向为数字信号处理、SAR与综合孔径辐射计。E-mail：sunlinrapid＠163．com

邢洋（1989-），男，硕士研究生，主要研究方向为PCIE、综合孔径辐射计。E-mail：xingyang1989＠sina．cn

1001-506X（2015）04-0763-05

2014- 04- 17；

2014- 08- 19；网络优先出版日期：2014- 09- 22。

网络优先出版地址：http：／／w ww．cnki．net／kcms／detail／11．2422．TN．20140922．1654．004．html