一种零中频接收机直流偏移对消电路的设计

2019-08-22沈金成李万昌辛鹏

电子技术与软件工程 2019年12期

文/沈金成李万昌辛鹏

1 直流偏移问题概述

零中频接收机一般应用于使用单频连续波的雷达。与传统的超外差接收机相比，零中频接收机的射频信号没有镜像频率，不需要镜像抑制滤波器。变频后的中频信号在低频（一般低于10kHz），放大电路使用普通的运算放大器即可，滤波器的设计也更加简单，对ADC 的精度和采样率的要求也有所降低。这样大大降低了接收机设计的要求，同时体积和功耗也显著降低。

在这些优点之外，零中频接收机存在一个必须解决的问题。下变频的过程中，如果射频信号与本振的频率相同，则直接被变频至直流。在雷达的探测过程中，零中频接收机变频产生的信号，是直流分量与射频信号所携带的有用信号的叠加，这些直流分量会使放大电路饱和，导致有用信号无法被放大。因此，直流偏置信号的消除是零中频接收机的关键。

直流偏置问题的主要来源包括：接收机接收到的目标反射回波，本振泄露以及本振在混频器电路的多次反射，同频带干扰信号等。

目前主要的直流对消技术包括射频对消、数字对消、交流耦合等。射频对消是在接收通道引入一路额外信号，其相位与空间泄露信号相反，幅度基本相等，当2 个信号相叠加时，使得泄露信号功率减小。数字对消是用ADC采集中频信号，对中频的直流分量进行累计，得到直流分量后减去对应的直流分量。交流耦合是在中频端加隔直电容去直流。射频对消需考虑多种来源的射频成分，结构复杂。数字对消在ADC 采集数据前需考虑直流成分放大饱和的问题，无法提供足够的增益。交流对消有很大的局限性，有用信号频率低时，无法通过隔直电容。

本文提供了一种在中频端进行直流对消的方法及电路，可实时消除连续波变频后产生的直流分量，使中频信号只剩交流分量，从而能够提供足够的增益，将零中频信号放大至适合A/D 转换器采集的范围。

2 直流偏移对消电路的架构

如图1a 所示为中频端直流偏移对消电路的架构。由加法器、有效值转换器、差分放大器、3 个电压跟随器、放大器、滤波器等组成。

射频回波与本振经过下变频产生的零中频信号IFIN，进入如图1a 所示的直流对消电路。IFIN 经加法器抬高电平，然后功分为两路，一路经有效值转换器检出直流分量送至差分放大器，另一路经阻抗匹配后送至差分放大器，两路信号经差分放大器进行减法运算，得到消去直流分量后的零中频信号。

加法器采用由运算放大器与精密电阻组成的加法电路，用于将零中频信号附加一个直流分量，抬高零中频信号的电平，避免零中频信号出现负电压导致有效值检波器无法有效检波。同时，抬高零中频信号的电平，可以保证其有效值在有效值检波器的最佳输入功率范围内，保证转换的精度。

有效值转换器用来转换出信号的有效值。零中频信号可以视作多种正弦波信号与一种直流信号的叠加，信号的有效值等于直流信号的电压值。因此，图1a 中有效值转换器输出的电压值即为零中频信号的直流分量。

图1a 中使用了3 个电压跟随器用于阻抗匹配，因电压跟随器的输入阻抗可视为无穷大，可以使信号最大程度传输至后级。

使用运算放大器组建差分放大电路，其平衡电桥采用高精度电阻（不低于1%精度）以降低误差。放大倍数设置为1，这样的好处是平衡电桥使用的各个电阻值相等，易于匹配。

差分放大后的零中频信号，不含直流分量，可以使用放大器设置较高的增益进行放大，避免了直流分量导致的放大器饱和。

3 应用与结果分析

基于本文直流偏移对消的方法，设计研制了L 波段零中频接收机，并应用于手持式隔墙探测雷达，探测墙或其他障碍物后的活动目标。

本方案选用高精度RMS-DC 转换芯片LTC1966 进行有效值检波。LTC1966 把输入信号的有效值转换为直流输出，输出电压为输入信号直流电压与交流信号有效值之和，总体误差低于0.25%。通过调整其耦合电容的容值，可调整检波时间。

图1

图1b 为接收回波RF 与本振LO 的相位差从0°跳变至180°时，零中频接收机的测试结果。RF 与LO 的相位差跳变，导致混频后的IFIN 的直流偏移产生跳变。约130ms 之后，有效值检波器检出有效值，送至差分放大器进行直流偏移对消过程，输出信号开始向零恢复。由于有效值检波器的耦合电容放电，输出信号需要经过另外240ms 恢复至零。

基于本接收机的探测目标类型，选用了较大的耦合电容，使直流偏移对消的过程保持在ms 的量级。通过调整耦合电容的容值，可以调整对消的时间。