设计方法，该设计方法是基于FPGA+DSP实现的，并给出了双通道幅度相位测试仪的基本原理、关键技术和具体实现过程。本测试仪以已经工程化的数字化角跟踪接收机为平台，稳定可靠，能够做到替代进口仪器。
关键词：双通道幅度相位测试仪 FGPA DSP
中图分类号：TN791 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2015）04-0155-02
1 引言
在航天测控系统中，为保证测角精度，国内大多数测控站对于跟踪测量体制采用了双通道单脉冲体制[1][2]。这使得测控设备在研制和测试过程中离不开矢量电压表（也称相位计）。美国惠普公司的HP8508A是一款通用的矢量电压表。但是，随着仪器的更新换代，HP8508A已经停产，其测量功能被融合进矢量网络分析仪（如N5242A）或数字示波器（如4855A）中。而这些高端的矢量网络分析或数字示波器不仅价格昂贵，而且体积大、质量重、不便于携带。因而有必要自行研制一款矢量电压表，以保证工程研制的需要。
随着现场可编程门阵列（FPGA）和数字信号处理器（DSP）的迅猛发展，软件无线电技术得到了普及。FPGA提供了许多硬件底层的可重构能力，包括丰富的触发器、片内编程RAM和I/O引脚，其开发工具软件可选用电路图、多种硬件描述语言VHDL、状态转移图等方式完成，并包含大量通用的软件IP核，适合于简单高速的并行处理算法。DSP采用基于微处理器的体系结构，通过高级语言指令集进行编程，具有较高的软件修改灵活性，适合于处理复杂的顺序算法。FPGA+DSP的混合使用能够充分发挥各自的优势，有助于提高电路实现的效率和缩短设计周期，因而在工程设计中得到广泛的应用。
本文涉及的双通道幅度相位测试仪（其功能等同于矢量电压表）以数字化角跟踪接收机[3]为平台精心设计而成，具有测量2路同频信号的幅度、幅度差和相位差的功能。
2 设计原理
双通道幅度相位测试仪以70MHz模拟信号为输入接口，先经过适当的预滤波、AGC放大处理，然后进行采样量化，形成的数字信号分成两路，一路与本地的数字控制振荡器（NCO）进行乘法运算，实现载波捕获。2个通道NCO模块的输出信号均是通过查询正弦函数表所得，在正弦函数表中，1个地址码对应1个相位值，通过减法运算，可得2个通道的相位差值。
另一路数字信号与NCO正交信号进行乘法运算，滤波后输出反映输入信号幅度的直流信号，经误差监测器后输出误差校正电压，经D/A转换器转换成模拟电压去控制AGC放大器，使A/D输入端信号幅度保持稳定。根据AGC电压与输入信号幅度的线性关系，可得2个通道输入信号的幅度，同时也可得到它们之间的幅度差值。
图1为双通道幅度相位测试仪的设计原理框图，通道1与通道2的组成电路相同。
3 关键技术
本设计中，采用的关键技术主要有数字载波锁相环、FFT运算和后置AGC。
3.1 数字载波锁相环
只有当本地的NCO与输入信号同步时，我们才能测得两路输入信号的相位差，因此对输入载波信号的捕获是本设备的关键。数字载波锁相环由数字鉴相器、数字环路滤波器与NCO三部分组成。数字鉴相器是一个相位比较器，用来检测输入信号相位和反馈信号相位（即NCO的相位）之间的相位差，在满足负反馈的条件下，最终使得输入信号相位和反馈信号相位一致。在本文研制的测试仪中，采用一个乘法器作为数字鉴相器。数字环路滤波器具有低通特性，对噪声及高频分量起抑制作用，控制着环路相位校正的速度和精度。选择合适的滤波器参数可以改善环路性能[4]（图2）。
NCO产生正弦信号最有效、最简便的方法是查表法：根据各个NCO正弦信号的相位角度计算出对应的正弦函数值，将相位角度作为地址存储对应的正弦函数值。数字鉴相器工作时，每个采样时钟周期输入一个数据，NCO的相位累加器就增加一个2πfLO/fS（fLO为本地振荡频率，fS为输入信号的采样频率）的相位增量，然后以累加后的相位作为地址，输出该地址上已存储的正弦函数值。NCO结构如图3所示。
环路滤波器直接决定载波锁相环的性能优劣。它不仅对环路的输入噪声具有抑制作用，而且对环路的校正速度具有调节作用。本测试仪采用理想二阶环的数学模型，可以方便地在数字电路设计中实现。
3.2 FFT运算
对于长度为N的时域序列X（n）离散傅立叶变换（DFT）可以表示为：
式（1）中，。一般来说，X（n）和都是复数，X（k）也是复数，因此计算一个X（k）值，需要N次复数乘法和N-1次复数加法。而X（k）一共有N个点，所以完成整个DFT运算共需N2次复数乘法及N*（N-1）次复数加法。
乘法运算采用Cooley和Turley发明的FFT算法后，复数乘法次数由N2次减少至N/2*log2N[5]。当N很大时（一般不小于210），乘法次数大大减小，既缩短了运算时间，又减少了硬件资源需求。
3.3 后置AGC
后置AGC是指从解调后的信号中提取检测信号来控制高频或中频放大器的增益。为了高质量地完成AGC控制，采用“相干”和“非相干”并用，在环路未锁定时用“非相干”AGC，锁定后自动转变为“相干”AGC。相干AGC分量取自正交鉴相支路的输出，非相干AGC分量直接取自A/D输出信号的幅度检波，如图4所示。
4 设计与实现
双通道幅度相位测试仪由400kHz带通声表面波滤波器、AGC中频放大器、A/D转换器、FPGA、DSP、D/A转换器、串口电路、60MHz晶体振荡器、flash存储器及其他外围电路组成，如图5所示。
我们用FPGA完成相对于DSP更高速的信号处理，主要包括A/D采样电路、A/D高速数据缓存、全局时钟管理、NCO模块、数字下变频及环路滤波模块、AGC环路模块等。我们选用Altera公司3.3万逻辑单元的EP2C35和配置芯片EPCS16，其软件采用QuartusⅡ开发工具软件。
DSP采用TI公司的数字信号处理器TMS320VC33，用以完成复杂的FFT运算及信号处理流程的管理。其软件采用合众达电子公司USB接口的DSP仿真开发工具配合TI公司CCS专用调试软件。
4.1 相位差计算
在图3中，NCO的正弦ROM表使用13位地址码进行寻址。因此，载波锁定后，输入信号的相位可由NCO的ROM表的地址码来表征，并且是一一对应的关系，相位分辨率为0.044°（即Δθ=360/213）。假设在某个时刻T0，通道1的NCO从ROM表第m个存储单元取值，通道2的NCO从ROM表第n个存储单元取值，则2个通道的相位差：
4.2 幅度及幅度差计算
在图4中，AGC放大器具有对数特性，动态范围为70dB，AGC电压范围为0～1.5V。与NCO的正弦ROM表相似，需要建立1个线性ROM表，按顺序存储输入幅度大小。线性ROM表使用10位地址码进行寻址。因此，输入信号的幅度可由线性ROM表的地址码来表征，并且是一一对应的关系，幅度分辨率为0.068dB（即Δa=70/210）。AGC环路锁定后，环路给出AGC电压，根据AGC电压可计算出地址码。假设某个时刻T0，通道1的幅度从ROM表第j个存储单元取值，通道2的幅度从第k个存储单元取值，则2个通道的幅度差：
4.3 数值修正
由于2个通道的不一致性和非线性，测得的幅度、幅度差及相位差需要根据定标结果进行适当的数值修正。
对于计算所得的相位差，应当减去2个通道的初始相位差。假设定标时，输入2个同频同相信号，测得2个通道的相差为Ф0，则最终测得的相位差：
对于幅度的线性ROM表，可按步进5dB进行修正，即把AGC电压-增益曲线分成了14小段，每个小段内可认为是足够线性的。根据定标结果，适当修正AGC电压-增益曲线斜率。这样修正后，在提高测量准确度的同时，也不至于增加很多的工作量。
5 产品实物与性能
我们设计出的测试仪工作界面如图6所示。
经国防科技工业5113二级计量站测定，测试仪的性能参数如表1所示。
6 结语
基于FPGA+DSP的双通道幅度相位测试仪性能优异、使用方便，在很多工作场合已经能够代替进口仪器HP8508A使用。通过加载变频模块，测试仪可以扩展至其他工作频段。与20世纪80年代开始生产的HP8508A相比，本测试仪采用了具有更多位数和更大存储容量的新一代数字芯片，相位分辨率和幅度分辨率更高，从而提升了测量精度。
参考文献
[1]刘嘉兴.飞行器测控与信息传输技术[M].北京，国防工业出版社，2011.
[2]统一载波测控系统讲义[M].成都，电子工业部第十研究所，1997.
[3]兰宏志.数字化角跟踪接收机的设计与实现[J]，电讯技术，2003（2）：91-92+129.
[4]李晓松.中频数字跟踪接收机设计及工程应用[D].成都，成都电子科技大学，2010.
[5]王念旭等.DSP基础与应用系统设计[M].北京，北京航空航天大学出版社，2002.