CN103840795A - 一种基于dds芯片移相的正交检波电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于DDS芯片移相的正交检波电路，该电路包括：移相电路，输出第一参考信号到第一相敏检波器，输出第二参考信号到第二相敏检波器；第一相敏检波器，将输入信号和第一参考信号进行混频，输出第一和频信号与第一差频信号至第一低通滤波器；第一低通滤波器，滤除第一和频信号，输出第一差频信号Q(t)；第二相敏检波器，将输入信号和第二参考信号进行混频，输出第二和频信号与第二差频信号至第二低通滤波器；第二低通滤波器，滤除第二和频信号，输出第二差频信号I(t)。本发明正交检波电路不要求输入信号与参考信号的相位保持一致或零，就能够实现对相位变化的输入信号的幅值与相位进行准确测量。本发明实现电路简单，稳定可靠，操作简单。

Description

一种基于DDS芯片移相的正交检波电路

技术领域

本发明属于信号解调技术领域，具体涉及一种基于DDS芯片移相的正交检波电路。

背景技术

基于正交检波的信号解调技术应用越来越多，如微弱信号检测技术、通信技术和光谱技术，如何从大量噪声中提取出有用信号，使正交检波得到大量的重视。如中国发明专利CN103117973A所述，普通的正交检波电路的核心是相敏检波器，而相敏检波器的性能主要由输入信号和参考信号决定，输入信号可以通过带通滤波器和前置放大器调整，使之满足系统的要求，而普通正交检波电路的正交参考信号若由分立元件产生，其电阻电容难免受到应用环境的电磁干扰和温度的影响，从而影响移相电路的移相精度和稳定性，本发明正是基于上述正交检波电路的缺陷，提出一种应用新的移相电路的正交检波电路。

移相电路是控制信号相位变化的控制电路，基于移相电路的应用技术越来越多，如雷达系统、通信、测量系统和信号解调。移相是指两路同频的信号，以其中的一路信号相位为参考，另一路相对于该参考作超前或滞后的相位移动，相差即指两路同频信号的相位不同。根据移相电路控制方式的不同，移相电路主要有传统的模拟移相电路和数字移相电路。

模拟移相电路有阻容移相电路和变压器移相电路。现有的模拟电路中，阻容移相电路较为简单，但移相输出信号容易受到输入波形和温度的影响，移相角度与负载的大小和性质有关，移相精度不高，稳定性不强，并且传统的模拟移相电路不能实现多种波形的移相。

数字移相电路主要有两大类：一类在单片机的控制下，把模拟信号数字化，形成数据表后存入ROM芯片中，通过两片D/A转换芯片连续循环输出该数据表，即可获得两路模拟信号。当这两片D/A转换信号所获得的数据序列不一样时，则转换得到的两路模拟信号就存在相位差；否则，就得到两路同相模拟信号。另一类先将参考信号整形为方波信号，以此方波信号为基准，延时生成另一个同频的方波信号，再经过波形变化电路将方波信号还原成所需模拟信号。这是以延时的长短来决定两路信号间的相位差，但是这种方式的电路结构复杂，不便于操作。

随着数字电子技术的发展，直接数字频率合成(DDS)技术将上述数字移相电路的第一种移相方式集成在一片DDS芯片内，DDS同D/A转换器和低通滤波器一起就可以组成任意波形信号的发生器。本发明就是在DDS芯片的基础上，通过单片机或DSP控制，编写程序设置两片DDS芯片的频率和相位，即可产生两路信号频率相同，相位差可任意设置的电路，该移相电路的输出信号波形好，信号频率分辨率可以达到几十毫赫兹，相位分辨率可达几十毫度甚至几毫度，运行可靠，操作方便。基于DDS芯片移相的正交检波电路，其参考信号稳定性强，精确度高，电路结构简单易于实现。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是通过两片DDS芯片构成正交检波电路的移相电路，克服了模拟移相电路移相精度不高，普通数字移相电路复杂的问题，实现输出信号波形好，信号频率分辨率可以达到几十毫赫兹，相位分辨率可达到几十毫度甚至几毫度，运行可靠，操作方便的基于DDS芯片移相的正交检波电路。

为解决正交检波电路中移相电路输出的参考信号不够精确，受应用环境电磁干扰和温度影响的问题，本发明提出了一种基于DDS芯片移相的正交检波电路，其包括移相电路、两个相敏检波器和两个低通滤波器，该正交检波电路用于从复杂环境中提取有用的微弱信号。

本发明提出的一种基于DDS芯片移相的正交检波电路的输入信号为所需解调的混合电信号，该电路包括：移相电路、第一相敏检波器、第一低通滤波器、第二相敏检波器和第二低通滤波器，其中：

所述移相电路与所述第一相敏检波器和第二相敏检波器连接，用于输出第一参考信号到所述第一相敏检波器，输出第二参考信号到所述第二相敏检波器；

所述第一相敏检波器与所述第一低通滤波器连接，用于将输入信号和第一参考信号进行混频，输出第一和频信号与第一差频信号至所述第一低通滤波器；

所述第一低通滤波器用于滤除所述第一和频信号，输出所述第一差频信号Q(t)；

所述第二相敏检波器与所述第二低通滤波器连接，用于将输入信号和第二参考信号进行混频，输出第二和频信号与第二差频信号至所述第二低通滤波器；

所述第二低通滤波器用于滤除所述第二和频信号，输出所述第二差频信号I(t)。

本发明具有以下优点：

1、本发明提出的正交检波电路，其移相电路只需要两片DDS芯片，输出波形好，运行可靠，操作方便；

2、本发明提出的正交检波电路，其移相电路可以克服模拟移相电路移相精度不高，普通数字移相电路复杂的问题。

3、本发明移相电路的输出信号频率和相位可通过软件进行编程，调整简单，信号频率分辨率可以达到几十毫赫兹，相位分辨率可达几十毫度甚至几毫度。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的基于DDS芯片90°移相的正交检波电路图；

图2是根据本发明一实施例的基于DDS芯片的90°移相电路图；

图3是根据本发明一实施例的基于DDS芯片的90°移相电路的信号波形示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

为解决正交检波电路中移相电路输出的参考信号不够精确，受应用环境电磁干扰和温度影响的问题，本发明提出了一种基于DDS芯片移相的正交检波电路，其包括移相电路、两个相敏检波器和两个低通滤波器，该正交检波电路用于从复杂环境中提取有用的微弱信号。

图1是根据本发明一实施例的基于DDS芯片90°移相的正交检波电路，该正交检波电路将所需解调的混合电信号作为输入信号X(t)，并接收一对相位正交的同频率参考信号，如图1所示，该正交检波电路包括移相电路、第一相敏检波器1、第一低通滤波器2、第二相敏检波器3和第二低通滤波器4，其中：

所述移相电路与所述第一相敏检波器1和第二相敏检波器3连接，用于输出第一参考信号到所述第一相敏检波器1，输出第二参考信号到所述第二相敏检波器3；

所述第一相敏检波器1与所述第一低通滤波器2连接，用于将输入信号和第一参考信号进行混频，输出第一和频信号5与第一差频信号6至所述第一低通滤波器2；

所述第一低通滤波器2用于滤除所述第一和频信号5，输出所述第一差频信号6，即Q(t)；

所述第二相敏检波器3与所述第二低通滤波器4连接，用于将输入信号和第二参考信号进行混频，输出第二和频信号7与第二差频信号8至所述第二低通滤波器4；

所述第二低通滤波器4用于滤除所述第二和频信号7，输出所述第二差频信号8，即I(t)。

所述第一参考信号与第二参考信号为相位正交的同频率信号。

在本发明一实施例中，采用方波信号作为所述参考信号，假设输入信号，即所需解调的混合电信号X(t)为：

X(t)＝V_ssin(ω₀t+φ)+N(t)，

式中，V_s是待测有用信号的幅值，ω₀为角频率，φ为初始相位，N(t)为环境噪声。

则第一参考信号，即0°相位参考方波信号V₀的傅里叶级数展开式为：

$V_0=\frac{4}{\mathrm{\π}}\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2n+1}\sin (2n+1){\mathrm{\ω}}_{r}t,$

式中，V₀是角频率为ω_r的方波。

利用参考信号与有用信号具有相关性，而参考信号与噪声相互独立、互不相关的性质，通过第一相敏检波器1后的输出为

$V_{01}=X\left(t\right)V_0$

$=V_s\frac{4}{\mathrm{\π}}\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2n+1}\sin ({\mathrm{\ω}}_{0}t+\mathrm{\φ})\sin (2n+1){\mathrm{\ω}}_{r}t+N\left(t\right)\frac{4}{\mathrm{\π}}\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2n+1}\sin (2n+1){\mathrm{\ω}}_{r}t$

$=V_s\frac{4}{\mathrm{\π}}\sin ({\mathrm{\ω}}_{0}t+\mathrm{\φ})\sin {\mathrm{\ω}}_{r}t+V_s\frac{4}{\mathrm{\π}}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2n+1}\sin ({\mathrm{\ω}}_{0}t+\mathrm{\φ})\sin (2n+1){\mathrm{\ω}}_{r}t+N\left(t\right)\frac{4}{\mathrm{\π}}\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2n+1}\sin (2n+1){\mathrm{\ω}}_{r}t$

$=-V_s\frac{2}{\mathrm{\π}}\cos ({\mathrm{\ω}}_{0}t-{\mathrm{\ω}}_{r}t+\mathrm{\φ})$

$+{\{V}_s\frac{2}{\mathrm{\π}}\cos ({\mathrm{\ω}}_{0}t+{\mathrm{\ω}}_{r}t+\mathrm{\φ})+V_s\frac{4}{\mathrm{\π}}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2n+1}\sin ({\mathrm{\ω}}_{0}t+\mathrm{\φ})\sin (2n+1){\mathrm{\ω}}_{r}t+N\left(t\right)\frac{4}{\mathrm{\π}}\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2n+1}\sin (2n+1){\mathrm{\ω}}_{r}t\}$

式中，V₀₁的第一项为第一差频信号6，第二项的花括号为第一和频信号5。

当参考信号的频率ω_r与有用信号的频率ω₀相等时，通过第一低通滤波器1滤除第一和频信号5后，保留得到的第一差频信号6Q(t)为：

$Q\left(t\right)=-V_s\frac{2}{\mathrm{\π}}\cos \mathrm{\φ},$

同理可得，输入信号和第二参考信号即90°相位参考信号经过第二相敏检波器3混频，再经过第二低通滤波器4滤波后的输出为第二差频信号8I(t)：

$I\left(t\right)=V_s\frac{2}{\mathrm{\π}}\sin \mathrm{\φ},$

那么，所述待测有用信号的幅值和相位分别是：

$V\left(t\right)=\sqrt{I{\left(t\right)}^2+Q{\left(t\right)}^2},$

$\mathrm{\θ}\left(t\right)=\arg \tan \left(\frac{Q\left(t\right)}{I\left(t\right)}\right).$

图2是根据本发明一实施例的基于DDS芯片的90°移相电路图，如图2所示，所述90°移相电路包括第一DDS芯片9和第二DDS芯片10，其中：

所述第一DDS芯片9和第二DDS芯片10接收同一个晶振输出的时钟信号；通过单片机或DSP控制，设置频率和相位后，所述DDS芯片可输出同一频率的两路正交参考信号，其中，所述第一DDS芯片9输出的参考信号相位设置为0°，所述第二DDS芯片10输出的参考信号相位相对于第一DDS芯片9的输出参考信号设置为90°。单片机或DSP通过SPI串行口对DDS芯片进行控制和软件编程后，可以将单片机或DSP去掉，两个DDS芯片即可稳定输出同频率，相位差为90°的两路参考信号。

所述移相电路可根据实际应用的相位差，灵活调整两片DDS芯片之间的相位差，同时DDS芯片的输出信号波形可以为正弦波、三角波和方波等。

图3是根据本发明一实施例的基于DDS芯片的90°移相电路的信号波形示意图，以方波信号为例，如图3所示，Fclock表示晶振给DDS芯片提供的时钟信号，F0表示第一DDS芯片9输出的0°相位的方波信号，F90表示第二DDS芯片10输出的波形相位相对于第一DDS芯片9设置为90°相位的方波信号。

综上，本发明正交检波电路不要求输入信号与参考信号的相位保持一致或零，就能够实现对相位变化的输入信号的幅值与相位进行准确的测量。

由此可见，本发明提供了一种基于DDS芯片移相的正交检波电路，其移相电路通过对两片DDS芯片提供准确的时钟信号和控制字后，能够实现频率分辨率达到几十毫赫兹，相位分辨率达到几十毫度甚至几毫度，相位差为90°或其他值的两路参考信号。本发明准确利用了DDS芯片的功能，使正交检波电路结构更加简单，使用可靠方便，扩展性好。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于DDS芯片移相的正交检波电路，所述正交检波电路的输入信号为所需解调的混合电信号，其特征在于，该电路包括：移相电路、第一相敏检波器、第一低通滤波器、第二相敏检波器和第二低通滤波器，其中：

所述移相电路与所述第一相敏检波器和第二相敏检波器连接，用于输出第一参考信号到所述第一相敏检波器，输出第二参考信号到所述第二相敏检波器；

所述第一相敏检波器与所述第一低通滤波器连接，用于将输入信号和第一参考信号进行混频，输出第一和频信号与第一差频信号至所述第一低通滤波器；

所述第一低通滤波器用于滤除所述第一和频信号，输出所述第一差频信号Q(t)；

所述第二相敏检波器与所述第二低通滤波器连接，用于将输入信号和第二参考信号进行混频，输出第二和频信号与第二差频信号至所述第二低通滤波器；

所述第二低通滤波器用于滤除所述第二和频信号，输出所述第二差频信号I(t)。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第一参考信号与第二参考信号为相位正交的同频率信号。

3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述参考信号为正弦波、三角波或方波信号。

4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述参考信号为方波信号。

5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，所述输入信号为X(t)＝V_ssin(ω₀t+φ)+N(t)，

其中，V_s是待测有用信号的幅值，ω₀为角频率，φ为初始相位，N(t)为环境噪声；

则所述待测有用信号的幅值和相位分别是：

$V\left(t\right)=\sqrt{I{\left(t\right)}^2+Q{\left(t\right)}^2},$

$\mathrm{\θ}\left(t\right)=\arg \tan \left(\frac{Q\left(t\right)}{I\left(t\right)}\right).$

6.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述移相电路的相位差可调。

7.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述移相电路的相位差为90°。

8.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述移相电路包括第一DDS芯片和第二DDS芯片，其中：

所述第一DDS芯片和第二DDS芯片接收同一个晶振输出的时钟信号；

通过设置频率和相位，所述第一DDS芯片和第二DDS芯片稳定输出同一频率的两路参考信号。

9.根据权利要求8所述的电路，其特征在于，所述频率和相位由单片机或DSP来设置。

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