蘇福順，吳瓊之，孫 林，邢 洋

（北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院，北京100081）

微波輻射計中異步量化技術(shù)的可行性分析

蘇福順，吳瓊之，孫 林，邢 洋

（北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院，北京100081）

在微波綜合孔徑輻射計的數(shù)字相關(guān)處理系統(tǒng)中，多通道高速模數(shù)轉(zhuǎn)換是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)量化技術(shù)都采用具有同步邏輯的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其性能優(yōu)越，但消耗的系統(tǒng)資源相對較大，無法適應(yīng)實際星載、機載等特殊環(huán)境要求。提出的異步量化技術(shù)能極大地簡化系統(tǒng)設(shè)計，帶來資源的節(jié)約，使得大規(guī)模的微波綜合孔徑輻射計系統(tǒng)可向?qū)嵱梅较虬l(fā)展。重點比較同步量化和異步量化技術(shù)在微波綜合孔徑輻射計中的差異，從理論上闡述異步量化技術(shù)引入的可行性，并通過Matlab建模仿真給出仿真結(jié)果驗證理論分析的正確性。

異步量化；微波輻射計；數(shù)字相關(guān)器；仿真

0 引 言

微波遙感通過非接觸方式對地物的微波特性進行測量和分析，從而得到目標特性參數(shù)［1］。綜合孔徑輻射計技術(shù)是提高微波遙感器空間分辨力的有效途徑，其核心部件是復(fù)相關(guān)器［2］。數(shù)字相關(guān)器對信號進行量化，再使用數(shù)字邏輯器件完成相關(guān)處理。量化結(jié)果直接關(guān)系到數(shù)字相關(guān)器的運算結(jié)果，因此量化技術(shù)對數(shù)字相關(guān)系統(tǒng)的性能有很大的影響［3］。

量化器是數(shù)字相關(guān)器中各通道資源的主要消耗源。欲提高圖像空間分辨力需要增加相關(guān)通道數(shù)［4］，當(dāng)系統(tǒng)的通道數(shù)目很多時，每個通道上的資源優(yōu)化能極大地降低系統(tǒng)總資源消耗［5］。

量化技術(shù)的性能和資源消耗通常是一對矛盾［6］，因此量化技術(shù)的優(yōu)化在綜合孔徑輻射計中有十分重要的意義。

1 數(shù)字相關(guān)系統(tǒng)中的異步量化

1.1 同步量化

同步量化的量化過程在采樣時鐘驅(qū)動下完成。通常商用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（analog to digital convertor，ADC）采用同步量化技術(shù)，同步量化原理框圖如圖1所示。

圖1 同步量化原理框圖

采樣時鐘觸發(fā)采樣后，同步量化器使用采樣保持電路對信號進行抽取，并保存抽樣值到量化結(jié)束，以保證量化過程的準確性。此外，量化結(jié)果伴隨數(shù)據(jù)同步時鐘輸出，以保證傳輸?shù)恼_性。這些機制能提高同步量化器的性能，但也增加了系統(tǒng)的功耗、體積、質(zhì)量和系統(tǒng)復(fù)雜度［7］。

當(dāng)量化通道很多時，總資源消耗將大大增加。同時，多個采集器分布部署需要精確的時鐘同步系統(tǒng)，這些因素都增加了系統(tǒng)的設(shè)計難度。

1.2 異步量化

為了解決多通道輻射計中同步量化電路資源消耗過大的問題，本文提出一種使用異步量化方式進行相關(guān)數(shù)據(jù)的采集。

異步量化的量化過程不受時鐘控制。后級電路利用采樣時鐘直接讀取量化結(jié)果［8］。異步量化原理框圖如圖2所示。

圖2 異步量化原理框圖

異步量化電路不需要采樣保持、同步時鐘等電路，能以簡單的電路形式實現(xiàn)高速量化［9］。同時，簡單的外圍電路和無需時鐘同步系統(tǒng)的特性能很大程度上降低資源的消耗和系統(tǒng)復(fù)雜度。

但是，由于缺乏采樣保持電路，異步量化器在量化時可能因為輸入信號的變化而發(fā)生誤動作［10］。

同時，由于缺乏數(shù)據(jù)同步時鐘，后級電路讀取采樣結(jié)果時，可能讀取到量化結(jié)果變化的狀態(tài)。若此結(jié)果電平值落入模糊電平區(qū)間（電平值低于數(shù)字邏輯的開門電平（UIH（min））且高于關(guān)門電平（UIL（max））），后級數(shù)字電路便無法正常識別，可能發(fā)生誤碼。

1.3 數(shù)字相關(guān)器中異步量化的可行性分析

綜合孔徑微波輻射計接收被測物體輻射出來的信號［11］，使用互相關(guān)算法進行信號檢測［12］。設(shè)物體輻射出的信號為S，信道加性噪聲為Nc。S和Nc均為高斯分布信號且獨立，故輸入量化器的信號為S＋Nc也為高斯分布信號［13］。設(shè)第n個通道中的信號為Sn＝S＋Ncn。

相關(guān)公式為

兩通道復(fù)乘值

式（2）中各項均為獨立高斯分布信號的乘積項［14］，其分布函數(shù)為

其均值為0，方差為（σxσx）2（其中，x和y表示兩相乘信號，σx和σy分別為x和y的標準差，kn（z）為修正后的第二類貝塞爾函數(shù)）［15］。

量化器完成信號的采樣量化，設(shè)量化操作加入的量化噪聲為nq，可得第n個通道量化后信號為s＋ncn＋nqn。

因此異步量化和同步量化最大的差異在于異步量化由于電路形式上的缺陷導(dǎo)致的誤碼行為，這在一定程度上會降低系統(tǒng)性能。當(dāng)發(fā)生誤碼時，可以認為是在原有信號上又增加了誤碼噪聲nqn?？傻卯惒搅炕笮盘枮閟nn＝s＋ncn＋nqn＋nan。量化噪聲與誤碼噪聲具有隨機性，它們與輸入信號、信噪比、異步量化實現(xiàn)途徑等因素相關(guān)。

相關(guān)操作本質(zhì)上是對S進行匹配濾波，其頻率響應(yīng)為

利用信號和不同通道的噪聲之間的不相關(guān)性，通過相關(guān)運算，信號量得到積累，噪聲能量互相抵消而提高信噪比。相關(guān)時間越長，相關(guān)結(jié)果信噪比越高。

若不同通道中異步量化引入的誤碼噪聲之間相關(guān)性足夠低，且與信號的相關(guān)性不強，誤碼噪聲就通過相關(guān)運算進行抑制。當(dāng)相關(guān)點數(shù)足夠多時，異步量化的誤碼噪聲帶來的影響可以大大地降低，保證系統(tǒng)相關(guān)結(jié)果的準確性。

同時，如果異步量化翻轉(zhuǎn)時間減小，則相關(guān)器采到模糊電平的概率將變小，誤碼噪聲也將減少，異步量化引入的誤差也將降低。

故在理論上只要找到合理的異步量化方法，使得異步量化引入的誤碼噪聲盡可能小且與信號的相關(guān)性盡可能低，在微波輻射計中引入異步量化技術(shù)是可行的。

2 驗證系統(tǒng)仿真

2.1 仿真系統(tǒng)概述

本文以某綜合孔徑微波遙感輻射計為原型進行系統(tǒng)模型的構(gòu)架和仿真。仿真從信號生成開始，模擬通道接收機接收信號，完成兩種量化后進行相關(guān)處理，利用控制變量法比較兩種量化方式所得相關(guān)系數(shù)的差異，從而研究兩者的區(qū)別，探討微波輻射計中異步量化技術(shù)引入的可行性。仿真的系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 仿真系統(tǒng)框圖

仿真系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)1）

2.2 仿真建模分析與實現(xiàn)

（1）信號發(fā)生與信道加噪

不失一般性，可設(shè)物體輻射出的信號滿足高斯分布，使用Matlab的高斯序列發(fā)生函數(shù)wgn（）生成信號，使用加噪函數(shù)awgn（）模擬信號在信道中受白噪聲干擾的現(xiàn)象。

（2）接收機

使用一個帶寬為160 MHz的巴特沃斯濾波器對加噪信號進行濾波，模擬接收機行為，其幅頻特性曲線如圖4所示。

圖4 接收機幅頻特性曲線

本系統(tǒng)采用三階量化，原始信號被量化為－1，0，1共3種離散狀態(tài)。根據(jù)熵最大準則［16］，選擇±（0.44× σ＋μ）作為量化門限，保證量化結(jié)果3種狀態(tài)的比例為1∶1∶1，以達到最佳量化結(jié)果（σ為信號的標準差，μ為信號均值）。

（3）同步量化

同步量化以理想ADC為原型，假定其能夠精確地實現(xiàn)量化和數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)參考門限和輸入信號的幅值進行抽樣、量化、編碼即可完成其建模。

（4）異步量化

三階異步量化建模以雙比較器電路為原型，其電路如圖5所示。它使用兩個電源芯片生成輸入電平到兩個比較器反相端為異步量化提供參考電壓，信號輸入比較器同相端進行量化。根據(jù)兩個參考電壓和輸入信號大小關(guān)系，信號被量化為00，01，11共3種狀態(tài)。

圖5 三階異步量化電路

理想比較器的輸出只由當(dāng)前輸入和參考電壓大小關(guān)系決定。但現(xiàn)實使用的比較器是非理想的，當(dāng)輸入發(fā)生變化時，輸出需要一段時間響應(yīng)，稱為比較器的翻轉(zhuǎn)時間。即非理想比較器是記憶系統(tǒng)，當(dāng)前輸出與系統(tǒng)之前若干個狀態(tài)和當(dāng)前輸入相關(guān)，如圖6所示。其量化過程與參考電平設(shè)置、比較器翻轉(zhuǎn)時間、輸入信號等相關(guān)。

圖6 非理想比較器量化過程

異步量化比較器輸出如圖7所示。

圖7 異步量化比較器輸出

在翻轉(zhuǎn)狀態(tài)下，比較器輸出不是嚴格的數(shù)字高或數(shù)字低。后級電路讀取到模糊電平時有一定概率發(fā)生誤碼。在仿真中，將采樣值落入模糊電平區(qū)間的信號以p＝0.5的（0，1）分布取0值或者1值。

對信號進行異步量化、采樣、編碼后便完成異步量化的建模。

（5）數(shù)字相關(guān)器

根據(jù)數(shù)字復(fù)相關(guān)公式

使用數(shù)字乘法器和累加器構(gòu)建數(shù)字相關(guān)器的數(shù)學(xué)模型，對兩通道信號進行相關(guān)處理。

（6）差異比較模塊

使用相關(guān)系數(shù)歸一化兩通道間相關(guān)結(jié)果。

式中，ρ為相關(guān)系數(shù)；s1，s2表示兩通道的信號；Corr（）為復(fù)相關(guān)運算。

仿真系統(tǒng)仿真得出的相關(guān)結(jié)果是一個隨機過程，差異比較模塊對每種仿真條件進行10次仿真并取相對誤差均值。相關(guān)系數(shù)相對差值

式中，ρsyn和ρasyn分別為使用同步量化結(jié)果和異步量化結(jié)果計算的相關(guān)系數(shù)均值。

2.3 各因素對量化結(jié)果差異的影響

相關(guān)點數(shù)與翻轉(zhuǎn)時間之影響在信噪比為0 dB，相關(guān)器采樣率為500 M Hz的條件下，不同相關(guān)點數(shù)和比較器翻轉(zhuǎn)時間長度計算得到的10次相關(guān)系數(shù)相對差值均值如表2所示。

表2 仿真結(jié)果

對相關(guān)時間長度為0．5μs時，比較器翻轉(zhuǎn)時間的變化對相關(guān)結(jié)果的影響如圖8所示。

圖8 比較器翻轉(zhuǎn)時間對相關(guān)結(jié)果的影響

比較器翻轉(zhuǎn)時間為50 ps時，不同相關(guān)時間對相關(guān)結(jié)果的影響如圖9所示。

圖9 相關(guān)時間對相關(guān)結(jié)果的影響

根據(jù)以上仿真結(jié)果可以看出，減小異步量化電路翻轉(zhuǎn)時間，同時提高系統(tǒng)采樣率或增加相關(guān)時間長度以增加相關(guān)點數(shù)時，異步量化和同步量化的差異會逐漸減小，與理論分析結(jié)果相同。

3 結(jié)束語

當(dāng)條件優(yōu)化到一定程度時，同步量化和異步量化的差異將降得足夠低，不引起系統(tǒng)性能的惡化，認為同步量化和異步量化具有相同的量化性能。因此，只要找到合理的異步量化器，選擇適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)參數(shù)，就能夠在微波輻射計中引入異步量化技術(shù)，以相對更小的資源消耗和系統(tǒng)復(fù)雜度來實現(xiàn)量化操作。即在數(shù)字相關(guān)系統(tǒng)中引入異步量化技術(shù)具有可行性。

［1］Zhang Y，Jiang X W，Lin M S，et al．The present research status and development trend of spacebonre microwave scatterometer［J］．Remote Sensing Information，2009，33（06）：38- 42．（張毅，蔣興偉，林明森，等．星載微波散射計的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］．遙感信息，2009，33（06）：38- 42．）

［2］Yan J Y，Wu J，Zhang S W，et al．Research on multi-elements and multi-levels digital complex-correlator of synthetic aperture radiometer［J］．Acta Electronica Sinica，2003，13（9）：122- 126．

［3］Ohlson J E，Swett J E．Digital radiometer performance［J］．IEEE Trans.on Aerospace and Electronic Systems，1973，27（6）：86- 91．

［4］Zhang J，Li Z P，Zheng C，et al．Analog-digital conversion signal-to-noise ratio analysis for synthetic aperture interferometric radiometer［J］．Journal of Applied Remote Sensing，2014，16（1）：355- 360．

［5］Zhu L，Hu F，Li Q X，et al．The performance analysis of digital millimeter-wave radiometer［J］．Journal of Infrared，Millimeter and Terahertz Waves，2009，31（11）：1044- 1049．

［6］Cai C．A low-power，fast-settling reference circuit for high-speed high-resolution ADC［J］．International Journal of Electronics，2014，5（4）：78- 81．

［7］Kumar A，Rajan G V C，Renuka R，et al．Achieving 12 bit resolution for ocean colour monitor in complex electromagnetic environment［J］．The Institution of Electronics and Telecommunication Engineers（IETE），2001，8（6）：66- 70．

［8］Yang J L，Lu S N，Yu P H．Asynchronous circuit design on field programmable gate array devices［J］．The Institute of Electronics，Information and Communication Engineers（IEICE）Trans.on Electronics，2012，5（12）：401- 403．

［9］Kuang W D，Zhao P Y，Yuan JS，et al．Design of asynchronous circuits for high soft error tolerance in deep submicrometer CMOS circuits［J］．IEEE Trans.on Very Large Scale Integration Systems，2010，2（10）：79- 83．

［10］Somaye R，Behnam G，Mehrdad N，et al．Performance enhancement of asynchronous circuits［J］.Communications in Computer and Information Science，2009，10（3）：33- 35．

［11］Lu H，Wang Z Z，Liu J Y，et al．Design of high-speed digital correlator in fully polarimetric microwave radiometer［J］．ActaElectronica Sinica，2011，2（12）：102- 105．（陸浩，王振占，劉憬怡，等．全極化微波輻射計系統(tǒng)中高速數(shù)字相關(guān)器設(shè)計［J］．電子學(xué)報，2011，2（12）：102- 105．）

［12］Villa E，Aja B，Cagigas J，et al．Design methodology and performance analysis of a wideband 90°phase switch for radiometer applications［J］．Review of Scientific Instruments，2013，7（12）：378- 381．

［13］Leonid K．Corrections functions for digital correlators with two and four quantization levels［J］．Radio Science，1998，16（20）：91- 94．

［14］Tanner A，Gaier T，Imbriale W，et al．A dual-gain design for the geostationary synthetic thinned array radiometer［J］．Geoscience and Remote Sensing Letters，2014，15（8）：555- 560．

［15］Zhu H．Random signal analysis［M］．Beijing：Beijing Institute of Technology Press，2010：194- 199．（朱華．隨機信號分析［M］．北京：北京理工大學(xué)出版社，2010：194- 199．）

［16］Lehtomaki J J，Juntti M，Saarnisaari H，et al．Threshold setting strategies for a quantized total power radiometer［J］．Signal Processing Letters，2005，31（11）：189- 193．

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

A

10．3969／j．issn．1001-506X．2015．04．07

蘇福順（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向為數(shù)字信號處理、綜合孔徑輻射計與機器學(xué)習(xí)。E-mail：zachsufushun＠gmail．com

吳瓊之（1977 ），男，講師，博士，主要研究方向為數(shù)字信號處理、微波散射計與綜合孔徑輻射計。E-mail：wqz_bit＠bit．edu．cn

孫 林（1987-），男，講師，碩士，主要研究方向為數(shù)字信號處理、SAR與綜合孔徑輻射計。E-mail：sunlinrapid＠163．com

邢 洋（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向為PCIE、綜合孔徑輻射計。E-mail：xingyang1989＠sina．cn

1001-506X（2015）04-0763-05

2014- 04- 17；

2014- 08- 19；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期：2014- 09- 22。

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址：http：／／w ww．cnki．net／kcms／detail／11．2422．TN．20140922．1654．004．html