基于DDS的毫米波汽車(chē)防撞雷達(dá)掃頻源設(shè)計(jì)

(1.吉林省經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院,長(zhǎng)春 130021;2.長(zhǎng)春理工大學(xué),長(zhǎng)春 130022)

1 引 言

隨著汽車(chē)數(shù)量的快速增加，交通事故頻繁發(fā)生，由此導(dǎo)致的生命財(cái)產(chǎn)損失數(shù)目驚人，所以，世界各國(guó)的汽車(chē)制造商、大學(xué)和科研院所先后投入大量的人力、物力、財(cái)力研制汽車(chē)防撞系統(tǒng)。但防撞雷達(dá)系統(tǒng)中掃頻源的參數(shù)直接影響到雷達(dá)的可靠性和測(cè)距的性能，因而高穩(wěn)定度的掃頻源也成為整個(gè)汽車(chē)防撞雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要部分。

實(shí)現(xiàn)掃頻源的方法通常有兩種[1]，一種是混頻的方法，另一種是直接數(shù)字頻率合成(DDS)的方法。前者混頻后的高次諧波直接影響掃頻源質(zhì)量，如果沒(méi)有窄帶濾波器，高次諧波將引起通信帶寬內(nèi)的噪聲基底提升，使信噪比下降，降低了通信的距離，增加了通信的誤碼率，目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)汽車(chē)防撞雷達(dá)都采用這種混頻方法。DDS技術(shù)主要解決了高次諧波的問(wèn)題，但雜散問(wèn)題也是DDS技術(shù)不可避免的。AD公司新推出的AD9910芯片，解決了之前DDS芯片雜散高的問(wèn)題[2]。本文主要設(shè)計(jì)了以AD9910為主芯片，以DSP(TMS320LF2407[3])作為控制芯片的汽車(chē)防撞雷達(dá)掃頻源，利用AD9910輸出的低雜散差分信號(hào)，后接低通聲表濾波器或帶通濾波器，濾除無(wú)關(guān)頻率分量，從而得到某一頻率上單一穩(wěn)定的信號(hào)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

(1)AD9910介紹

AD9910集成了14位的D/A[4]，采樣頻率最大可達(dá)1 Gsample/s，最小頻率步長(zhǎng)約為0.23 Hz，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)快速的輸出信號(hào)變化。輸出信號(hào)的頻率、相位和幅度可以同時(shí)改變，AD9910通過(guò)串行I/O口控制其內(nèi)部的控制寄存器，利用這些寄存器可以完成快速跳頻、掃頻等實(shí)際工程的需要。它的輸出信號(hào)參數(shù)通過(guò)改變相應(yīng)的寄存器來(lái)完成，相應(yīng)用法見(jiàn)軟件設(shè)計(jì)部分。

AD9910支持只通過(guò)SDIO引腳進(jìn)行讀/寫(xiě)的二線(xiàn)模式和通過(guò)SDIO/SDO進(jìn)行讀/寫(xiě)的三線(xiàn)模式，兩種模式都需要CS和I/O-RESET配合使用。它的控制信號(hào)來(lái)自于DSP，它的串口和DSP的SPI總線(xiàn)相連，由DSP控制AD9910的寄存器，進(jìn)而控制輸出信號(hào)的頻率、相位和幅度。

(2)電源部分設(shè)計(jì)

AD9910芯片需要兩個(gè)電源，分別為+1.8 V和+3.3 V。芯片的+3.3 V電源引腳直接接到DSP的+3.3 V電源上，而+1.8 V電源引腳則需要單獨(dú)引入。基于以上情況，本設(shè)計(jì)采用+5 V電源輸入，需要的+3.3 V和+1.8 V電源分別通過(guò)LM117和LM1764-1.8兩個(gè)電源轉(zhuǎn)化模塊得到，并且兩個(gè)模塊最大輸出電流分別為500 mA和2 A，電源容量滿(mǎn)足要求。

不粘鍋只是在鋁鍋、鐵鍋、不銹鋼鍋基礎(chǔ)上加了一層不粘涂料，短期內(nèi)可不生銹、不易粘鍋、少油煙，清潔方便、導(dǎo)熱均勻，但通常涂層會(huì)隨著使用而消耗。

(3)串口規(guī)定

DSP的SPI總線(xiàn)的最快速率為10 Mbit/s(參考時(shí)鐘為40 MHz)，完全可以滿(mǎn)足DDS串口數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆Ｆ渲蠸CLK接到DSP的IOPC4，SDIO接到DSP的IOPC2，CS接到IOPC5，I/O-RESET接IOPC0，I/O-UPDATE接IOPC1。DDS參考時(shí)鐘由恒溫晶振OCXO提供。輸出的差分信號(hào)通過(guò)耦合線(xiàn)圈合成一路信號(hào)后，再經(jīng)過(guò)巴特沃茲濾波器去除一次高頻分量[5]，這樣可以得到純凈的有用信號(hào)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖Fig.1 System hardware block diagram

(4)倍頻部分

DDS輸出信號(hào)頻率只有幾百兆赫，而高頻通信所用的頻率源大多為幾吉到幾十吉赫，這樣需要倍頻。本設(shè)計(jì)采用的倍頻系統(tǒng)是先二倍頻、再三倍頻、又二倍頻的形式，每次倍頻后使用窄帶濾波器進(jìn)行濾波，再進(jìn)行下一次倍頻。

理論上，只要濾波器帶寬足夠窄，便可以得到倍頻后信號(hào)的任何高次諧波[6]。本設(shè)計(jì)就是采用這一點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即在盡可能少的倍頻次數(shù)下得到高頻率的有用信號(hào)。如第一次二倍頻后，選取輸出信號(hào)中4次或6次諧波作為下一級(jí)倍頻的輸入信號(hào)，這樣就可以減少一次倍頻過(guò)程。

在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于系統(tǒng)使用了+5 V、+3.3 V等多種數(shù)字電源和模擬電源，并且外加參考頻率的輸入線(xiàn)、輸出信號(hào)的微帶線(xiàn)和控制信號(hào)線(xiàn)同時(shí)存在于系統(tǒng)內(nèi)部，因此在設(shè)計(jì)PCB電路板時(shí)為避免信號(hào)線(xiàn)間相互干擾，電源輸入端通過(guò)電感和濾波電容進(jìn)行濾波，數(shù)字地和模擬地通過(guò)電感耦合。

線(xiàn)性?huà)哳l源輸出頻率變化的時(shí)間差是一個(gè)十分重要的參數(shù)，以往的汽車(chē)防撞雷達(dá)中這部分大多數(shù)都達(dá)到了微秒數(shù)量級(jí)，與利用TMS320VC5416實(shí)現(xiàn)的防撞雷達(dá)系統(tǒng)[7]或利用AD9958實(shí)現(xiàn)的防撞雷達(dá)系統(tǒng)[8]相比，由于采用了AD9910芯片，本設(shè)計(jì)的頻率變化可以在納秒數(shù)量級(jí)內(nèi)完成，這樣就增加了在等速度條件下防撞雷達(dá)的預(yù)警時(shí)間，保證了防撞效果，大大提高了行車(chē)的安全性。

3 軟件設(shè)計(jì)

本信號(hào)源軟件設(shè)計(jì)部分主要就是對(duì)AD9910初始化的控制，把相應(yīng)的控制字寫(xiě)入到寄存器內(nèi)，如果需要改變頻點(diǎn)、相位等參數(shù)，可以重新寫(xiě)控制字即可。

(1)串口初始化

本設(shè)計(jì)所使用的串口模式為二線(xiàn)模式，SDIO、SCLK和片選信號(hào)之間的時(shí)序如圖2所示。數(shù)據(jù)在時(shí)鐘上升沿有效，串口傳輸指令格式為先發(fā)送指令字節(jié)，再發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖2 串口時(shí)序圖Fig.2 Serial interface sequential diagram

圖2中，指令字節(jié)的格式如表1所示。

表1 指令字節(jié)Table 1 Instruction byte

表1中，R/W為讀/寫(xiě)控制位，1為讀，0為寫(xiě)，X為無(wú)效位。

A4～A0寄存器控制位，不同的數(shù)字組合代表對(duì)不同的寄存器進(jìn)行讀/寫(xiě)操作。在一幀數(shù)據(jù)中控制器先發(fā)送指令字節(jié)(高位在前，低位在后)，第二個(gè)字節(jié)后為數(shù)據(jù)部分，根據(jù)寫(xiě)入寄存器的不同，數(shù)據(jù)字節(jié)長(zhǎng)度也不同。

DSP的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)是CCS(Code Composer Studio)，它支持C/C++語(yǔ)言，它初始化SPI總線(xiàn)程序如下：

int spiinitial()

{*SPICCR=0X0047;*SPICTL=0X0006;*SPIBRR=0X27;*SPICCR=*SPICCR|0X0080;}

寫(xiě)寄存器程序如下：

int spitrans(data)

{int f;*SPITXBUF=data;

while(1)

{f=*SPISTS&0X40;if(f==0x40) break;}

*SPIRXBUF=*SPIRXBUF;*PCDATDIR=(*PCDATDIR|0X0FF00)&0X0FF00;delay();}

(2)寄存器控制

由于DSP串口用8位數(shù)據(jù)傳輸，所以程序中spitrans()函數(shù)中數(shù)據(jù)為高8位有效，低8位補(bǔ)0，如spitrans(0xXX00);delay();…}，其中XX代表8位16進(jìn)制數(shù)據(jù)。

4 測(cè)試與分析

測(cè)試所采用的是頻譜分析議Aglient E4447A，DDS輸出信號(hào)頻譜如圖3所示，信號(hào)輸出幅度為-8 dBm，并可調(diào)整其大小，考慮到所接信號(hào)線(xiàn)和接頭上的損耗，實(shí)際輸出信號(hào)幅度應(yīng)大于-8 dBm。從圖中可以看出，經(jīng)過(guò)低通濾波后的DDS輸出信號(hào)的相噪已達(dá)-70 dBc/Hz@1 kHz，雜散已被濾除。

圖3 AD9910輸出信號(hào)Fig.3 The output signal of AD9910

圖4 倍頻后X頻段信號(hào)Fig.4 X-band signal after frequency multiplication

倍頻后頻譜如圖4所示。從圖中可以看出，倍頻后信號(hào)(X頻段)的相噪為-70 dBc/Hz@1 kHz左右。由于倍頻器有插入損耗，所以信號(hào)在高頻段幅度下降到-16 dBm。在設(shè)計(jì)中，DDS參考時(shí)鐘采用的是參數(shù)(頻率穩(wěn)定度、相噪)足夠好的恒溫晶振，所以，AD9910輸出的射頻信號(hào)就可以達(dá)到很高的精確度和較低的相位噪聲。依靠 AD9910輸出的多種多樣的調(diào)制信號(hào)模式[9]，信號(hào)源不但能輸出一定頻率的正弦波，還能產(chǎn)生各種各樣的調(diào)制信號(hào)，包括 AM、FM、ASK、FSK等信號(hào)模式，并且控制非常靈活。

5 結(jié) 論

上述分析和試驗(yàn)結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)所提供的信號(hào)在幅度、相噪和穩(wěn)定度完全滿(mǎn)足整個(gè)汽車(chē)防撞雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)這掃頻源信號(hào)的要求。在實(shí)際的測(cè)試和多目標(biāo)識(shí)別過(guò)程中，采用本設(shè)計(jì)的信號(hào)源作為本振(LO)或基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制、解調(diào)也完全達(dá)到了要求。利用AD9910實(shí)現(xiàn)的掃頻源具有誤碼率低的優(yōu)點(diǎn)，并且在-40℃環(huán)境下仍可正常工作，在溫度和可靠性上都有明顯的提高。在設(shè)計(jì)PCB電路板時(shí)為避免電磁干擾，信號(hào)線(xiàn)與電源線(xiàn)間通過(guò)通孔隔離，去除了集膚效應(yīng)。

由于AD9910芯片功耗較大，為保證長(zhǎng)期可靠工作，在實(shí)際使用過(guò)程中，在芯片表面加一個(gè)散熱片效果會(huì)更好。另外，在后續(xù)研發(fā)中為了增加毫米波汽車(chē)防撞雷達(dá)系統(tǒng)的預(yù)警距離，可以在掃頻源信號(hào)接到射頻前端前再加入一級(jí)或二級(jí)放大電路，放大信號(hào)的功率。

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