L波段雙模式寬帶數(shù)字Chirp設計*

江曉陽,張云華

(1.中國科學院微波遙感技術重點實驗室,北京 100190;2.中國科學院研究生院,北京 100049)

高分辨率成像雷達的距離分辨率能力與發(fā)射信號的帶寬成正比,故寬帶信號的產生方法成為了高分辨率雷達系統(tǒng)的一項重要技術.線性調頻脈沖(Chirp)信號可實現(xiàn)較大的帶寬時寬乘積,并且具有良好的脈沖壓縮性能及分辨能力.寬帶chirp信號產生技術對提高雷達的性能以及研制新一代高性能雷達都具有非常重要的意義.

相對于模擬方式產生chirp信號,數(shù)字化方式由于其具備可編程性,波形參數(shù)配置非常方便,電路靈活且便于集成等特點,被越來越多的雷達系統(tǒng)所采用.數(shù)字 chirp技術主要有基于相位累加器的直接數(shù)字頻率合成法(Direct Digital Frequency Synthesis,簡稱DDFS)和基于波形存儲直讀的直接數(shù)字波形合成法(Direct DigitalWave Synthesis,簡稱DDWS)兩種基本的實現(xiàn)方式[1].DDFS技術通過相位的二次累加、幅度查表以及數(shù)模變換來產生所要的模擬信號.在帶寬、頻率分辨率、頻率轉換時間、相位連續(xù)性上,都有很好的性能[2],但只能產生有數(shù)學表達形式的波形.DDWS技術將預先存儲的波形數(shù)據(jù)高速地取出,再進行數(shù)模變換,所以它不僅具有DDFS同樣的優(yōu)點,而且能夠方便地產生任意波形,這意味著DDWS模式能采用預失真技術,提高系統(tǒng)性能[1].

針對數(shù)字Chirp的兩種模式需求,結合FPGA的現(xiàn)場可編程性,使用高性能的、數(shù)據(jù)率高達1Gsps、并有自動插值、理論上可做到Nyquist采樣率(即2倍采樣率)采樣輸出的雙通道16位DAC和模擬正交調制器,研制出能同時實現(xiàn)兩種體制的寬帶數(shù)字Chirp信號產生.所研制的數(shù)字Chrip信號產生器輸出帶寬達到220MHz,調制器輸出的載波抑制可達 -49 dBc,鏡像頻率小于 -41 dBc,在500～1 500MHz頻帶內的最大雜散為 -31 dBc.信號處理結果表明其性能優(yōu)良.

1 設計方案

1.1 正交調制

時寬為T的數(shù)字Chirp的基帶信號 I和Q的數(shù)學表達式可分別表示為

IQ兩路的頻率范圍均為-B/2～B/2,器件的最高輸出頻率為B/2.

正交調制后信號為

其頻率范圍為-B/2+f0＜fout＜B/2+f0,帶寬為B,也就是說正交調制能夠使調制后帶寬達到DAC的最大輸出頻率的兩倍,所以在系統(tǒng)實現(xiàn)中選擇了正交調制器及雙通道DAC,以降低系統(tǒng)對器件的要求.

1.2 系統(tǒng)設計框圖及實現(xiàn)

DDFS模式的硬件框圖如圖1所示,數(shù)據(jù)由FPGA內部通過相位累加及查表(LUT)產生,然后經過DAC數(shù)據(jù)變換.具體的FPGA內部程序設計見1.3.1節(jié).

圖1 DDFS系統(tǒng)框圖Fig.1 The diagram of DDFS

圖2 DDWS系統(tǒng)框圖Fig.2 The diagram of DDWS

DDWS的硬件框圖如圖2所示,波形數(shù)據(jù)由PC機進行計算,通過并口模擬串口,經由FPGA下載到flash中保存,在系統(tǒng)初始化時,FPGA從flash中讀出數(shù)據(jù),存于在FPGA中所開的FIFO中,若數(shù)據(jù)長度較長(如在回波模擬等應用場合),則將數(shù)據(jù)存于DDR2中.初始化完畢后,數(shù)據(jù)高速地從FIFO或 DDR2中讀出,輸給DAC.

由圖1,2可見,只需要修改FPGA內部程序,就可以在DDWS模式的硬件平臺上實現(xiàn)DDFS模式.因此本課題中只需要設計DDWS的硬件平臺,而也可以運行DDFS模式.

在芯片選擇上,DAC+正交調制器選擇的是ADI公司的AD9779A+ADL5371,其中正交調制器的工作頻率范圍為500～1 500MHz,它提供大于500MHz的3 dB基帶帶寬,非常適合于寬帶零中頻或低中頻-射頻應用以及寬帶數(shù)字預失真發(fā)射機.DAC為 ADI的雙通道、16位的 AD9779A,采樣速率為1GSPS,與ADL5371有相同的偏置電平,可實現(xiàn)“無縫”接口,由于不會因增添元件而增加噪聲和插入損耗,使整個電路保持高信噪比.

這樣的組合帶來了以下好處,①正交調制所帶來的帶寬是最高DAC頻率的兩位,②采用一片雙通道DAC代替兩片單通道DAC可以減小通道間的幅相不平衡,③“無縫”接口帶來了高信噪比,載頻泄露與鏡像抑制也能得到很好的控制[3].

FPGA選擇的是 Xilinx公司的 virtex5系列的 XC5VLX30-1ff676,最高芯片工作時鐘頻率可達400 MHz以上,有4個時鐘管理器,4 800個slice,可提供3萬個邏輯單元,擁有676個IO引腳,其中400個用戶IO口.片內擁有分布式 RAM大小為320 kB,塊 RAM為1 152 kB[4].

時鐘芯片選擇的是TI公司的高穩(wěn),低抖動的CDCM61004,支持25 MHz的晶振輸入,并具有4路LVPECL/LVDS輸出[5].

在系統(tǒng)設計中,需要注意的是時鐘分配結構及電源分配網絡.在FPGA中,由專用的全局時鐘輸入管腳驅動單個全局時鐘[6],并用后者去控制設計中的每一個觸發(fā)器,在電路板的設計中,使用高性能的低抖動時鐘產生芯片,時鐘信號盡量布局在一個平面上,并保證參考平面的完整性.

1.3 FPGA軟件設計

由上述硬件框圖可得,DDFS與DDWS模式在硬件上可以使用同一個硬件平臺,只是FPGA內部代碼不同.下面介紹兩種模式下的FPGA代碼編寫.

1.3.1 DDFS模式

Xilinx公司提供了DDFS的IP核[7],給設計帶來了極大的方便.用戶只需要設定SFDR,頻率分辨率等要求即可生成代碼,設置好頻率控制字及初始相位,便可得到相應的chirp信號.

需要注意的是如式(1),(2)所示的chirp信號在每次觸發(fā)時其初始相位并不為零,也就是說相應的頻率控制字初值不為零,要使chirp波形左右對稱(正頻率與負頻率相對稱),則頻率控制字的初值可設為

表1 DDWS與DDFS的FPGA內部資源使用情況Tab.1 Resource occupations of DDWS and DDFS in FPGA

1.3.2 DDWS模式

DDWS的數(shù)據(jù)產生流程已在1.2節(jié)中給出.FIFO的大小可以根據(jù)以下式(7)計算出

預失真流程:根據(jù)實測結果,對波形數(shù)據(jù)進行預加權或均衡,使得輸出正交調制器的波形包絡平整(通帶內波紋小于0.2 dB),線性度更優(yōu).

1.3.3 DDWS與DDFS的FPGA資源使用情況

FPGA資源使用情況如表1所示,從表中可以看出,DDWS在端口數(shù)、FPGA內存使用數(shù)上都多于DDFS.

2 性能測試

本節(jié)給出主要設計參數(shù),數(shù)字Chirp研制實物照片,以及DDFS與DDWS輸出基帶波形的測試結果,以及正交調制后的波形和脈沖壓縮結果.

2.1 硬件實物圖及系統(tǒng)指標參數(shù)

所研制的數(shù)字Chirp產生器實物圖及指標分別如圖3及表2所示.其中本振泄露和鏡像頻率抑制兩項指標的測量條件為:50 MHz的單頻信號,經過正交調制后所測得.

圖3 硬件實物圖Fig.3 The pho to of the hardware

表2 Chirp信號參數(shù)Tab.2 Technical parameters of the ch irp signal

2.2 基帶波形及其細節(jié)圖

用泰克示波器MSO70404對基帶波形進行采樣并存儲波形,采樣率為 12.5Gsps,采樣的前置低通濾波器帶寬為4GHz.說際上,由于DDFS及DDWS的后級電路完全相同,故與DAC+調制器相關的性能,比如幅相平衡,包絡平整等,兩者是一樣的.它們之間最主要的區(qū)別體現(xiàn)在DDWS可以實現(xiàn)預帥真,達到更優(yōu)化的性能.這里只展現(xiàn)DDWS的時域波形.

表3 輸出基帶信號參數(shù)及性能Tab.3 The baseband parameters of the chirp

圖4 DDWS(a)及DDFS(b)輸出基帶的I、Q路及其細節(jié))Fig.4 The output I/Q w aveforms of the chirps by DDWS(a)and DDFS(b)

2.3 正交調制后調制波形及其細節(jié)圖

表4 500～1 500 MHz的雜散頻率及幅度Tab.4 The amplitudes of the spur frequencies between 500～1 500 MHz

將上述基帶信號輸入到ADL5371,與1 GHz的載波(該載波由HP的信號發(fā)生器8663A產生)進行正交調制,調制后的信號頻率范圍為890～1 100MHz.經測量,波形時域的抖動小于250 ps.調制波形時域圖為圖5.將采集下來的信號通過MATLAB作FFT,便得到其頻譜圖,如圖6所示.

由頻譜圖可得,相對于帶寬內的均值,二次諧波均值為-39 dB,三次諧波均值約為 -20 dB.500～1 500MH z的雜散頻率及幅值如表4所示.用Q值大于5的濾波器,即可將這些諧波及雜散抑制到較低的水平.例如在MATLAB中將其通過Q值為2.5,階數(shù)為128階的FIR濾波器,即可將最大雜散抑制到 -33.5 dB以下.

圖5 正交調制后波形Fig.5 Thewaveform of the signal after I/Qmodulation

圖6 正交調制后波形頻譜圖Fig.6 The spectrum of ch irp signal after I/Qmodulation

2.4 脈沖壓縮結果

將示波器采集的調制后信號導入MATLAB,通過濾波,數(shù)字下變頻,濾波之后得到I、Q兩路信號,其組成的復信號頻譜圖的局部放大如圖7所示,帶內波紋約為-5.9-(-6.3)=0.4 dB.零頻處的直流分量來源于載頻泄露,載頻經過調制與解調后成為直流.經MATLAB仿真得到,在此實例下,載頻泄露約為-43 dBc.

在MATLAB中將其與理想的,同樣參數(shù)(帶寬,脈寬)的chirp信號作為參考函數(shù)進行脈沖壓縮,所得結果如圖8所示.結果表明,最大旁瓣電平為-13.37 dB(DDFS)和-13.29 dB(DDWS),主瓣寬度為6.1 ns,而理想系統(tǒng)的最大旁瓣電平為 -13.27 dB,主瓣寬度為6.0 ns,與理想系統(tǒng)相比,主瓣寬度展寬0.1 ns,最大旁瓣電平有所下降.

圖7 解調后chirp復信號頻譜圖Fig.7 The spectrum of the demodulated chirp signal

圖8 實際脈沖壓縮結果Fig.8 The com pression results of real pulse

3 小 結

本文介紹了能同時實現(xiàn)直接頻率合成(DDFS)及波形存儲(DDWS)兩種體制的雷達寬帶數(shù)字chirp產生器設計及實現(xiàn)工作.所研制的數(shù)字Chrip的信號帶寬為220 MHz,調制器輸出的載頻泄露小于 -49 dBc,鏡像頻率抑制為 -41 dBc,在500～1 500MHz頻帶內的最大雜散為 -25 dB,濾波之后可小于 -33.5 dB.數(shù)字下變頻及脈沖壓縮結果表明該系統(tǒng)能產生性能良好的chirp信號.系統(tǒng)操作靈活方便,可通過預失真優(yōu)化性能,在很大程度上滿足寬帶雷達的要求.

[1] 王凡,王巖飛,李和平.基于DDWS技術數(shù)字基帶信號的產生與主要誤差分析[J].電子測量技術,2008,31(8): 20-23.

Wang Fan,Wang Yanfei,Li Heping.Generation and analysis ofmajor error of digital base-band signal based on DDWS technique[J].Electronic Measurement Technology,2008,31(8):20-23.(in Chinese)

[2] 姜行果.基于DDS的線性調頻雷達波形發(fā)生器的設計與實現(xiàn)[D].北京:中國科學院研究生院(電子學研究所), 2007.

[3] Analog Devices.I/Q調制器ADL5371與雙通道、1 Gsps高速DAC AD9779A實現(xiàn)接口[DB/OL].2009-08-10[2011-12-26].http://www.analog.com/static/imported-files/circuit-notes/CN 0017.pd f.

[4] Xilinx公司.V irtex-5 LX FPGA Prototype Platform UserGuider[DB/OL].2011-03-21[2011-12-26].http://www.xilinx.com/support/documentation/boards-and-kits/ug222.pdf

[5] TI公司.CDCM61004(Four Output,Integrated VCO,Low-Jitter Clock Generator)[DB/OL].2011-06-03[2011-12-26].http://www.ti.com/lit/ds/symlink/cdcm61004.pd f.

[6] 田耘,徐文波.Xilinx FPGA開發(fā)實用教程[M].北京:清華大學出版社,2008.

[7] Xilinx公司.LogiCORE IP DDSCompiler v4.0[DB/OL].2011-03-01[2011-12-26].http://www.xilinx.com/support/ documentation/ip-documentation/dds-ds558.pd f.