基于AD9910的雷達信號模擬器的設(shè)計與實現(xiàn)

占 超，蔡新舉，劉雙青

（1.海軍航空工程學(xué)院 電子信息工程系，山東 煙臺 264001；2.中國人民解放軍92515部隊，遼寧 葫蘆島 125001；3.中國人民解放軍91341部隊，遼寧 東港 118300）

0 引 言

雷達系統(tǒng)在生產(chǎn)和研制過程中，需要對雷達性能的各項指標(biāo)參數(shù)進行調(diào)試，雷達信號模擬器可以模擬不同體制、不同頻率、不同脈沖寬度的雷達信號，而且參數(shù)調(diào)節(jié)靈活，可以方便地為雷達系統(tǒng)性能的驗證提供可靠依據(jù)[1]。頻率源是雷達信號模擬器的心臟，當(dāng)前電子系統(tǒng)中的高性能信號源都是由頻率合成技術(shù)來實現(xiàn)的。DDS是一種從相位的概念出發(fā)，由不同相位對應(yīng)不同的電壓幅值，采用數(shù)字采樣技術(shù)進行頻率合成的新方法。DDS將數(shù)字處理技術(shù)引入到信號的頻率合成領(lǐng)域之中，讓計算機參與到頻率合成，把輸出的數(shù)字信號通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變成為所需要的模擬信號。與傳統(tǒng)的的頻率合成方法相比，DDS輸出頻率的帶寬大，頻率的分辨力高，頻率轉(zhuǎn)換時間快，可以輸出任意形狀的波形，易于編程控制，便于與計算機進行連接[2]。

利用DDS能合成各種復(fù)雜波形，通過對外部電路進行控制就能對輸出波形的頻率、相位、幅度等進行精確的。只需對DDS內(nèi)部某些參數(shù)進行設(shè)置，就能輸出所需要的波形信號[3]。本文采用FPGA技術(shù)與DDS技術(shù)相結(jié)合的方法，通過FPGA對DDS進行控制波形輸出，設(shè)計出一個頻段在12.5～16 GHz范圍內(nèi)，可穩(wěn)定輸出普通連續(xù)波、頻率捷變、線性調(diào)頻、脈沖多卜勒等雷達信號的信號模擬器。

1 DDS工作原理

DDS主要由能夠產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)頻率的參考頻率源、N位相位累加器、正弦波形存儲表（ROM）、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和低通濾波器五部分組成，如圖1所示。外部控制器送來的頻率控制字K送入頻率寄存器中進行存儲，每來一個時鐘脈沖，N位加法器就將頻率寄存器輸出的頻率控制數(shù)據(jù)與N位累加寄存器輸出端反饋回來的相位數(shù)據(jù)相加，相加的結(jié)果再送入N位累加寄存器輸入端。頻率控制數(shù)據(jù)K決定了相位累加器的步進大小，每一個時鐘的作用下，相位累加器中的數(shù)值就累加一個步長K；在參考時鐘的重復(fù)作用下，加法器不斷地對頻率控制數(shù)據(jù)進行線性相位累加，相位累加到滿量程時，就會產(chǎn)生一次溢出，這就是DDS的一個周期，因此相位的溢出頻率就是DDS的輸出頻率[4]。

圖1 DDS組成框圖

DDS輸出信號的頻率為：

DDS的最小輸出頻率，也為其頻率分辨力為：

2 雷達信號模擬器硬件設(shè)計方案

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)采用高穩(wěn)定度的恒溫晶振產(chǎn)生100 MHz頻率作為參考輸入時鐘，分別用于鎖相環(huán)模塊的頻率參考信號和FPGA模塊的時序控制所需的時鐘。鎖相環(huán)模塊根據(jù)晶振產(chǎn)生的100 MHz信號進行鎖相，環(huán)路穩(wěn)定后經(jīng)VOC產(chǎn)生1 GHz輸出信號，最后通過帶通濾波輸入AD9910中作為采樣時鐘。模塊的控制核心和時序電 路 由 DSP（TMS320C2812）和 FPGA（XC3S500E）實現(xiàn)，該模塊在晶振100 MHz的時鐘信號觸發(fā)下，根據(jù)時序與邏輯控制信號，將上位機通過上位機接口送來的控制命令和數(shù)據(jù)，通過DDS控制接口模塊分別轉(zhuǎn)換送至AD9910芯片，根據(jù)系統(tǒng)要求控制DDS芯片產(chǎn)生需要的線性調(diào)頻信號、脈沖多普勒頻移信號、頻率捷變信號等雷達基帶信號。其系統(tǒng)總體組成如圖2所示。AD9910產(chǎn)生的基帶信號在射頻信號模塊中進行混頻合成后，與不同波段的本振信號進行上變頻可以產(chǎn)生不同波段的雷達信號。毫米波信號模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 AD9910簡介

DDS芯片采用Analog公司的AD9910，它集成了14 b數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），并且支持高達1 GSPS的采樣速率。AD9910采用ADI公司的高級DDS專利技術(shù)，這種技術(shù)可顯著地降低功耗而無需犧牲性能。其DDS與DAC組合形成了數(shù)字可編程、高頻模擬輸出頻率合成器，能夠產(chǎn)生頻率高達400 MHz頻率靈活的正弦波形。用戶可以訪問三個用于控制DDS的信號控制參數(shù)：頻率、相位和幅度。AD9910使用32 b累加器提供快速調(diào)頻和頻率調(diào)節(jié)分辨率。其采樣率為1 GSPS，調(diào)節(jié)分辨率為0.23 Hz。AD9910支持快速的頻率掃描、相位和幅度切換，可以方便地實現(xiàn)線性調(diào)頻、相位編碼信號的合成[5]。

圖2 系統(tǒng)總體組成框圖

圖3 射頻信號模塊組構(gòu)圖

AD9910內(nèi)部集成1 024 Word×32 b的RAM存儲器，通過內(nèi)部復(fù)雜狀態(tài)機配合，RAM存儲器可以非常靈活的生成隨時間變化的任意波形。AD9910芯片的優(yōu)越性能，使其在雷達捷變頻本振頻率合成，雷達和掃描系統(tǒng)線形調(diào)頻源，極化調(diào)制器、雷達回波模擬等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

2.3 線形調(diào)頻信號設(shè)計

AD9910中集成了全數(shù)字斜坡發(fā)生器，可以從編程設(shè)定的起點到終點掃描相位、頻率和幅度。將全數(shù)字斜坡發(fā)生器設(shè)置為頻率掃描，即可產(chǎn)生線性調(diào)頻輸出信號。數(shù)字斜坡發(fā)生器的掃描參數(shù)可以完全由編程確定，包括斜坡掃描上、下限，正/負(fù)斜率掃描步長和掃描步進時間間隔。數(shù)字斜坡發(fā)生器的內(nèi)核是參考時鐘為SYN?CLK的32 b累加器，其頻率為：

若DDS系統(tǒng)時鐘（即DAC采樣時鐘）為1 GHz，則數(shù)字斜坡發(fā)生器的內(nèi)核參考時鐘為4 ns，也就是說，數(shù)字斜坡發(fā)生器最短間隔4 ns就可以進行一次掃描步進，這對輸出線性調(diào)頻信號的線性度非常有利，即最小掃描步進時間間隔為：

實際工作時，掃描步進時間間隔可以編程控制：

式中：P為保存在掃描步進時間間隔寄存器內(nèi)數(shù)據(jù)。掃描步長M確定輸出信號頻率掃描步長：

輸出線性調(diào)頻信號的斜率為：

斜坡累加器后有限值控制邏輯，可以強制設(shè)定數(shù)字斜坡累加器的輸出信號頻率的上界和下界，確保輸出信號在期望的頻率范圍內(nèi)線性掃描。掃描置上限后，可通過編程控制可以強制斜坡累加器清零，強制輸出信號頻率復(fù)位置下限頻率。

3 測試結(jié)果

根據(jù)硬件設(shè)計方案，在完成雷達信號模擬器的硬件電路設(shè)計后，進行了系統(tǒng)的調(diào)試。通過Aglient公司的頻譜儀E4447A進行測試，測得系統(tǒng)的主要參數(shù)有：

輸出頻率范圍：12.5～16 GHz。

分辨力：100 kHz。

相位噪聲：≤-75 dBc/Hz@10 kHz。

頻率轉(zhuǎn)換時間：≤10 ms。

測試結(jié)果表明，該模擬器輸出信號穩(wěn)定可靠，各項參數(shù)指標(biāo)均達到系統(tǒng)設(shè)計要求。圖4為在測試過程中，當(dāng)輸出的中心頻率為15 GHz時，利用示波器和頻譜儀觀察到的波形圖。

4 結(jié) 語

本文介紹了一種基于AD9910的雷達信號模擬器的設(shè)計與實現(xiàn)方法，該方法具有良好的適應(yīng)性和可擴展性，可以根據(jù)雷達工作體制和頻率范圍靈活調(diào)整信號參數(shù)，產(chǎn)生需要的雷達信號。

圖4 利用示波器和頻譜儀觀察到的波形圖

[1]王新浪.雷達信號模擬器的設(shè)計與分析[J].電子元器件應(yīng)用，2012（3）：51?52.

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