基于AD9914的新型全數(shù)字寬帶毫米波相參信號(hào)源設(shè)計(jì)

謝滔等

摘 要： 為滿足寬帶毫米波雷達(dá)對(duì)信號(hào)源的較高需求，設(shè)計(jì)了一種適用于寬帶毫米波相參雷達(dá)的任意波形產(chǎn)生器。該信號(hào)源的核心器件為ADI公司最新的AD9914芯片，控制芯片為常用的Spartan3 FGPA芯片。該信號(hào)源能產(chǎn)生簡(jiǎn)單脈沖信號(hào)，幅度、相位、頻率調(diào)制信號(hào)和線性調(diào)頻信號(hào)等。測(cè)試了信號(hào)源的相參性，同時(shí)驗(yàn)證了信號(hào)的脈壓性能，測(cè)試結(jié)果表明，該信號(hào)源具有很好的頻率穩(wěn)定性和相參性能，在加海明窗的情況下，脈沖壓縮的副瓣可達(dá)-44 dB。經(jīng)上變頻，可輸出帶寬為800 MHz，中心頻率為34.15 GHz的毫米波信號(hào)。

關(guān)鍵詞： AD9914； 直接數(shù)字頻率合成； 寬帶毫米波信號(hào)源； 相參性能

中圖分類號(hào)： TN957?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）11?0050?04

Design of AD9914?based new coherent signal source

for all?digital wideband millimeter?wave

XIE Tao， ZHANG De?ping， LUO Hui， YUAN Nai?chang

（National University of Defense Technology， Changsha 410073， China）

Abstract： Random waveform generator that is applied to wideband millimeter wave （MMW） coherent radar is designed to meet the high requirements of signal source for MMW radar. The core device of the signal source is AD9914 produced latest by ADI company， the control chip is the common FPGA chip Spartan3. The simple pulse signals， amplitude modulation signals， phase modulation signals， frequency modulation signals and linear frequency modulation signals are generated by the signal source. The coherence of the signal source was tested and the pulse pressure performance of the signal was verified. Test results show that the designed signal source has perfect frequency stability and good coherence performance， the side lobe of the pulse pressure is reached to -44 dB with Hamming window. The millimeter?wave signals with the bandwidth of 800 MHz and the center frequency of 34.15 GHz can be output by the referred conversion.

Keywords： AD9914； direct digital frequency synthesis； wideband MMW signal source； coherent performance

0 引 言

毫米波是指30～300 GHz頻域的電磁波，其波長(zhǎng)短，應(yīng)用設(shè)備體積小、重量輕，且能提供較高的精度和良好的分辨率。毫米波處于新波段，在雷達(dá)反偵察、反干擾中有著天然優(yōu)勢(shì)，因而受到了各國(guó)的重視，爭(zhēng)相應(yīng)用于軍事領(lǐng)域中的雷達(dá)探測(cè)、雷達(dá)成像以及導(dǎo)彈制導(dǎo)與跟蹤等前沿技術(shù)。

雷達(dá)系統(tǒng)的性能很大程度上取決于信號(hào)源的質(zhì)量。在成像雷達(dá)中，回波多普勒相位信號(hào)疊加在一起，造成干擾，輕則使分辨率降低，重則無(wú)法獲得圖像，因此必須保證系統(tǒng)的相干性，提高空間分辨率。傳統(tǒng)方法使用石英晶體振蕩器和鎖相環(huán)等器件，雖然能提供良好的中心頻率穩(wěn)定度，由于大量使用非線性模擬器件，一是造成電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，雜波成分多、頻譜純度低；二是根據(jù)鎖相環(huán)本身的特性，使得頻率分辨率與頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間的矛盾始終難以解決[1]。這些缺點(diǎn)使得傳統(tǒng)方法在雷達(dá)系統(tǒng)中靈活度不夠，尤其是很難應(yīng)用于寬帶系統(tǒng)。

直接數(shù)字頻率合成（Direct Digital Synthesis）技術(shù)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一種新的頻率合成技術(shù)，它將先進(jìn)的數(shù)字處理方法引入到信號(hào)合成領(lǐng)域，采用數(shù)字采樣技術(shù)進(jìn)行采樣，與傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：頻率切換時(shí)間短，分辨率高，相對(duì)帶寬寬，頻譜純凈；高穩(wěn)定密集調(diào)頻特性，相位和頻率調(diào)整靈活，輸出的變頻信號(hào)相位連續(xù)；相位噪聲低；全數(shù)字接口，易于編程控制等[2?3]。隨著電子技術(shù)水平的提高，尤其是高速Si、GaAs器件的發(fā)展，DDS輸出帶寬的限制正在逐漸被克服[4]。DDS技術(shù)的這些特點(diǎn)使得它在電子系統(tǒng)領(lǐng)域中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

基于先進(jìn)DDS技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)新型多功能全數(shù)字寬帶毫米波信號(hào)源，適應(yīng)了現(xiàn)代雷達(dá)對(duì)信號(hào)源的高要求，同時(shí)也為新型雷達(dá)信號(hào)源的進(jìn)一步研究提供了參考。

1 信號(hào)源設(shè)計(jì)

1.1 器件選擇

根據(jù)Nyquist采樣定理，DDS的最大輸出帶寬決定于DDS的最高采樣頻率。同時(shí)，DDS輸出的低頻頻率成分的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）和相位噪聲均優(yōu)于高頻頻率成分。因此，選擇一款高采樣率的DDS芯片有助于提高雷達(dá)系統(tǒng)性能。

目前，ADI公司推出了一款新的DDS芯片AD9914。AD9914是一款帶12位DAC的直接數(shù)字頻率合成器（DDS）。它的頻率分辨率達(dá)到了271 pHz，最高采樣率高達(dá)3.5 GHz，輸出的頻率范圍為[5]DC～1.4 GHz。因此，AD9914滿足絕大多數(shù)寬帶毫米波雷達(dá)的要求。

信號(hào)發(fā)生器的另一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)是DDS的頻率分辨率和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）。雜散是DDS本身固有的缺點(diǎn)，相位截?cái)嗾`差帶來(lái)的雜散分布和雜散大小與頻率控制字、頻率控制字字長(zhǎng)、相位截?cái)嚅L(zhǎng)度有關(guān)[6]。AD9914的相位累加器位寬為32 b，相位控制字位寬為16 b，同樣滿足毫米波雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)相位控制精度和SFDR的要求。

在設(shè)計(jì)信號(hào)源控制器時(shí)選擇了Xilinx公司的Spartan3系列FPGA器件。現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）設(shè)計(jì)靈活、速度快，使數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)十分方便，可大大縮減設(shè)計(jì)周期且便于維護(hù)升級(jí)，在數(shù)字專用集成電路中應(yīng)用廣泛。在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，選擇了這款低功耗、低成本器件降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本，提高了系統(tǒng)的可行性。

1.2 方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)中頻部分結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。FPGA作為主控器為AD9914芯片提供所需的控制參數(shù)，DDS在外部參考時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下正常工作，產(chǎn)生多種中頻輸出信號(hào)。

AD9914的功能框圖如圖2所示。AD9914支持五種工作模式，即單頻模式，Profile調(diào)制模式，線性掃描模式，并行數(shù)據(jù)端口調(diào)制模式，可編程調(diào)制模式。不同模式之間可實(shí)時(shí)快速地進(jìn)行切換，使得DDS能適應(yīng)各種不同應(yīng)用。

AD9914的控制接口包括標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行接口和ADI公司自定義的并行控制接口。SPI接口的優(yōu)點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)化和電路連接簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是控制速度較慢。并行接口的優(yōu)點(diǎn)是控制速度快，但是電路設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。根據(jù)實(shí)際需求，本文選擇SPI接口作為DDS的參數(shù)控制接口。通過(guò)SPI接口，合理設(shè)置DDS內(nèi)部寄存器和控制AD9914的專用功能管腳，該DDS芯片能產(chǎn)生簡(jiǎn)單脈沖調(diào)制信號(hào)，頻率、幅度、相位隨機(jī)調(diào)制信號(hào)以及線性調(diào)頻信號(hào)等，完全滿足寬帶毫米波雷達(dá)對(duì)信號(hào)源的要求。

AD9914的單頻工作模式下，DDS信號(hào)控制參數(shù)由Profile編程寄存器直接提供。Profile是一個(gè)包括DDS信號(hào)控制參數(shù)的獨(dú)立寄存器，AD9914提供8個(gè)Profile寄存器。AD9914的輸出頻率[fOUT]由DDS頻率控制輸入的頻率調(diào)諧字FTW控制。關(guān)系式為：

[fOUT=FTW232fSYSCLK]

其中FTW是介于0～[231-1]之間的32位整數(shù)，此范圍包括從DC至Nyquist頻率內(nèi)的所有頻率。因此對(duì)于給定的輸出頻率值，可以通過(guò)上述公式得到FTW（其中FTW必須是一個(gè)整數(shù)）：

[FTW=round232fOUTfSYSCLK]

例如，產(chǎn)生4?FSK信號(hào)時(shí)只需要將指定的4個(gè)頻率值對(duì)應(yīng)的FTW值存入4個(gè)獨(dú)立的Profile寄存器中，由于每個(gè)Profile可獨(dú)立訪問(wèn)，利用三個(gè)外部Profile引腳（PS[2：0]）可選擇想要的Profile，實(shí)現(xiàn)4?FSK信號(hào)輸出。

對(duì)于簡(jiǎn)單脈沖信號(hào)，將非零頻率值[fOUT]對(duì)應(yīng)的FTW存進(jìn)其中一個(gè)Profile寄存器，將其他寄存器都置零，根據(jù)簡(jiǎn)單脈沖波的脈寬來(lái)調(diào)節(jié)非零寄存器輸出時(shí)的有效時(shí)間，其余時(shí)間使能置零的寄存器，即可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單脈沖調(diào)制功能。

對(duì)于PSK或ASK調(diào)制信號(hào)，均可利用三個(gè)外部Profile引腳來(lái)選擇想要的Profile寄存器，根據(jù)Profile寄存器中的指定頻率、相位、幅度參數(shù)更新DDS的輸出。據(jù)此設(shè)計(jì)產(chǎn)生了4?PSK信號(hào)。

AD9914工作在線性掃描調(diào)制模式下，調(diào)制的DDS信號(hào)控制參數(shù)由數(shù)字線性掃描發(fā)生器（DRG）直接提供。相應(yīng)的控制參數(shù)由串行或并行I/O端口控制。

DRG的線性掃描特性參數(shù)可完全編程，包括：線性掃描的上升和下降斜率、上下限值、上升/下降的步長(zhǎng)和掃描間隔時(shí)間等。線性掃描方向通過(guò)DRCTL外部引腳控制，DRG還支持由DRHOLD引腳控制的保持功能。根據(jù)上面的描述，設(shè)計(jì)產(chǎn)生了一個(gè)中心頻率為300 MHz、帶寬為100 MHz的線性調(diào)頻信號(hào)，并測(cè)試該線性調(diào)頻信號(hào)的脈沖壓縮性能。為測(cè)試系統(tǒng)寬帶性能，還設(shè)計(jì)產(chǎn)生了一個(gè)中心頻率為500 MHz、帶寬為800 MHz的寬帶線性調(diào)頻信號(hào)。

2 實(shí)際測(cè)試結(jié)果

DDS輸出的中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)上變頻，可輸出毫米波信號(hào)，圖3是毫米波信號(hào)源的組成。

在產(chǎn)生毫米波簡(jiǎn)單脈沖調(diào)制信號(hào)時(shí)，在Profile寄存器0中頻率參數(shù)設(shè)置為400 MHz，相位參數(shù)設(shè)置為[π2]；而其余寄存器的參數(shù)都置零。在FPGA內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)脈寬為50 ns，重頻為1 kHz的矩形脈沖信號(hào)。以該信號(hào)控制AD9914的Profile寄存器0，即當(dāng)該脈沖有效時(shí)，選擇Profile寄存器0，否則選擇其他Profile寄存器，則可得到簡(jiǎn)單脈沖調(diào)制信號(hào)。經(jīng)上變頻后可得到毫米波簡(jiǎn)單脈沖調(diào)制信號(hào)，其頻譜如圖4所示。

根據(jù)Profile調(diào)制原理，該信號(hào)源還可以產(chǎn)生各種頻率、相位、幅度調(diào)制信號(hào)。在測(cè)試時(shí)，設(shè)計(jì)產(chǎn)生了一個(gè)中心頻率為10 MHz，碼元寬度為0.5 μs的4?PSK偽碼調(diào)制信號(hào)。調(diào)制序列為[m]序列。輸出信號(hào)頻譜如圖5所示，其中心頻率為10 MHz，主瓣寬度為4 MHz。

在線性掃描模式中，系統(tǒng)可以產(chǎn)生寬帶線性調(diào)頻信號(hào)。為了測(cè)試該信號(hào)源輸出的線性調(diào)頻信號(hào)的線性度，設(shè)計(jì)產(chǎn)生了一個(gè)下限頻率為250 MHz、上限頻率為350 MHz的線性調(diào)頻信號(hào)，輸出頻譜如圖6所示。對(duì)該調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮，其結(jié)果如圖7所示，可見(jiàn)旁瓣電平為-44 dB，說(shuō)明設(shè)計(jì)的信號(hào)源所產(chǎn)生的線性調(diào)頻信號(hào)具有很好的調(diào)頻線性度。

為了測(cè)試系統(tǒng)的寬帶能力，又設(shè)計(jì)產(chǎn)生了一個(gè)下限頻率為100 MHz、上限頻率為900 MHz的寬帶線性調(diào)頻信號(hào)，對(duì)其上變頻后，觀察其信號(hào)頻譜，如圖8所示，信號(hào)中心頻率為34.15 GHz，帶寬為800 MHz，帶內(nèi)信號(hào)幅度平坦，性能良好。

為了進(jìn)一步測(cè)試驗(yàn)證該信號(hào)源的頻率穩(wěn)定性能和相參性能，使DDS輸出簡(jiǎn)單脈沖調(diào)制信號(hào)，脈沖重頻為1 kHz，脈沖寬度為10 μs。使用高速示波器對(duì)DDS輸出的脈沖串進(jìn)行連續(xù)采集，共采集3 000個(gè)脈沖。對(duì)采集的3 000個(gè)脈沖信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，同時(shí)取頻譜峰值的相位分析結(jié)果如圖9，圖10所示。

從圖9可以看出，頻譜峰值在方位向（慢時(shí)間）上成一條直線，說(shuō)明該DDS具有出色的頻率穩(wěn)定性。從圖10可以看出，該信號(hào)源脈沖間相位誤差在[±3°]之間，說(shuō)明該信號(hào)源脈沖之間具有較低的相位抖動(dòng)，能滿足毫米波相參雷達(dá)對(duì)信號(hào)源相參性的要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

從實(shí)際需要出發(fā)，在現(xiàn)代先進(jìn)DDS技術(shù)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種新型寬帶多功能雷達(dá)信號(hào)源系統(tǒng)。從實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出該系統(tǒng)具有產(chǎn)生脈沖調(diào)制，頻率、相位、幅度調(diào)制等多種調(diào)制信號(hào)的功能，它產(chǎn)生的寬帶線性調(diào)頻信號(hào)帶寬可高達(dá)800 MHz，帶內(nèi)波動(dòng)小，信號(hào)質(zhì)量高。對(duì)系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性和相位誤差分析發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)具有很好的頻率穩(wěn)定性，很低的相位誤差，完全滿足現(xiàn)代毫米波相參雷達(dá)的各項(xiàng)要求，該信號(hào)源具有很好的參考價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

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