基于多通道技術(shù)的數(shù)字收發(fā)單元設(shè)計(jì)

秦 穎，謝書(shū)珊

(南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

0 引言

數(shù)字陣列雷達(dá)是近年來(lái)隨著數(shù)字技術(shù)發(fā)展出現(xiàn)的一種新體制相控陣?yán)走_(dá)，其特點(diǎn)是每個(gè)收發(fā)通道都由數(shù)字方式完成。該體制雷達(dá)具有靈活的波形、波束變化能力，并應(yīng)用先進(jìn)處理方法優(yōu)化對(duì)目標(biāo)的跟蹤質(zhì)量，提高了時(shí)間、能量、資源的利用效率，賦予雷達(dá)更好的反隱身性能［1］。

隨著數(shù)?；旌霞杉夹g(shù)的飛速發(fā)展，模數(shù)轉(zhuǎn)化器(ADC)采樣率和直接數(shù)字頻率合成(DDS)輸出頻率均不斷提高，數(shù)模信號(hào)的轉(zhuǎn)換越來(lái)越靠近天線(xiàn)，數(shù)字信號(hào)處理已完全實(shí)現(xiàn)軟件化，這些均意味著數(shù)字陣?yán)走_(dá)將逐漸向全數(shù)字化邁進(jìn)。同時(shí)，數(shù)字陣?yán)走_(dá)具有通道數(shù)量多、設(shè)備量大、調(diào)試復(fù)雜等特點(diǎn)，其系統(tǒng)的集成度、經(jīng)濟(jì)性、可靠性也是設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮的問(wèn)題。

1 數(shù)字收發(fā)單元設(shè)計(jì)原理及關(guān)鍵技術(shù)

本文介紹了基于多通道技術(shù)的數(shù)字收發(fā)單元設(shè)計(jì)原理及關(guān)鍵技術(shù)，其功能框圖見(jiàn)圖1。

圖1 數(shù)字收發(fā)單元原理框圖

數(shù)字收發(fā)單元位于數(shù)字陣?yán)走_(dá)的天線(xiàn)陣面上，是整部雷達(dá)的關(guān)鍵部件。發(fā)射時(shí)，數(shù)字收發(fā)單元接收頻率源產(chǎn)生的本振信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)，并分配給每個(gè)通道;系統(tǒng)根據(jù)雷控指令計(jì)算出每個(gè)組件中各通道對(duì)應(yīng)的控制碼，通道中的DDS根據(jù)控制碼產(chǎn)生雷達(dá)工作的波形信號(hào)，再通過(guò)選頻、濾波、混頻、放大等模擬處理后，產(chǎn)生所需頻率的激勵(lì)信號(hào)。接收時(shí)，雷達(dá)回波信號(hào)由模擬電路處理為中頻信號(hào)，經(jīng)數(shù)字中頻采樣產(chǎn)生并行數(shù)字信號(hào)，重組、打包后由光纖送到后端的數(shù)字波束形成(DBF)繼續(xù)進(jìn)行信號(hào)數(shù)據(jù)處理［2］。

2 基于多路集成ADC的數(shù)字接收技術(shù)

數(shù)字中頻采樣是基于高分辨率的ADC芯片完成從模擬信號(hào)到基帶信號(hào)的一種數(shù)字正交下變頻技術(shù)，同時(shí)通過(guò)軟件編程靈活地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字下變頻器、數(shù)字濾波、信道均衡等功能，通過(guò)加載新的軟件模塊即可實(shí)現(xiàn)模式切換。這種以軟件為核心的處理方式極大地提高了系統(tǒng)靈活性，也有效降低了硬件成本。

理想的中頻采樣是要利用高速ADC芯片和高性能可編程處理器，使采樣頻率盡量接近激勵(lì)信號(hào)頻率，在盡量寬的帶寬上完成模/數(shù)(A/D)變換并送入現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)進(jìn)行處理。由于A/D變換后的處理均通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，從而給系統(tǒng)帶來(lái)了巨大的靈活性，這是以往模擬電路處理方式所無(wú)法比擬的。因此，數(shù)字中頻采樣具有可編程、可重配置、開(kāi)放性和穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，但現(xiàn)階段工程實(shí)踐中會(huì)受到模擬信號(hào)的輸入頻率、帶寬，以及實(shí)時(shí)的數(shù)字信號(hào)處理能力的限制。因此，實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)通常在數(shù)字中頻采樣前先進(jìn)行少量模擬變頻、濾波等處理［3］，本設(shè)計(jì)也將采用此處理方式。

以往的設(shè)計(jì)中，每路模擬接收通道都對(duì)應(yīng)一個(gè)單獨(dú)的ADC器件，每個(gè)ADC的時(shí)鐘及其輸出信號(hào)都需要謹(jǐn)慎處理，這給通道數(shù)量龐大的數(shù)字陣?yán)走_(dá)帶來(lái)巨大的工作量。近年來(lái)，針對(duì)高性能、多功能、低成本、小尺寸的應(yīng)用，各芯片廠商都推出了多款多通道集成的ADC芯片，本文采用的是ADI公司出品的雙通道集成的AD9268。該芯片可同步采集2路模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換精度16位，最高采樣率105 MS/s。

根據(jù)帶通采樣定理，ADC采樣率只取決于信號(hào)的載波頻率和帶寬。對(duì)于數(shù)字陣?yán)走_(dá)來(lái)說(shuō)，多通道的同步性能和一致性能非常關(guān)鍵，因此，ADC采樣時(shí)鐘頻率應(yīng)低于信號(hào)載波頻率。針對(duì)本文信號(hào)載波頻率130 MHz和帶寬5 MHz，綜合考慮多個(gè)數(shù)字收發(fā)單元的同步要求和可實(shí)現(xiàn)方式，系統(tǒng)的時(shí)鐘選擇為100 MHz。

理論上，中頻采樣模塊(ADC+數(shù)字下變頻(DDC))可以得到的信噪比(SNR)按下式計(jì)算

式中:fs為采樣頻率;b為A/D轉(zhuǎn)換位數(shù);B為輸入模擬信號(hào)帶寬。SNRmax一般由實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定。輸入信號(hào)的帶寬由 B1變化為 B2時(shí)，所能取得的SNRmax也隨之變化。

器件資料中，該芯片的動(dòng)態(tài)指標(biāo)在輸入中頻999 MHz、采樣時(shí)鐘100 MHz時(shí)，SNR=64.7 dB。5 MHz信號(hào)帶寬時(shí)，還能得到10 dB的處理得益(10lg(fs/2B)=10lg(100/2×5)=10 dB)，中頻數(shù)字正交處理(ADC+DDC)的輸出動(dòng)態(tài)最大可達(dá)74.7 dB，滿(mǎn)足系統(tǒng)所要求的動(dòng)態(tài)范圍。

中頻模擬信號(hào)在中放放大后通過(guò)匹配濾波器去除帶外雜波信號(hào)，再經(jīng)單端-差分處理后送入ADC，被時(shí)鐘采樣后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入FPGA進(jìn)行DDC處理，如圖2所示。首先，用全局時(shí)鐘鎖存16位AD數(shù)據(jù);然后，與數(shù)控振蕩器(NCO)產(chǎn)生的數(shù)控I/Q正交本振信號(hào)混頻，經(jīng)積分梳狀濾波器(CIC)完成抗混疊(去鏡像)和抽取降速;再針對(duì)不同的數(shù)據(jù)率，采用對(duì)應(yīng)的有限脈沖響應(yīng)(FIR)低通濾波器進(jìn)行匹配抽取和數(shù)據(jù)位截取，輸出16位的并行數(shù)據(jù);最后，通過(guò)數(shù)據(jù)緩存、重組轉(zhuǎn)換為高速串行信號(hào)，由光纖送到后端的DBF繼續(xù)進(jìn)行信號(hào)數(shù)據(jù)處理。

圖2 A/D采樣的處理流程圖

我們對(duì)偏離載頻0.125 MHz的點(diǎn)頻信號(hào)對(duì)ADC和整個(gè)DDC通道進(jìn)行了數(shù)據(jù)錄取和分析，圖3顯示了DDC基帶信號(hào)快速傅里葉變換(FFT)分析的結(jié)果。由圖可見(jiàn)，F(xiàn)FT分析出的ADC有效位數(shù)13.1位，滿(mǎn)足系統(tǒng)需求，無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)、諧波抑制度、鏡像抑制度等指標(biāo)也很理想。

圖3 DDC處理后的基帶數(shù)據(jù)FFT分析

由于ADC器件的非線(xiàn)性特性，實(shí)際噪聲功率通常會(huì)比理論的量化噪聲功率高，尤其在單元電磁兼容環(huán)境不理想時(shí)，會(huì)影響收發(fā)通道的噪聲系數(shù)［4］。同時(shí)，高性能的ADC是非常敏感的器件，其自身也會(huì)被環(huán)境中的雜散信號(hào)影響。因此，如何保證信號(hào)的完整性，對(duì)模擬、數(shù)字電源隔離和濾波時(shí)數(shù)字地與模擬地應(yīng)該如何劃分，對(duì)參考時(shí)鐘的處理等都是數(shù)模集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不可忽視的問(wèn)題。

3 多通道信號(hào)產(chǎn)生技術(shù)

DDS是目前廣泛應(yīng)用于電子領(lǐng)域的全數(shù)字結(jié)構(gòu)新型信號(hào)產(chǎn)生技術(shù)。與模擬頻率合成技術(shù)相比，DDS具有靈活性高、分辨率高及頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間超高速等突出優(yōu)點(diǎn)，在雷達(dá)應(yīng)用中能更快捷、更靈活地控制發(fā)射波形轉(zhuǎn)換和波束掃描，更簡(jiǎn)單方便地實(shí)現(xiàn)各通道間的幅相一致性［5］。隨著數(shù)字芯片技術(shù)的發(fā)展，多路集成DDS技術(shù)日趨成熟，應(yīng)用單芯片產(chǎn)生多路輸出信號(hào)，可極大簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)和印制電路板布局布線(xiàn)，降低組件的復(fù)雜度、體積和成本。

針對(duì)實(shí)例系統(tǒng)中采樣時(shí)鐘100 MHz、中頻130 MHz、帶寬5 MHz的多路調(diào)頻、調(diào)相信號(hào)，本方案選用的DDS芯片型號(hào)為AD9959。它是一款各通道獨(dú)立受控，能產(chǎn)生4路不同輸出信號(hào)的多通道集成DDS芯片，最高工作頻率可達(dá)500 MHz。

DDS輸出頻率為

式中:FTW為頻率控制字，且0≤FTW≤231;Fsclk為時(shí)鐘頻率。

DDS輸出頻率分辨率為

由此可見(jiàn)，僅用1片AD9959芯片，就能在小型化數(shù)字收發(fā)組件中同時(shí)產(chǎn)生4路獨(dú)立可控的中頻輸出信號(hào)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。雷達(dá)工作中，F(xiàn)PGA根據(jù)雷控指令計(jì)算出各通道所需的波形碼、頻率字、相位字、幅度字等，控制AD9959產(chǎn)生多路雷達(dá)中頻信號(hào)。圖5和圖6即為其中一個(gè)通道的輸出信號(hào)在頻域的測(cè)試結(jié)果。

圖4 信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖5 LFM信號(hào)頻譜圖

圖6 LFM信號(hào)脈內(nèi)頻譜圖

AD9959的寄存器采用串口方式進(jìn)行配置，具體有1線(xiàn)操作、2線(xiàn)操作和4線(xiàn)操作的配置方式，如圖7所示。采用1線(xiàn)操作方式時(shí)，數(shù)據(jù)線(xiàn)僅有一根，能有效避免數(shù)據(jù)線(xiàn)間相互干擾，此系統(tǒng)中采用該方式配置芯片內(nèi)部寄存器。對(duì)AD9959的控制流程如下:在各通道初始化后，先配置通用寄存器激活想要配置的DDS通道，再根據(jù)通道寄存器列表的地址對(duì)各寄存器進(jìn)行配置。進(jìn)行多路DDS操作時(shí)，同一個(gè)地址和值可同時(shí)寫(xiě)入共用的寄存器地址內(nèi)，控制4路DDS輸出相同信號(hào)。也可以通過(guò)設(shè)置通道使能位分別向每個(gè)通道寫(xiě)入不同的數(shù)據(jù)，獨(dú)立控制不同通道DDS輸出［6］。

圖7 多路信號(hào)產(chǎn)生軟件處理流程圖

DDS技術(shù)的發(fā)展為頻率合成系統(tǒng)帶來(lái)了極大的便利，但是器件固有的非線(xiàn)性使得產(chǎn)生輸出信號(hào)的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生大量的雜散。因此，必須分析并解決DDS對(duì)系統(tǒng)噪聲和雜散的影響。

1)DDS芯片內(nèi)部集成了時(shí)鐘倍頻器，可以將較低頻率的參考時(shí)鐘倍頻到高頻的工作時(shí)鐘，但是信號(hào)倍頻M次后相位噪聲就會(huì)惡化20lgM。因此，應(yīng)該盡量放棄使用倍頻器，而直接采用高頻譜純度的參考時(shí)鐘作為DDS的系統(tǒng)時(shí)鐘;

2)在合成信號(hào)的頻率較高時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)良好的SFDR指標(biāo)，DDS輸出的差分信號(hào)應(yīng)當(dāng)采用等終端匹配的方式連接;

3)DDS輸出頻率分辨率取決于時(shí)鐘頻率和相位累加器位數(shù)。因此，一般相位累加器位數(shù)N會(huì)盡可能做大，但實(shí)際波形存儲(chǔ)器的容量卻有限，用來(lái)尋址的位數(shù)通常小于N，尋址時(shí)相位累加器的低B位就被截去，此時(shí)產(chǎn)生的相位舍位誤差就會(huì)帶來(lái)大量雜散。如果使B=0，則可以避免出現(xiàn)此類(lèi)雜散，從而提高輸出信號(hào)質(zhì)量。所以，在DDS輸出點(diǎn)頻信號(hào)時(shí)，應(yīng)盡量使頻點(diǎn)設(shè)計(jì)在能被時(shí)鐘整除的頻率。

4 多通道同步技術(shù)

在數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)中，多通道之間的同步十分關(guān)鍵，它是目前所研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)之一。對(duì)數(shù)字陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)而言，同步分為收發(fā)單元之間的同步和單元內(nèi)通道間的同步。數(shù)字收發(fā)單元中的各功能模塊通常采用同一基準(zhǔn)時(shí)鐘觸發(fā)，從而保證各通道在相位和時(shí)序上的一致性，這些通道間的同步就屬于單元內(nèi)同步;而若干個(gè)獨(dú)立的數(shù)字收發(fā)單元間的同步則屬于單元間同步。因此，如何調(diào)整系統(tǒng)時(shí)鐘與控制邏輯之間的相對(duì)觸發(fā)關(guān)系是雷達(dá)設(shè)計(jì)中必須解決的問(wèn)題。

對(duì)于本方案100 MS/s的時(shí)鐘系統(tǒng)，要保證上行DDS和下行ADC的多通道同步，同步精度需達(dá)到ns級(jí)，則必須嚴(yán)格控制各路采樣時(shí)鐘之間的延遲差異。在電路、系統(tǒng)、軟件設(shè)計(jì)上，我們多方面綜合考慮了同步性，主要措施有:

(1)電路設(shè)計(jì)。單元內(nèi)部各通道對(duì)觸發(fā)脈沖的同步響應(yīng)直接影響上行信號(hào)相位控制的穩(wěn)定性、下行信號(hào)采樣時(shí)刻的一致性，對(duì)時(shí)鐘(FPGA時(shí)鐘、DDS系統(tǒng)時(shí)鐘、ADC采樣時(shí)鐘)和定時(shí)脈沖的硬件通路必須控制等長(zhǎng)、減小延遲，并盡量減少相位隨環(huán)境溫度的器件(比如模擬濾波器等);

(2)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。多通道信號(hào)產(chǎn)生、信號(hào)采樣的同步性最基本的條件是收發(fā)單元同時(shí)響應(yīng)觸發(fā)脈沖，數(shù)字陣?yán)走_(dá)各組件的定時(shí)脈沖是同一個(gè)信號(hào)，而時(shí)鐘是同源、同頻、相參的，所以系統(tǒng)必須保證時(shí)鐘、定時(shí)脈沖到各單元的相位延遲盡可能相同，也就是盡量等距離傳輸;

(3)軟件設(shè)計(jì)。在硬件上是很難做到多路高速時(shí)鐘完全同步的，而FPGA的軟件化、數(shù)字化處理，使得我們可以靈活地控制FPGA內(nèi)部的時(shí)鐘相位，從而改變了DDS、DDC的控制碼與同步脈沖之間的時(shí)序關(guān)系，完善系統(tǒng)的同步設(shè)計(jì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于多通道ADC、DDS和多通道同步技術(shù)，通過(guò)集成、高效的設(shè)計(jì)方案，完成數(shù)字收發(fā)單元的原理分析和電路集約化設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)計(jì)中的要點(diǎn)、難點(diǎn)及主要參數(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡述，為數(shù)字收發(fā)單元中的關(guān)鍵技術(shù)突破提供了可靠的工程實(shí)踐支撐。

數(shù)字陣?yán)走_(dá)是當(dāng)前雷達(dá)技術(shù)的前沿，而多通道技術(shù)的發(fā)展是其最大的推動(dòng)力之一。近年來(lái)，隨著高速數(shù)字器件的發(fā)展，射頻直接采樣和DDS產(chǎn)生射頻信號(hào)技術(shù)日趨成熟，通道中模擬處理部分逐漸消失。再加上射頻集成芯片和系統(tǒng)級(jí)芯片的出現(xiàn)，數(shù)字收發(fā)單元逐漸向芯片化、小型化、低成本、高可靠性方向發(fā)展，數(shù)字陣?yán)走_(dá)也正向著全數(shù)字化的方向邁進(jìn)。

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