一種基于D D S的相控陣?yán)走_(dá)數(shù)字T/R組件數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生設(shè)計(jì)

荊州南湖機(jī)械股份有限公司 楊 柳 陳 婷 智東杰

一種基于D D S的相控陣?yán)走_(dá)數(shù)字T/R組件數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生設(shè)計(jì)

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數(shù)字化相控陣?yán)走_(dá)通過對(duì)時(shí)間和能量資源的合理調(diào)度，可同時(shí)完成目標(biāo)搜索、跟蹤等多項(xiàng)任務(wù)。文章介紹了一種基于DDS的數(shù)字化相控陣?yán)走_(dá)的數(shù)字T/R組件數(shù)字模塊,給出了系統(tǒng)構(gòu)成及其工作原理, 闡述其設(shè)計(jì)方案并給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。該數(shù)字T/R組件數(shù)字模塊具有良好的擴(kuò)展性、帶寬靈活性、模式多樣性，能夠支撐相控陣?yán)走_(dá)發(fā)揮最大探測(cè)效能。

相控陣?yán)走_(dá)；數(shù)字T/R組件；數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生

引言

相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)是一種由計(jì)算機(jī)控制陣列天線各單元的相位、幅度以形成空間波束并控制其掃描的雷達(dá)技術(shù)。與傳統(tǒng)的機(jī)械掃描雷達(dá)相比，相控陣?yán)走_(dá)具有波束掃描快速、天線波束形狀快速可調(diào)、擁有空域?yàn)V波能力、多波束形成等優(yōu)點(diǎn)。

數(shù)字T/R組件是相控陣?yán)走_(dá)的關(guān)鍵部件之一。常規(guī)相控陣?yán)走_(dá)發(fā)射接收波束的形成是通過移相和幅度加權(quán)來實(shí)現(xiàn)的，而這一工作往往是由陣面上各T/R組件中的移相器、饋線網(wǎng)絡(luò)來完成。隨著電子信息的飛速發(fā)展,以往數(shù)字系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本也大大降低，可靠性不斷提高，使得以前必須由模擬器件實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)能被數(shù)字系統(tǒng)代替。另外，數(shù)字系統(tǒng)還具有可重復(fù)性、可控性和便于集成等優(yōu)點(diǎn)，因此在雷達(dá)中的應(yīng)用也日趨廣泛。

本文主要介紹數(shù)字T/R組件數(shù)字化的核心部分——數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生模塊（簡(jiǎn)稱數(shù)字模塊），其主要特征為：利用DDS技術(shù)完成雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生、頻率控制、幅相控制的一體化實(shí)現(xiàn)，其輸入輸出信息均數(shù)字化。

1.組成與工作原理

數(shù)字T/R組件數(shù)字模塊A/D對(duì)發(fā)射耦合信號(hào)、回波信號(hào)/測(cè)試信號(hào)（測(cè)試時(shí)不采回波）進(jìn)行直接射頻采樣，經(jīng)數(shù)字濾波、正交插值、數(shù)據(jù)抽取處理，形成數(shù)字I/Q信號(hào)（即幅相數(shù)據(jù)/數(shù)字回波）經(jīng)光纖下行通道到DBF分系統(tǒng)，完成波束合成后輸出到信號(hào)處理分系統(tǒng)。數(shù)字T/R組件數(shù)字模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)各工作狀態(tài)下幅相的監(jiān)測(cè)并通過數(shù)據(jù)傳輸鏈路回傳監(jiān)測(cè)結(jié)果。

2.數(shù)字模塊設(shè)計(jì)

2.1 D D S

結(jié)合T/R組件實(shí)際使用情況，選用的DDS器件直接輸出中頻，外部混頻得到射頻。以DDS為核心，結(jié)合FPGA控制電路、混頻放大器構(gòu)成T/R組件激勵(lì)源。信號(hào)參數(shù)的控制由主控計(jì)算機(jī)通過光纖進(jìn)行發(fā)送，F(xiàn)PGA接收后，控制DDS完成相應(yīng)的信號(hào)輸出。由于在雷達(dá)的實(shí)際發(fā)射過程中，大部分采用的是大時(shí)寬帶寬的脈沖信號(hào)，因此在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的架構(gòu)中，F(xiàn)PGA還完成了一定的脈沖輸出功能，對(duì)DDS輸出的連續(xù)波信號(hào)進(jìn)行脈沖調(diào)制，從而達(dá)到輸出雷達(dá)脈沖信號(hào)的能力。

2.2 光纖接口

光模塊主要是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，然后通過光纖送給下一級(jí)。設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮的是光模塊傳輸速率、光信號(hào)的波長(zhǎng)、接收靈敏度和光模塊的穩(wěn)定性，結(jié)合行業(yè)技術(shù)成熟度，選擇TLight SFP系列的雙纖雙向光模塊TLC310M03G。

2.3 A/D

選用A/D芯片時(shí)主要考慮了以下幾個(gè)方面：

1）采樣速率；

2）信噪比SNR；

3）無失真動(dòng)態(tài)范圍；

4）轉(zhuǎn)換位數(shù)；

5）全功率輸入帶寬；

基于上述幾個(gè)方面，我們選擇了LINEAR公司的14位采樣A/D芯片，這款芯片主要是為數(shù)字高頻寬帶信號(hào)設(shè)計(jì)的，它有著70dB的SNR和90dB的SFDR，以及1.25GHz的全功率輸入帶寬，這讓它能夠很好地采樣高頻率信號(hào)，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

2.4 F P G A

同步信號(hào)處理、通訊、A/D芯片和DDS芯片的控制、采樣數(shù)據(jù)的正交插值、濾波、數(shù)據(jù)抽取等均在FPGA軟件中實(shí)現(xiàn)。

采用Altera系列的器件，為40nm器件，屬于ALTERA公司Stratix IV GX系列，具有豐富高速的硬件單元和自定義的協(xié)議軟核，結(jié)合各類驅(qū)動(dòng)芯片、采樣芯片、模擬轉(zhuǎn)換芯片、光收發(fā)模塊等，可完成各種外設(shè)管理、數(shù)字采樣，數(shù)字頻率合成、外設(shè)故障檢測(cè)、高速光通訊等功能。

2.5 F P G A軟件

T/R數(shù)字模塊軟件接收主控發(fā)送的控制指令，完成指令分解，輸出對(duì)發(fā)射通道、接收通道的控制信號(hào)，控制DDS產(chǎn)生指定頻率和掃描方式的調(diào)制信號(hào)，經(jīng)過混頻、濾波、放大后向天線輻射；獲取接收通道濾波、混頻之后的模擬信號(hào)，將A/D采集后的I/Q數(shù)據(jù)，依次經(jīng)過數(shù)字下變頻、濾波、正交插值、數(shù)據(jù)抽取后產(chǎn)生基帶數(shù)據(jù)；檢測(cè)時(shí)鐘、導(dǎo)前、電源、溫度等狀態(tài)，與基帶數(shù)據(jù)一起編碼上報(bào)。

3.實(shí)驗(yàn)情況

數(shù)字T/R組件的數(shù)字模塊獨(dú)立設(shè)計(jì)，隨T/R組件一起進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，期間將液冷設(shè)備與液冷管串聯(lián)的三件T/R組件一起進(jìn)行了高、低溫（高溫70℃，低溫-40℃）試驗(yàn)，T/R組件工作正常穩(wěn)定，主要技術(shù)指標(biāo)滿足情況見表1。

表1 數(shù)字T/R組件指標(biāo)滿足情況

4.結(jié)論

數(shù)字T/R組件數(shù)字模塊代替原來由移相器、微波衰減器等構(gòu)成的模擬T/R模塊，既可以通過軟件控制靈活產(chǎn)生各種雷達(dá)波形，如線性與非線性調(diào)頻脈沖、多相編碼脈沖波形和相參脈沖串波形等，又可以方便的控制波形捷變和頻率捷變，更可以靈活的對(duì)天線陣列進(jìn)行相位和幅度加權(quán)，使天線陣列具有自適應(yīng)旁瓣抑制、波束賦形、和自適應(yīng)干擾置零能力。

[1]梁劍．?dāng)?shù)字化雷達(dá)及其發(fā)展[J]．雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2008．6(6)：406,410．

[2]楊振起,張永順,駱永軍．雙(多)基地雷達(dá)系統(tǒng)[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1998．

[3]吳曼青．?dāng)?shù)字陣列雷達(dá)的發(fā)展與構(gòu)想[J]．雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2008,6(6)：401,405．

[4]吳曼青,靳學(xué)明,譚劍美．相控陣?yán)走_(dá)數(shù)字T/R組件研究[J]．現(xiàn)代雷達(dá),2001．23(2)：5760．