S波段寬帶數(shù)字變頻單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉洪升 李宏 王瑞斌

（西安電子工程研究所 陜西省西安市 710100）

1 概述

某數(shù)字陣列雷達(dá)工作在S 波段，主要完成低空超低空搜索功能，還需重點(diǎn)監(jiān)測(cè)“低慢小”目標(biāo)。雷達(dá)工作的外部環(huán)境中存在強(qiáng)烈的地雜波，工作時(shí)需從紛繁復(fù)雜的外部環(huán)境中分辨運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，就要求數(shù)字變頻單元需要具備極低相位噪聲、極低雜散干擾的特性，并可實(shí)現(xiàn)寬帶數(shù)字收發(fā)以滿足雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別能力。

2 設(shè)計(jì)方案

該數(shù)字變頻單元主要用于產(chǎn)生8 路雷達(dá)發(fā)射激勵(lì)信號(hào)，并完成8 路回波信號(hào)的變頻、中頻放大、AD 采樣、抽取、時(shí)序控制等功能。發(fā)射激勵(lì)信號(hào)具有瞬時(shí)寬帶工作模式，可實(shí)現(xiàn)移頻、移相功能。

2.1 方案簡介

本系統(tǒng)采用二次變頻體制，并使用DDS、ADC 等產(chǎn)生頻率、相位可控的發(fā)射激勵(lì)信號(hào)和數(shù)字接收信號(hào)，形成數(shù)字收發(fā)陣列。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案框圖如圖1 所示。

2.2 數(shù)字單元

數(shù)字單元主要由FPGA、ADC、DDS、光收發(fā)模塊、電源芯片、接口芯片等組成，主要完成以下功能：

2.2.1 FPGA

（1）對(duì)外通信及時(shí)序重建；

（2）對(duì)AD 采樣數(shù)據(jù)下變頻、數(shù)字濾波；

（3）8 路變頻組件的控制；

（4）波控功能；

（5）故障信息匯總。

2.2.2 AD

（1）對(duì)變頻組件的回波信號(hào)進(jìn)行采樣；

（2）校準(zhǔn)時(shí)對(duì)DDS 輸出信號(hào)進(jìn)行采樣。

2.2.3 DDS

（1）產(chǎn)生發(fā)射中頻信號(hào)，也可產(chǎn)生窄帶線性調(diào)頻信號(hào)；

（2）頻率分集功能；

（3）由頻移控制碼和相移控制碼控制，進(jìn)行頻率補(bǔ)償和相位補(bǔ)償。

2.2.4 供電

2.3 光纖通信

正常工作時(shí)，在每個(gè)波前脈沖之前，通過光纖接口將下一波列周期的控制參數(shù)發(fā)送給數(shù)字單元。然后光纖通信模塊調(diào)用FPGA 內(nèi)部的高速收發(fā)模塊GTX 將高速串口信號(hào)轉(zhuǎn)換為32 位并行數(shù)據(jù)，再經(jīng)過FIFO 緩存后譯碼產(chǎn)生時(shí)序參數(shù)、工作參數(shù)和自檢參數(shù)等，并在波列脈沖的上升沿使能譯碼產(chǎn)生的控制參數(shù)。同時(shí)，數(shù)字單元在每個(gè)波列脈沖周期內(nèi)將校驗(yàn)參數(shù)、故障信息和I/Q 基帶數(shù)據(jù)上報(bào)給上級(jí)。

2.4 時(shí)序響應(yīng)及處理

數(shù)字單元接收來自信處提供的CPI 同步時(shí)序信號(hào)，一個(gè)CPI 內(nèi)包含若干PRI 信號(hào)，并于首個(gè)PRI 工作前完成參數(shù)配置工作；CPI內(nèi)的多個(gè)PRI 信號(hào)具有相同時(shí)域特性。根據(jù)PRI 時(shí)序產(chǎn)生并設(shè)置收發(fā)通道相關(guān)參數(shù)，使之可按要求收發(fā)信號(hào)，采樣后送至信處進(jìn)行檢測(cè)。

圖1：數(shù)字變頻單元原理框圖

2.5 波形信號(hào)產(chǎn)生

波形信號(hào)產(chǎn)生功能根據(jù)工作參數(shù)，控制DDS 產(chǎn)生中頻信號(hào)，具有多種波形和頻率，并通過移頻、移相進(jìn)行補(bǔ)償。主要包含復(fù)雜波形產(chǎn)生功能、信號(hào)頻率值切換控制功能以及選擇不同波形信號(hào)模式開啟或關(guān)閉功能。上述各種功能控制由芯片內(nèi)部獨(dú)立的各個(gè)子模塊單獨(dú)完成，在時(shí)間域上的執(zhí)行模式屬于并行模式。

2.6 ADC采樣處理

數(shù)字單元中，ADC 先進(jìn)行采樣，得到的數(shù)字中頻頻率信號(hào)與數(shù)控振蕩器時(shí)域相乘，形成相位差互為90 度的兩路I、Q 基帶信號(hào)，再由FIR 低通數(shù)字濾波器濾除系統(tǒng)不需要使用的高頻頻率分量，最后通過GXB 傳輸?shù)叫盘幏窒到y(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步處理。

2.7 變頻組件

上行通道DDS 產(chǎn)生的發(fā)射中頻信號(hào)與本振信號(hào)進(jìn)行混頻，產(chǎn)生8 路發(fā)射激勵(lì)信號(hào)；下行通道回波信號(hào)與本振信號(hào)進(jìn)行混頻，經(jīng)中頻放大產(chǎn)生數(shù)字單元ADC 采樣所需的接收中頻信號(hào)。收發(fā)通道中均設(shè)計(jì)有收發(fā)開關(guān)，根據(jù)收發(fā)轉(zhuǎn)換脈沖等時(shí)序，完成接發(fā)收轉(zhuǎn)換功能。

3 關(guān)鍵技術(shù)及分析

3.1 多通道相位同步

數(shù)字陣列雷達(dá)正常工作需要每個(gè)單元都同步受控，同步精度為同步時(shí)鐘頻率的倒數(shù)。在發(fā)射時(shí)，若不能實(shí)現(xiàn)同步控制，則得不到發(fā)射合成波束，且單元相互間還會(huì)產(chǎn)生干擾，系統(tǒng)不能正常工作；在接收時(shí)，若不能實(shí)現(xiàn)同步控制，則得不到接收合成波束，且還可能引起數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。因此多通道相位同步是數(shù)字陣列雷達(dá)的實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)之一。

數(shù)字變頻單元同時(shí)產(chǎn)生8 路發(fā)射激勵(lì)信號(hào)，每路信號(hào)都經(jīng)過一個(gè)獨(dú)立的信號(hào)傳輸通道，包含DDS、混頻器、放大器、濾波器等元器件。以上所述元器件，每個(gè)獨(dú)立的器件均具有自身固有的群時(shí)延特性，當(dāng)這些元器件串聯(lián)成為電路系統(tǒng)時(shí)，會(huì)因各自特性的趨向性，產(chǎn)生一定延時(shí)的通道誤差。系統(tǒng)加電后，環(huán)境溫度因系統(tǒng)工作而產(chǎn)生變化；同時(shí)以年為單位，系統(tǒng)進(jìn)行長時(shí)間的使用后也會(huì)因元器件的退化等因素產(chǎn)生變化；基于以上短期和長期的系統(tǒng)環(huán)境變化，必然會(huì)因不同程度的影響，導(dǎo)致通道群延時(shí)誤差的產(chǎn)生。

圖2：兩通道間的初始相位差（30.45°）

圖3：修正后兩通道間的相位差（0°）

本設(shè)計(jì)中時(shí)序信號(hào)、采樣時(shí)鐘及DDS 時(shí)鐘嚴(yán)格保證等延時(shí)傳輸，并且采用了一款國產(chǎn)的DDS 芯片GM4941，該DDS 具有4 路獨(dú)立通道，每個(gè)通道均可提供獨(dú)立的相位、頻率、幅度控制，所有通道共用一個(gè)公共系統(tǒng)時(shí)鐘，具有固有的同步性，避免了在多路DDS 同步過程中由于器件差異造成同步困難的問題。對(duì)于大于4通道系統(tǒng)的擴(kuò)展應(yīng)用，GM4941 還支持多芯片的同步。在數(shù)字陣列雷達(dá)中，可以采用多片GM4941 來進(jìn)行同步，同時(shí)配合軟件校準(zhǔn)的方法，降低同步設(shè)計(jì)難度，提供了靈活的控制方法。

在系統(tǒng)上電自檢期間，由ADC 對(duì)每路信號(hào)進(jìn)行采樣。通過開關(guān)控制可以直接對(duì)DDS 輸出的中頻信號(hào)進(jìn)行采樣，然后通過FPGA 計(jì)算各路信號(hào)之間的相位差，通過DDS 進(jìn)行相位補(bǔ)償，從而保證每路信號(hào)之間具有相同相位。

如圖2 所示，每次上電通道1 和通道2 之間的相位差為30.45°；圖3 中通過調(diào)整通道1 的相位寄存器，將初始相位改為30.45°，通道1 和通道2 之間的相位差變?yōu)?0.04°，實(shí)現(xiàn)同相位。通過FPGA 控制電路基帶初相，發(fā)射通道相位控制精度可達(dá)0.1°（均值）。

3.2 孔徑渡越補(bǔ)償

針對(duì)大孔徑相控陣?yán)走_(dá)在寬帶寬角掃描時(shí)的孔徑渡越問題，采用頻移時(shí)延補(bǔ)償技術(shù)，發(fā)射時(shí)通過DDS 頻率控制字進(jìn)行發(fā)射通道時(shí)延補(bǔ)償，接收時(shí)在信號(hào)處理進(jìn)行多普勒時(shí)延補(bǔ)償。

以發(fā)射信號(hào)為例，由于不同陣元的位置差異使得發(fā)射的信號(hào)不能同時(shí)到達(dá)目標(biāo)處，即不同陣元發(fā)射的信號(hào)到達(dá)等相位面的時(shí)間不同，引起波束指向隨時(shí)間變化，嚴(yán)重時(shí)不能正常形成天線波束。

寬帶線性調(diào)頻信號(hào)形式為：

第i 個(gè)振子的信號(hào)：

消除孔徑渡越效應(yīng)需要在通道間進(jìn)行合適的延時(shí)，在采用寬帶線性調(diào)頻信號(hào)的前提下，可以通過調(diào)整通道間發(fā)射/接收的信號(hào)的頻率，產(chǎn)生等效的延時(shí)，從而解決孔徑渡越效應(yīng)。消除孔徑渡越需要分發(fā)射和接收過程分別進(jìn)行。

發(fā)射時(shí)，根據(jù)天線陣面各天線單元的相位中心位置、波束指向的方向、發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào)的調(diào)頻斜率計(jì)算得到各DDS 的頻率控制字，由DDS 調(diào)整發(fā)射信號(hào)初始頻率對(duì)各路發(fā)射信號(hào)延時(shí)分別進(jìn)行補(bǔ)償。

接收時(shí)，各個(gè)通道首先進(jìn)行模擬去斜接收處理，再由信處分系統(tǒng)根據(jù)回波波束的指向性，計(jì)算出全陣面每個(gè)通道接收回波的時(shí)延，同時(shí)將其轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的頻率，再與回波信號(hào)進(jìn)行相加補(bǔ)償，用以處理大陣面多通道接收延時(shí)問題。

3.3 雜散

該系統(tǒng)對(duì)于雜散的抑制主要還是取決于不同頻率間的混頻比選擇以及集成元器件本身的固有干擾。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需考慮交調(diào)頻率分量的相互疊加，以保證其干擾落在輸出信號(hào)路徑中放置的帶通濾波器有效帶寬帶外，達(dá)到信號(hào)的有效輸出，同時(shí)保持其低雜散特性。模塊級(jí)電路設(shè)計(jì)中，混頻、濾波、放大等元器件的選擇及使用，均需對(duì)其帶寬、駐波等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，用以滿足電路系統(tǒng)對(duì)瞬時(shí)寬帶工作的特殊要求。

在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，有一部分雜散并非來自于主信號(hào)輸出通道，而是來自于輸出端口耦合通道。所以濾波器的設(shè)置需全局考慮，包括小型化密集的相鄰信號(hào)通道以及同一信號(hào)通道經(jīng)過某一元器件后產(chǎn)生不同相位的兩個(gè)信號(hào)通道上也均需設(shè)置濾波器，用以加強(qiáng)隔離。另外，在放大鏈路設(shè)計(jì)上，應(yīng)根據(jù)指標(biāo)要求，進(jìn)行兩級(jí)或多級(jí)衰放處理，用來提高放大鏈路的反向隔離度。

4 產(chǎn)品研制結(jié)果

該數(shù)字變頻單元研制取得了比較滿意的結(jié)果，其具體指標(biāo)滿足輸入要求，相噪惡化小于1dB，可實(shí)現(xiàn)窄帶線性調(diào)頻、相位編碼、瞬時(shí)大帶寬線性調(diào)頻等多種信號(hào)波形，并具有實(shí)時(shí)移頻、移相功能，可滿足雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別、陣面孔徑渡越等需求。

5 結(jié)束語

根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)對(duì)該設(shè)備輸入技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)分解，設(shè)計(jì)了一種寬帶數(shù)字變頻單元，完成對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)的剖析。目前，該產(chǎn)品已成功應(yīng)用某雷達(dá)產(chǎn)品，工程應(yīng)用意義重大。