高中頻數(shù)字收發(fā)組件信號同步設(shè)計

胡子揚，陳文鋒，丁慶東

(中國船舶集團有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

隨著相控陣雷達技術(shù)和硬件水平的不斷發(fā)展，雷達的數(shù)字收發(fā)組件向著帶寬越來越寬、中頻越來越高的方向發(fā)展。對于傳統(tǒng)的低中頻數(shù)字收發(fā)組件而言，往往有專門的變頻模塊實現(xiàn)信號的上下混頻。此時，對于不同的通道，用于上下混頻的本振信號具有相同的頻率和相位。這樣，信號經(jīng)過上混頻、發(fā)射、接收、下混頻的過程所帶來的相位變化可以相互抵消，也即在信號的發(fā)射和接收的過程中無需額外考慮信號因混頻帶來的相位變化。

數(shù)字組件采用高中頻意味著從基帶信號到中頻信號之間要經(jīng)過一級數(shù)字NCO進行DUC或者DDC。不同組件甚至通道之間的數(shù)字NCO的產(chǎn)生都是獨立的。如果不對數(shù)字NCO進行同步設(shè)計，往往會導(dǎo)致收發(fā)組件間相位不同步，抑或無法實現(xiàn)相參積累。[1]

本文通過對數(shù)字NCO的原理和帶來的相位影響進行分析，在基于硬件的基礎(chǔ)上進行同步設(shè)計，以實現(xiàn)高中頻數(shù)字收發(fā)組件信號的同步。

1 數(shù)字NCO混頻原理簡介

圖1所示為數(shù)字NCO混頻原理框圖。假設(shè)xs(t)=cos (2πft+θ),其中f為信號頻率，θ為信號初相。x0(t)=cos (2πf0t+φ)，其中f0為本振頻率，φ為本振初相。

圖1 數(shù)字NCO混頻原理框圖

則信號經(jīng)過數(shù)字NCO混頻后，得到

xi(t)=cos(2πft+θ)cos(2πf0t+φ)

=cos[2π(f+f0)t+(θ+φ)]+

cos [2π(f-f0)t+(θ-φ)]

(1)

假設(shè)此過程為下混頻，經(jīng)過濾波后得到信號

xi(t)=cos [2π(f-f0)t+(θ-φ)]

(2)

若為上混頻，則經(jīng)過濾波后得到信號

xi(t)=cos [2π(f+f0)t+(θ+φ)]

(3)

可得到混頻后的信號頻率為f-f0，初相為θ-φ?？梢姡?jīng)過數(shù)字NCO混頻后信號的頻率和相位均發(fā)生了改變。

2 相控陣雷達對數(shù)字組件上下混頻的要求

對于相控陣雷達來說，基帶信號經(jīng)過上混頻后放大成電磁波發(fā)射出去，經(jīng)物體反射回來后再經(jīng)下混頻變?yōu)榻邮栈鶐盘栠M行處理，忽略模擬混頻帶來的影響。

假設(shè)上行基帶信號為xs(t)=cos (2πft+θ)，信號是以脈沖形式產(chǎn)生的，其中θ為脈沖起始時刻基帶信號的初相。上行數(shù)字NCO產(chǎn)生的本振信號為x0(t)=cos [2πf0t+φ0(t)]。本振信號是連續(xù)產(chǎn)生的，其中φ0(t)為脈沖起始時刻本振信號的初相，為時間t的一次函數(shù)，斜率與頻率f0有關(guān)。通過上變頻后得到的信號：

文中涉及的記號與術(shù)語可參見[1,10-11]。若X是拓撲空間,F?X,F在X中的閉包記為clF,在涉及多個空間時,為區(qū)分起見也記作clXF?？臻gX的全體開集與全體閉集分別記為Ο(x)與Γ(x)。

xu(t)=cos {2π(f+f0)t+[θ+φ0(t)]}

(4)

相控陣雷達要求產(chǎn)生同頻同相的信號進行移相后再進行空間波束合成。由于每個基帶的信號xs(t)完全相同，因此每個通道的數(shù)字NCO產(chǎn)生的本振信號x0(t)也必須完全相同。

上行信號發(fā)射出去后，經(jīng)過空間傳播、反射，再接收回來后的信號在脈沖起始時刻初相不變，即

xd(t)=xu(t)=cos {2π(f-f0)t+[θ-φ0(t)]}

(5)

假設(shè)下行數(shù)字NCO產(chǎn)生的本振信號為x1(t)=cos [2πf1t+φ1(t)]，下行本振信號同樣為連續(xù)的，其中φ1(t)為脈沖起始時刻下行本振信號的初相，其為時間t的一次函數(shù)，斜率與頻率f1有關(guān)。通過下混頻后得到的信號：

xy(t)=xd(t)x1(t)

=cos {2π(f+f0-f1)t+[θ+φ0(t)-φ1(t)]}

(6)

為了實現(xiàn)脈沖相干積累，要求信號xy(t)的相位θ+φ0(t)-φ1(t)是一個常數(shù)，即φ0(t)-φ1(t)是一個常數(shù)。由于φ0(t)是f0的一次函數(shù)，φ1(t)是f1的一次函數(shù)，故要求f0=f1，或者當f0≠f1時在脈沖起始時刻φ0(t)=φ1(t)，即每個脈沖周期之前都要復(fù)位一次上下行數(shù)字NCO的相位。

3 高中頻數(shù)字收發(fā)組件同步設(shè)計

在第2節(jié)中可以看到，高中頻數(shù)字收發(fā)組件分為兩種情況，一種為相同的混頻信號頻率，一種為不同的混頻信號頻率。這兩種情況在實際應(yīng)用中都會遇到，前一種多為FPGA內(nèi)部使用數(shù)字NCO進行上下混頻，后一種多為使用AD、DA器件內(nèi)部數(shù)字NCO進行上下混頻。[3]

圖2 同頻本振系統(tǒng)設(shè)計框圖

對于不同的混頻信號頻率，必須保證在脈沖之前復(fù)位上下行數(shù)字NCO，以使得脈沖起始時刻不同通道上下行數(shù)字NCO的初始相位在每個周期中保持相同，即可實現(xiàn)通道信號同步并可實現(xiàn)脈沖相參積累。其實現(xiàn)系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 不同頻本振系統(tǒng)設(shè)計框圖

圖3中，SYNC為用于NCO同步的觸發(fā)信號，每周期一次。在利用AD、DA內(nèi)部數(shù)字NCO進行上下變頻的情況，需根據(jù)具體硬件情況設(shè)計同步方式，例如AD9680利用SYSREF信號同步，AD9154利用Data Key實現(xiàn)NCO同步等。[3]

4 系統(tǒng)仿真結(jié)果

首先仿真同頻連續(xù)本振信號。仿真中，設(shè)定系統(tǒng)采樣率為1 MHz，基帶信號為20 kHz，本振頻率為200 kHz。為了方便顯示結(jié)果，基帶信號和本振信號均為復(fù)信號。[3]可以看到，基帶信號經(jīng)過上混頻和下混頻后頻率變化如圖4所示。

圖4 同頻連續(xù)本振混頻仿真圖

在該信號基礎(chǔ)上，對多個通道信號進行上行布相，即在信號上混頻后對21個上行通道進行布相，可以得到如圖5所示結(jié)果。

仿真不同頻本振信號。仿真中，設(shè)定系統(tǒng)采樣率為1 MHz，基帶信號為20 kHz，上混頻本振頻率為200 kHz，下混頻本振頻率為150 kHz。每個脈沖起始本振初相復(fù)位為0。為了方便顯示結(jié)果，基帶信號和本振信號均為復(fù)信號。可以看到，基帶信號經(jīng)過上混頻和下混頻后頻率變化如圖6所示。

圖5 同頻連續(xù)本振系統(tǒng)布相后相位結(jié)果

在該信號基礎(chǔ)上對多個通道信號進行上行布相，即在信號上混頻后對21個上行通道進行布相，可以得到如圖7所示結(jié)果。

圖7 不同頻本振系統(tǒng)布相后相位結(jié)果

5 結(jié)束語

本文通過理論分析和仿真結(jié)果得出了高中頻數(shù)字收發(fā)組件信號同步設(shè)計的基本要求：對于同頻本振系統(tǒng)來說，要求：(1)所有通道上行數(shù)字NCO初相相同；(2)所有通道下行數(shù)字NCO初相相同。對于不同頻本振系統(tǒng)來說要求：(1)所有通道上行數(shù)字NCO初相相同；(2)所有通道下行數(shù)字NCO初相相同；(3)每個周期對上下行數(shù)字NCO初相進行復(fù)位。

本文的結(jié)論不僅具有仿真驗證結(jié)果，同時在硬件電路上進行了驗證。驗證結(jié)果表明，本文結(jié)論對于實現(xiàn)高中頻數(shù)字收發(fā)組件信號同步具有實用意義。