基于DDS的功率合成與雷達(dá)相噪改善機(jī)理的研究

章順 蔡曉波 徐學(xué)偉

（中國電子科技集團(tuán)公司第十四研究所 江蘇省南京市 210000）

1 引言

預(yù)警機(jī)是空基預(yù)警探測體系的信息樞紐和指揮中心，它集預(yù)警探測、情報(bào)融合、情報(bào)分發(fā)和指揮控制等多功能于一體，負(fù)責(zé)對空中、海上以及地面目標(biāo)進(jìn)行大范圍搜索、跟蹤與識(shí)別，并指揮己方的導(dǎo)彈、飛機(jī)、火炮、艦船以及其他火控系統(tǒng)[1]。在近代歷次戰(zhàn)爭，特別是海灣戰(zhàn)爭、科索沃戰(zhàn)爭以及利比亞戰(zhàn)爭中，預(yù)警機(jī)均發(fā)揮了極其重要的作用，已成為現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中不可缺少的重要武器裝備。此外，預(yù)警機(jī)還可以將探測傳感器、通信網(wǎng)絡(luò)、作戰(zhàn)平臺(tái)、指揮系統(tǒng)和作戰(zhàn)人員高效實(shí)時(shí)地融合于作戰(zhàn)體系中，起到了戰(zhàn)場效能倍增器的作用，極大地增強(qiáng)了體系作戰(zhàn)的能力[2]。

為適應(yīng)現(xiàn)代化高科技戰(zhàn)爭的特點(diǎn)，對雷達(dá)要觀測的目標(biāo)種類、測量參數(shù)等都提出了許多新要求。雷達(dá)應(yīng)能觀測隱身目標(biāo)、小型目標(biāo)和低空目標(biāo)，在強(qiáng)雜波、強(qiáng)干擾和硬打擊條件下工作，具有目標(biāo)分類、識(shí)別能力等更使雷達(dá)發(fā)展面臨巨大挑戰(zhàn)[3]。

采用相控陣天線技術(shù)的雷達(dá)成為相控陣?yán)走_(dá)，和傳統(tǒng)雷達(dá)天線相比，相控陣天線具有波束指向、波束形狀快速變化能力，易于形成多個(gè)波束，可以在空間實(shí)現(xiàn)信號(hào)功率的合成[4]。這些特點(diǎn)使相控陣?yán)走_(dá)可以完成多種雷達(dá)功能，具有穩(wěn)定跟蹤多批高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的能力。即使在單部發(fā)射機(jī)功率受到限制的條件下，我們也能獲得所求的特大功率，為增加雷達(dá)探測作用距離、提高雷達(dá)測量精度和觀測包括隱身目標(biāo)在內(nèi)的各種低可觀測目標(biāo)提供了技術(shù)潛力[5]。

雷達(dá)是空中預(yù)警機(jī)的核心，雷達(dá)對探測作用距離和精度有很高的要求，發(fā)射機(jī)是雷達(dá)系統(tǒng)的重要組成部分，現(xiàn)代雷達(dá)為了獲得好的相參處理增益以及對雜波的抑制能力，大都要求發(fā)射機(jī)輸出的信號(hào)頻率具有好的相干性和穩(wěn)定性[6]。而頻率穩(wěn)定度是發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一，因此研究頻率穩(wěn)定度十分重要。相位噪聲是發(fā)射機(jī)的一項(xiàng)非常重要的性能指標(biāo)，它對電子設(shè)備和電子系統(tǒng)的性能影響很大。從頻域看，它分布在載波信號(hào)的兩旁，按冪律譜分布。發(fā)射波形的相噪則是決定雷達(dá)探測作用距離和精度的重要因素[7]。

2 相位噪聲的定義

相位噪聲（Phase noise）是指系統(tǒng)（如各種視頻器件）在各種噪聲的作用下引起的系統(tǒng)輸出信號(hào)相位的隨機(jī)變化。它是衡量頻率標(biāo)準(zhǔn)源（高穩(wěn)晶振、原子頻標(biāo)等）頻穩(wěn)質(zhì)量的重要指標(biāo)[8]。

相位噪聲的起因有以下幾種：放大器噪聲和非線性克爾效應(yīng)，也即自相位調(diào)制（SPM）和交叉相位調(diào)制（XPM）和四波混頻，但一般在分析的時(shí)候，只考慮到自相位調(diào)制引起的相移效應(yīng)。

一般理想的載波信號(hào)可以表示為[9]：

其中：A 為信號(hào)的幅度，f0為信號(hào)的頻率，2πf0t 為信號(hào)的相位。在現(xiàn)實(shí)工程中，信號(hào)的相位和幅度是變化的，可以表示為[10]：

對于某個(gè)信號(hào)的穩(wěn)定度，我們在頻域中一般用信號(hào)的相位噪聲表示，實(shí)際上它表示在頻域內(nèi)，信號(hào)在信號(hào)頻譜中的寄生輸出，對于這個(gè)寄生輸出，我們把頻域內(nèi)相位噪聲定義為偏離載頻多少赫的傅里葉頻率上[13]（以fm表示）每單位頻帶的單邊帶功率與信號(hào)功率的比值來衡量，單位是dBc/Hz。由于離散的寄生輸出對于fm來說，分布是不均勻的，所以相位噪聲是fm的函數(shù)[14]，表示為：

一般取對數(shù)表示為：

3 相位噪聲的影響

電子技術(shù)的發(fā)展，使器件的噪聲系數(shù)越來越低，放大器的動(dòng)態(tài)范圍也越來越大，增益也大有提高，使得電路系統(tǒng)的靈敏度和選擇性及線性度等主要技術(shù)指標(biāo)都得到較好的解決。隨著技術(shù)不斷提高，對電路系統(tǒng)要求必須低相位噪聲，在現(xiàn)代技術(shù)中，相位噪聲已成為限制電路系統(tǒng)的主要因素。低相噪對提高電路系統(tǒng)性能起到重要作用[15]。

當(dāng)目標(biāo)超低空飛行時(shí)，雷達(dá)面臨著很強(qiáng)的地面雜波，要想從強(qiáng)地雜波中提取信號(hào)目標(biāo)，雷達(dá)必須要有很高的改善因子。因?yàn)檫@些雜波進(jìn)入接收機(jī)，經(jīng)混頻后，很難把有用信號(hào)與強(qiáng)地物反射波分離開，尤其對低速度運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，并接近地面時(shí)，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)就變得非常困難，這時(shí)只有提高雷達(dá)改善因子[16]。

為了提高低空檢測能力，提高對低空突防目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)能力，信號(hào)的低相噪非常重要，雷達(dá)能從強(qiáng)雜波環(huán)境中區(qū)分出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，則要求雷達(dá)必須全相參產(chǎn)生出極低相噪的發(fā)射信號(hào)和接收機(jī)本振信號(hào)及各種相參基準(zhǔn)信號(hào)[17]。

4 功率合成的理論分析

S1(t)和S2(t)兩路信號(hào)初始相位一致，因此

合成噪聲功率為：

N1(t)和N2(t)兩路噪聲非相關(guān)，因此所以

合成信號(hào)的相噪為：

完成功率合成的相位噪聲取對數(shù)為：

通過以上的理論分析可得結(jié)論，完成2 路信號(hào)功率合成得到的信號(hào)，相位噪聲性能優(yōu)化3dB。接下來我們通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證此結(jié)論。

5 芯片原理和系統(tǒng)框架

頻率合成技術(shù)起源于上個(gè)世紀(jì)三十年代，當(dāng)時(shí)采用的頻率合成方法是直接頻率合成。它是利用混頻、倍頻、分頻的方法由參考源頻率經(jīng)過加、減、乘、除運(yùn)算，直接組合出所需要的頻率。他的優(yōu)點(diǎn)是捷變速度快，相位噪聲低。但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，很快被淘汰。在此之后出線了間接頻率合成。這種方法主要是將相位反饋理論和鎖相環(huán)技術(shù)運(yùn)用于頻率合成領(lǐng)域，即所謂的PLL 頻率合成技術(shù)。PLL 頻率合成技術(shù)克服了直接式頻率合成的許多缺點(diǎn)，特別是它易于集成化，使得體積小、相位噪聲低、雜散抑制輸出頻率高，但它的頻率切換時(shí)間相對較長。隨著數(shù)字信號(hào)理論和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，在頻率合成領(lǐng)域誕生了技術(shù)性的革命，那就是直接數(shù)字合成技術(shù)DDS(Direct Digital Synthesis)。這是一種頻率合成的新方法，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短、頻率分辨率高、輸出相位連續(xù)、控制靈活方便，但其頻率上限較低且雜散較大，極大地限制了DDS的推廣和應(yīng)用。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，各類電子系統(tǒng)對信號(hào)源的要求越來越高，如何抑制DDS 輸出信號(hào)中雜散也就成了研究熱點(diǎn)。

DDS 系統(tǒng)的核心是相位累加器，它由N 位加法器與N 位相位寄存器構(gòu)成，類似一個(gè)簡單的計(jì)數(shù)器。每來一個(gè)時(shí)鐘脈沖，相位寄存器的輸出就增加一個(gè)步長的相位增量值，加法器將頻率控制數(shù)據(jù)與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，把相加結(jié)果送至累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。相位累加器鍵入線性相位累加，累加至滿量時(shí)產(chǎn)生一次計(jì)數(shù)溢出，這個(gè)溢出頻率即為DDS的輸出頻率。正弦查詢表是一個(gè)可編程只讀存儲(chǔ)器（PROM），存儲(chǔ)的是以相位為地址的一個(gè)周期正弦波的數(shù)字幅度信息。將相位寄存器的輸出與相位控制字相加得到的數(shù)據(jù)作為一個(gè)地址對正弦查詢表進(jìn)行尋址，查詢表把輸入的地址相位信息映射成正弦波幅度信號(hào)，驅(qū)動(dòng)DAC，輸出模擬信號(hào)，低通濾波器平滑并濾除不需要的取樣分量，以便輸出頻譜純凈的正弦波信號(hào)。

國內(nèi)某公司有一款內(nèi)部包含四路DDS,每路有獨(dú)立控制的相位、頻率、幅度控制字，最高工作頻率可達(dá)2.5GHz 的芯片。它支持線性掃描、非線性掃描、頻率鍵控、相位鍵控、幅度控制、RAM 掃描等功能。芯片內(nèi)部集成 4 個(gè)高精度 DSS，確保良好的動(dòng)態(tài)性能。多芯片同步下，內(nèi)部集成硬同步功能及 TDC 軟同步功能。

單路DDS 相噪性能的提升上限是芯片本身的性能，由于重新優(yōu)化DDS 芯片設(shè)計(jì)、工藝，以及DDS 芯片外圍時(shí)鐘電源電路的難度是非常大的，因此，單路信號(hào)的相噪性能提升十分有限，為了產(chǎn)生更好相噪的波形，如果我們用多路不相參的信號(hào)做功率合成，再通過現(xiàn)場可編程門陣列FPGA（Field Programmable Gate Array）調(diào)節(jié)每一路信號(hào)的初始相位，使之全部一致，再做功率合成，從理論上說，2 路合成相噪性能可以優(yōu)化3dB[18]。

為了完成這個(gè)方法的驗(yàn)證，我們設(shè)計(jì)了一個(gè)使用4 片DDS 芯片做功率合成的電路系統(tǒng)，電路框圖如圖1。通過FPGA 控制同步時(shí)鐘管理芯片的輸出同步時(shí)鐘，以及配置4 片DDS 芯片寄存器，使芯片輸出4 路點(diǎn)頻信號(hào)，為了保證每路信號(hào)不相參，我們用每個(gè)DDS 芯片的第一通道做兩兩功率合成[19]。

圖1：DDS 信號(hào)功率合成原理框圖

電路在設(shè)計(jì)時(shí)，為了保證功信號(hào)功率合成時(shí)相位一致，要保證每一條時(shí)鐘、每一路信號(hào)和FPGA 離散控制信號(hào)鏈路的板內(nèi)走線全部等長。通過FPGA 控制時(shí)鐘管理芯片，使4 片DDS 芯片同步輸出相同頻率的連續(xù)波信號(hào)，并且讓4 路輸出信號(hào)的初始相位同步，讓這4 路DDS 信號(hào)做功率合成，以達(dá)到信號(hào)合成功率最大、相噪性能最好的目的[20]。

此外，為了保證每一路DDS 輸出信號(hào)不相關(guān)，每一片DDS 工作需要的模擬2.5V、1.2V 和數(shù)字2.5V、1.2V 分別用4 片LDO (Low Dropout Regulator,低壓差線性穩(wěn)壓器)線性電源單獨(dú)供電。此外，為了最終測試相噪不受開關(guān)電源的開關(guān)頻率影響，我把每一片DDS芯片單獨(dú)置于一塊子板上，母板是開關(guān)電源、FPGA 以及對外控制信號(hào)，子板上獨(dú)立產(chǎn)生DDS的4 個(gè)線性電源品種，子板和母板間用射頻和高速連接器盲插對接，最后，在一塊單獨(dú)的、和數(shù)字電路部分隔離的模擬電路板上做信號(hào)的功率合成，以達(dá)到射頻信號(hào)不受數(shù)字電路電源開關(guān)頻率干擾的目的。

DDS的采樣時(shí)鐘供2.4GHz，系統(tǒng)時(shí)鐘為100MHz，4 片DDS的第一通道都產(chǎn)生50.1MHz 的點(diǎn)頻信號(hào)，下一節(jié)是測試結(jié)果。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過FPGA 調(diào)節(jié)時(shí)鐘相位，讓4 片DDS 芯片產(chǎn)生的4 路信號(hào)初始相位一致，最終得到的波形用示波器測量如圖2所示，所有信號(hào)的初始相位一致以便進(jìn)行功率合成。

圖2：4 路同相位DDS 信號(hào)的時(shí)域波形

通過相位噪聲測試儀測量，我們可得，2.4GHz 信號(hào)源，單路DDS 芯片，2 路DDS 芯片合成以及4 路DDS 芯片合成得到信號(hào)的相噪分別如圖3，圖4，圖5 和圖6所示。

圖3：2.4GHz 信號(hào)源的相噪性能圖

圖4：單路DDS 信號(hào)的相噪性能圖

圖5：2 路DDS 信號(hào)合成的相噪性能圖

圖6：4 路DDS 信號(hào)合成的相噪性能圖

表1是這些DDS 芯片信號(hào)在距中心頻率1kHz 處的相噪數(shù)據(jù)，50.1MHz 點(diǎn)頻信號(hào)在1kHz 處，單路DDS 信號(hào)的相噪是-145.02dBc/Hz，2 路非相關(guān)信號(hào)合成的相噪是-146.90dBc/Hz，4 路非相關(guān)信號(hào)合成的相噪是-149.8dBc/Hz，兩兩合成，相噪指標(biāo)雖然沒有提升到理論上的3dB，但是考慮到線路誤差和測量誤差，這種信號(hào)功率合成的方法對提升系統(tǒng)相噪性能是很有效的。

表1：不同信號(hào)相噪表

7 結(jié)束語

直接數(shù)字頻率合成是一種新型的頻率合成技術(shù)，它代表了頻率合成技術(shù)數(shù)字化發(fā)展的新方向。但是，DDS 所固有的雜散和噪聲，并且在頻率升高時(shí)雜散和噪聲也隨之增加，相噪性能也會(huì)有一定的損失，使它的應(yīng)用范圍有一定的限制。所以如何減少DDS 輸出中的雜散和噪聲成分提升相噪性能，是當(dāng)今DDS 研究中的核心問題之一

本文以DDS 芯片為基礎(chǔ)，討論了多路DDS 信號(hào)合成與雷達(dá)相噪改善性能的關(guān)系，通過實(shí)驗(yàn)測量，驗(yàn)證了多個(gè)信號(hào)合成，主信號(hào)功率合成，非相參噪聲未合成，可以提升系統(tǒng)相噪性能的結(jié)論，滿足了現(xiàn)代電路對高質(zhì)量信號(hào)的要求，具有廣闊的發(fā)展前景，這種技術(shù)可以大范圍運(yùn)用在預(yù)警探測相控陣?yán)走_(dá)上。