基于AD9858的雷達(dá)信號(hào)波形產(chǎn)生器設(shè)計(jì)

近年來，隨著雷達(dá)技術(shù)的高速發(fā)展對(duì)雷達(dá)信號(hào)源的要求也越來越高。寬工作頻段、高輸出功率、復(fù)雜多變的信號(hào)調(diào)制形式和信號(hào)的穩(wěn)定度已成為衡量雷達(dá)信號(hào)源性能的重要指標(biāo)。AD9858是業(yè)界首款具有1 Gs／s直接數(shù)字合成器(DDS)，10位D／A轉(zhuǎn)換器，快速頻率跳躍和精細(xì)調(diào)諧分辨率功能的單片解決方案，AD9858優(yōu)良的性能使其適用于軍事以及航空雷達(dá)的信號(hào)源設(shè)計(jì)。

2 雷達(dá)信號(hào)波形產(chǎn)生器

雷達(dá)信號(hào)波形產(chǎn)生器在有源雷達(dá)整體結(jié)構(gòu)中占有重要地位，能在低功率電平上產(chǎn)生雷達(dá)信號(hào)的基本波形，因而易于得到脈沖壓縮和相參系統(tǒng)等所要求的復(fù)雜波形。基本波形經(jīng)過功率放大器后即可送至天線作為雷達(dá)輸出信號(hào)。圖1所示為采用功率放大發(fā)射機(jī)和超外差接收機(jī)雷達(dá)的簡化框圖。

雷達(dá)系統(tǒng)普遍采用的發(fā)射信號(hào)大斂分為：單頻脈沖、線性調(diào)頻信號(hào)及編碼調(diào)制信號(hào)。為了增大探測(cè)距離，優(yōu)化距離分辨率、速度分辨率等技術(shù)指標(biāo)，通常可將這些信號(hào)組合來形成波形。采用高速DDS器件AD9858形成的波形信號(hào)具有高精度、高掃描率、抗干擾性好、截獲率低等特性，而且硬件電路結(jié)構(gòu)簡單，有助于設(shè)備的小型化和集成化。

3 DDS工作原理

3.1 DDS基本原理

直接數(shù)字頻率合成(DDS)采用全數(shù)字結(jié)構(gòu)，具有精確的頻率分辨率、快速的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間以及可靈活產(chǎn)生多種信號(hào)等特點(diǎn)。因此，DDS已逐漸取代模擬方式。DDS合成的原理框圖如圖2所示。

DDS由相位累加器、波形存儲(chǔ)器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器等組成。其原理：向DDS寫入頻率控制字，經(jīng)過相位累加器轉(zhuǎn)換成瞬時(shí)相位，在外部參考時(shí)鐘作用下，每個(gè)時(shí)鐘周期相位累加器累加相位步進(jìn)一次，然后對(duì)應(yīng)到波形存儲(chǔ)器中所存儲(chǔ)的正弦函數(shù)查詢表，不同的瞬時(shí)相位碼輸出不同的幅值編碼，再將該幅值編碼輸出給數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D／A)，把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量輸出給低通濾波器，最后輸出所需的信號(hào)。

3.2 AD9858簡介

AD9858是美國ADI公司的CMOS型DDS集成電路，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

與其他高速DDS器件相比，AD9858內(nèi)部集成有10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其頻率分辨率為32位，最高輸出頻率可達(dá)400 MHz。AD9858的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)含有：DDS模塊、模擬混頻器模塊和數(shù)字鎖相環(huán)模塊。其中DDS模塊可在數(shù)字域產(chǎn)生表示正弦曲線的數(shù)字值；數(shù)字鎖相環(huán)由數(shù)字相頻檢測(cè)器(PHD)和具有高速鎖存邏輯電路的電荷泵組成；模擬混頻器主要用于通信基站設(shè)計(jì)。

AD9858有并行和串行兩種數(shù)據(jù)傳輸方式。數(shù)據(jù)從用戶傳輸?shù)紻DS器件需兩步驟：寫操作時(shí)，不管是采用并行還是串行數(shù)據(jù)傳輸方式，首先都要將數(shù)據(jù)寫入I／O緩沖；當(dāng)數(shù)據(jù)從I／O緩沖器存入存儲(chǔ)寄存器，DDS才開始接收數(shù)據(jù)。在AD9858中，觸發(fā)FUD引腳或者改變預(yù)編程的Profile都可以使I／O緩沖器中的數(shù)據(jù)存入DDS的存儲(chǔ)寄存器中。

并行模式時(shí)，系統(tǒng)激活8個(gè)雙向數(shù)據(jù)口(DC～D7)、6個(gè)地址輸人口(ADDR5～ADDR0)、1個(gè)讀口(RD)和1個(gè)寫口(WR)。寄存器的選取由寄存器提供的地址決定。讀寫功能由RD和WR脈沖觸發(fā)控制，但這兩個(gè)功能不能同時(shí)作用。讀寫數(shù)據(jù)通過。D0～D7引腳傳輸。

串行模式包括兩個(gè)階段。第一階段由一個(gè)8位的指令周期構(gòu)成，最高位是標(biāo)志位，可確定讀寫操作，低6位是串行數(shù)據(jù)傳輸目標(biāo)寄存器地址；第二階段是將數(shù)據(jù)寫入寄存器。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

雷達(dá)信號(hào)發(fā)生器是在VC環(huán)境下通過計(jì)算機(jī)并口控制AD9858，來產(chǎn)生雷達(dá)發(fā)射機(jī)所需的各種信號(hào)。AD9858有單頻、頻率掃描和睡眠三種工作模式。可產(chǎn)生單頻點(diǎn)正弦信號(hào)、CHIRP信號(hào)、BPSK(QPSK)信號(hào)。

線性調(diào)頻工作原理：先指定頻率起始點(diǎn)和步進(jìn)頻率，并使頻率以一定的速率累加，直到用戶所設(shè)定的上限頻率(最高頻率為參考時(shí)鐘頻率的一半，即奈奎斯特頻率)。以AD9858采用串行工作方式，產(chǎn)生線性調(diào)頻信號(hào)為例，給出控制流程圖如圖4所示。初始化是指復(fù)位AD9858的初始狀態(tài)，包括設(shè)置S／P SELECT，SLEEP，RESET，CLR，SYNC等位。根據(jù)產(chǎn)生信號(hào)參數(shù)分別配置控制寄存器(CFR)、頻率調(diào)節(jié)字(FTW)、步進(jìn)頻率調(diào)節(jié)字(DFTW)、步進(jìn)頻率斜率控制字(DFRRW)和相位偏移字(POW)等。

寄存器設(shè)置完成，系統(tǒng)等待外部激勵(lì)信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)到一個(gè)上升沿后，系統(tǒng)發(fā)出update信號(hào)，將寫入寄存器的數(shù)據(jù)導(dǎo)入DDS內(nèi)核，DDS按照新配置開始工作。與此同時(shí)，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，并輸出線性調(diào)頻信號(hào)，并使相位累加器置1。計(jì)數(shù)器溢出后，系統(tǒng)發(fā)出update信號(hào)，由于此時(shí)相位累加器清零位有效，相位累加器被清零，同時(shí)停止輸出線性調(diào)頻信號(hào)。其中，寫控制字以及update信號(hào)的產(chǎn)生都是通過計(jì)算機(jī)并口實(shí)現(xiàn)的。在VC環(huán)境下，為方便對(duì)并口實(shí)施讀寫操作，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)直接使用由Yariv Kaplan編寫的WinIo庫，具有如下特點(diǎn)：WinIo庫通過使用內(nèi)核模式下設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和其他一些底層編程技巧繞過Windows安全保護(hù)機(jī)制，允許32位Windows程序直接操作I／O口。庫內(nèi)含有GetPortVal和Set-PortVal兩函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)并口數(shù)據(jù)讀寫。

5 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

雷達(dá)信號(hào)波形產(chǎn)生器基于VC軟件編程環(huán)境，采用計(jì)算機(jī)向并行接口讀寫數(shù)據(jù)來控制AD9858，再輔以晶體振蕩器、濾波器、放大器和混頻器等外圍電路來實(shí)現(xiàn)單頻點(diǎn)正弦信號(hào)、多普勒信號(hào)和線性調(diào)頻信號(hào)等復(fù)雜信號(hào)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

其中DDS器件AD9858的控制信號(hào)包括數(shù)據(jù)線D0～D7、地址線ADDR0～ADDR5、寫信號(hào)WR、讀信號(hào)RD、復(fù)位信號(hào)RESET和頻率更新信號(hào)FUD。PS0，PS1接地，采用IDC26與外界連接。AD9858只使用其DDS功能部分，鎖相環(huán)和混頻器功能設(shè)置為無效。AD9858的參考時(shí)鐘頻率由外部晶體振蕩器通過鎖相環(huán)提供，選用高性能100 MHz恒溫晶體振蕩器。AD9858的時(shí)鐘信號(hào)倍頻模塊主要將參考晶振(100 MHz)的頻率倍頻至DDS所需的參考時(shí)鐘頻率。AD9858所產(chǎn)生的信號(hào)由于外圍器件影響，必然產(chǎn)生雜散和噪聲，因此可通過濾波器濾除噪聲，再經(jīng)過功率放大提高信號(hào)電平，從而得到穩(wěn)定且波形相位幅值均可調(diào)的輸出信號(hào)。該信號(hào)即用于雷達(dá)的信號(hào)源又可用于設(shè)備調(diào)試的實(shí)驗(yàn)信號(hào)。

基于VC編程，計(jì)算機(jī)可產(chǎn)生AD9858所需的6路時(shí)序，通過并口送入AD9858。6路信號(hào)分別為：RESET主復(fù)位信號(hào)、FUD更新信號(hào)、SDIO數(shù)據(jù)寫入、讀出端口、IORESET輸入輸出同步復(fù)位信號(hào)、CS片選信號(hào)、SCLKAD9858內(nèi)部串行數(shù)據(jù)讀寫時(shí)鐘。

晶體振蕩器的頻率在鎖相環(huán)作用下產(chǎn)生AD9858所需的系統(tǒng)時(shí)鐘送入AD9858，AD9858產(chǎn)生同步時(shí)鐘SYNLCLK和所需的信號(hào)頻率，同步時(shí)鐘用于協(xié)調(diào)AD9858與外設(shè)同步。

AD9858輸出信號(hào)經(jīng)變壓達(dá)到濾波器正常工作的動(dòng)態(tài)范圍，送入濾波器，濾波得到所需信號(hào)。

實(shí)際電路設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)信號(hào)幅值、頻率和相位等參數(shù)適當(dāng)增加電壓或電流放大器以及混頻器、變頻器等輔助電路。為保證所產(chǎn)生信號(hào)頻率的純度和穩(wěn)定度，減少不必要的噪聲干擾，應(yīng)考慮接地和電磁兼容等措施。

6 結(jié)束語

雷達(dá)信號(hào)發(fā)生器基于VC編程，采用計(jì)算機(jī)并口和AD9858，根據(jù)不同需要再配置少量相關(guān)輔助電路即可產(chǎn)生多種信號(hào)。DDS器件AD9858優(yōu)良的性能和計(jì)算機(jī)并口強(qiáng)通用性，使得雷達(dá)信號(hào)發(fā)生器具備實(shí)用性強(qiáng)、可軍民兩用、電路結(jié)構(gòu)簡單、信號(hào)參數(shù)靈活可調(diào)、穩(wěn)定度高等特點(diǎn)。