基于高性能DDS芯片AD9959的超寬帶步進頻率探地雷達設計

0 引 言

探地雷達是近10年迅速發(fā)展起來的一種無損探測新技術，它具有探測速度快、高空間分辨率、對目標的三維電磁特征敏感、可實現(xiàn)連續(xù)透視掃描以及二維彩色圖像實時顯示等優(yōu)點，目前已在工程勘察、水利隱患探測、工程質量檢測、地下管網(wǎng)探測以及考古等領域得到了廣泛應用。

隨著雷達技術的迅速發(fā)展，人們對雷達信號的要求也越來越高。高精度、高掃描率、高抗干擾性、低截獲率成為人們追求的目標。滿足這種需求除了靠產(chǎn)生復雜的雷達波形外，還需要在雷達系統(tǒng)中應用高性能的器件。

直接數(shù)字頻率合成方法具有傳統(tǒng)方法所不具備的許多突出的優(yōu)點：高頻率分辨率、高頻率切換速度、頻率切換時相位保持連續(xù)、超寬的頻率范圍、能實現(xiàn)各種調制波和任意波形的產(chǎn)生以及易于實現(xiàn)全數(shù)字化的設計等。AD9959是一款高性能DDS(直接數(shù)字頻率合成器)芯片，可方便快速地產(chǎn)生線性調頻、單頻脈沖及步進頻率信號，其工作頻率高達500 MHz，雜散性能指標更高于以前的產(chǎn)品。

1系統(tǒng)組成及工作原理

1.1探地雷達探測原理

GPR(探地雷達)是利用高頻電磁波(1 MHz～1 000 MHz)以脈沖的形式發(fā)射電磁波，雷達波在地下介質中傳播時，遇到存在電性差異的地下介質或目標體時，電磁波便發(fā)生反射，根據(jù)接收天線接收到回波的波形、強度、電性及幾何形態(tài)進行處理、分析，從而達到對地下目標體的探測，如圖1所示。目前使用較多的是無載頻脈沖體制(Impulse)、FMCW(調頻連續(xù)波)及SFCW(步進頻率連續(xù)波)體制。

典型的步進頻率探地雷達發(fā)送N個相參脈沖，其脈間頻率通常以一個固定的頻率增量△f遞增，如圖2所示。

一個脈沖幀中第n個脈沖的信號頻率可以表示為：

式中：f0為射頻，也是起始頻率；τ為每個脈沖的脈寬，T為脈間間隔，可根據(jù)模糊距離調整。

N個脈沖組成一脈沖幀。幀時間即發(fā)射N個脈沖的時間，又稱為CPI(相關處理間隔)。這種信號的有效帶寬為Beff≡N△f，由于通常要求△f≤1／τ，因此，提高信號有效帶寬可以通過加大N。相應的信號是Acos 2π(f0+n△f)t。假設信號在均勻介質中傳播的速度為v，一個距離R的點目標回波可表示為WR

式(4)符號后第1項是常相移項，沒有意義，第2項是頻率變化率△f／T和雙程時差的乘積。這樣距離轉換成頻移，因此，可以通過頻率分辨達到分辨和測量距離的目的。由于距離的測量是由DFT(離散傅里葉變換)完成，距離分辨力△R和無模糊距離Ru分別依賴于DFT的頻率分辨率和最大無模糊頻率測量。這就是步進頻率連續(xù)波體制雷達的工作原理。

1.2系統(tǒng)總體方案設計

系統(tǒng)采用外差式結構，設計系統(tǒng)總體框圖如圖3所示。

CO(相干振蕩器)是一個10.7 MHz的點頻源。步進頻率合成器AD9959產(chǎn)生頻率范圍在20 MHz～140 MHz的步進本振信號，與CO混頻后，產(chǎn)生射頻信號，經(jīng)PA(功率放大器)放大，通過天線發(fā)射出去。接收到的回波信號經(jīng)LNA(低噪聲放大器)放大，與步進本振混頻，得到IF(中頻信號)。IF信號經(jīng)帶通濾波和放大后，與CO進行相干檢波，得到I、Q信號。I、Q信號分別經(jīng)濾波后，送入A／D轉換器進行數(shù)據(jù)采集，所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)USB接口送給PC進行數(shù)據(jù)處理工作。在雷達系統(tǒng)中，由單片機和CPLD(復雜可編程邏輯控制器)完成系統(tǒng)的控制和產(chǎn)生各種時序。

為了校正系統(tǒng)在各個頻點的相位初值，系統(tǒng)要進行校正。用同軸電纜和衰減器將系統(tǒng)的發(fā)射和接收端口連接起來，可以進行系統(tǒng)的校正工作。 2 AD9959工作原理、特性和應用

2.1 AD9959的工作原理和特性

高性能DDS芯片AD9959是美國AD公司采用先進的DDS技術生產(chǎn)的4通道、10位D／A轉換器、最高時鐘為500 MHz的高集成度頻率合成器，可方便快速地產(chǎn)生線性調頻、單頻脈沖及步進頻率信號。AD9959允許對4個內(nèi)部同步輸出通道獨立編程，能夠對多通道信號之間的不平衡提供有效的校正控制，通過一個公用參考時鐘內(nèi)部同步其獨立的通道，每通道功耗小于165 mW。可編程的通道控制可以對由于模擬處理(例如濾波、放大)或者PCB(印制電路板)布線的失配而產(chǎn)生的外部信號通道的不均衡進行校正。如果需要增加通道，AD9959允許通過菊花鏈方式連接附加的DDS芯片。每個通道都含有一個高速10位D／A轉換器，每一個完全可獨立編程的通道都提供14位的相位偏移控制、32位頻率分辨率控制和10位幅度控制。器件還支持直接和線性掃描調制，同時可以達到大于65 dB的通道隔離度。集成的32位頻率控制字在采樣時鐘為500 MSPS(百次采樣每秒)時能夠使每個通道的分辨率設置到116 MHz或小于116 MHz。

AD9959的內(nèi)部結構如圖4所示。

AD9959還有以下特性：內(nèi)置500MSPS時鐘下4通道DDS；增強性數(shù)據(jù)吞吐串行I／O口；雙重電源供給系統(tǒng)(DDS核心為1.8 V，串行I／O口為3.3 V)；可實現(xiàn)多片同步；可利用PLL(鎖相環(huán))4倍～20倍倍頻等。

DDS技術是一種用來從固定頻率時鐘源產(chǎn)生模擬輸出波形或者時鐘信號的數(shù)字技術。ADI公司完整的DDS解決方案在從測試和測量設備到無線和衛(wèi)星通信等領域得到了廣泛的應用，它使用一個內(nèi)置高性能D／A轉換器以將參考頻率轉換成受極精細頻率控制的采樣正弦波。DDS器件正在逐漸成為一種非常吸引人的取代傳統(tǒng)的跳模擬合成器解決方案，因其能提供相當大的性能優(yōu)勢，例如具有無與倫比的輸出匹配，容易合成正交和其相位關系的輸入信號，以及非常快速的頻率轉變。數(shù)字控制不再需要手動系統(tǒng)調整，從而能夠很方便地提供輸出頻率。

2.2 AD9959在超寬帶步進頻率探地雷達中的應用

AD9959適合要求高達200 MHz的復雜高速頻率合成的應用，包括相位陣列雷達和聲納系統(tǒng)、自動測試設備、醫(yī)學成像和光通信系統(tǒng)。

步進頻率產(chǎn)生模塊主要由DDS和相應的外圍電路組成如圖5所示。

DDS選用ADI的AD9959芯片，時鐘采用20 MHz的晶振，在DDS內(nèi)部倍頻到400 MHz。在以C8051F系列單片機及CPLD為核心的主控模塊的控制下，產(chǎn)生20 MHz～140 MHz的步進本振信號。同時，相干振蕩器產(chǎn)生10.7 MHz的點頻信號，該信號與步進本振進行相干調制，可以產(chǎn)生30 MHz～150 MHz的射頻信號，從而實現(xiàn)了超寬帶步進頻率探地雷達中步進頻率源的設計。其中軟件編程的主要工作是按照一定的要求計算頻率控制字，并將其送到AD9959的頻率控制字寄存器中。以AD9959為核心的步進頻率產(chǎn)生模塊根據(jù)其頻率控制字寄存器中的頻率控制字，就可以生成相應的波形。

3結束語

DDS是一種用來從固定頻率時鐘源產(chǎn)生模擬輸出波形或者時鐘信號的數(shù)字技術，AD9959適合要求高達200 MHz的復雜高速頻率合成的應用，包括超寬帶步進頻率雷達、相位陣列雷達和光通信系統(tǒng)。AD9959集成了D／A轉換、SPI和CP，具有頻率轉換時問短、輸出頻帶寬的優(yōu)點，能夠滿足對低相位噪聲、低雜散噪聲、快速頻率切換以及寬帶線性掃描的要求，還可以應用到跳頻通信中。采用該芯片設計的信號源結構簡單、功能強大、抗干擾性優(yōu)越，具有良好的性價比。