基于多片高速D／A AD9739的多通道信號(hào)模擬器

摘要 多元陣天線陣列常被用于偵查和定位系統(tǒng)，相位差變化率則是單站無(wú)源定位中常用的觀測(cè)參數(shù)。文中介紹了一種基于AD公司多片2.5 GSamplc·s-1的高速AD9739型號(hào)D/A轉(zhuǎn)換器，采用DDS技術(shù)的多通道信號(hào)模擬器。經(jīng)測(cè)試，該模擬器能較真實(shí)地模擬出，多元陣天線陣列所接收到的寬帶線性調(diào)頻信號(hào)波形的相位差變化信息。

在工程測(cè)試中，為了檢驗(yàn)系統(tǒng)的性能及其指標(biāo)，通常需要向系統(tǒng)提供一個(gè)真實(shí)或仿真的信號(hào)輻射源，由于通用的信號(hào)產(chǎn)生器難以滿足一些特定系統(tǒng)的要求，這就需要設(shè)計(jì)專用的信號(hào)模擬器。在某些定位系統(tǒng)的測(cè)試中，為了模擬多元天線陣列所接收到的信號(hào)，需設(shè)計(jì)一種多通道的信號(hào)模擬器。

在現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)中，脈內(nèi)寬帶線性調(diào)頻信號(hào)是研究最早，應(yīng)用最廣的信號(hào)之一。而產(chǎn)生線性調(diào)頻信號(hào)的方法主要有模擬法和數(shù)字法。模擬法一般是通過線性鋸齒電壓控制壓控振蕩器產(chǎn)生線性調(diào)頻信號(hào)或利用SAW器件作為展寬網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生調(diào)頻信號(hào)。

隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，DDS被廣泛應(yīng)用于寬帶線性調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生，使用該技術(shù)能產(chǎn)生任意波形，并能精確控制輸出波形的頻率、幅度和相位。目前，DDS法硬件方案主要有兩種：一種是DDS SASIC芯片法，即利用DSP或FPGA給內(nèi)部集成DDS核以及高速D/A轉(zhuǎn)換器的DDS芯片送入控制字，可得到所需的信號(hào);另一種是FPGA與高速D/A轉(zhuǎn)換器結(jié)合，由FPGA完成DDS核的功能，送高速D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，本系統(tǒng)即采用此種方法。

在單站無(wú)源定位技術(shù)中，常用的觀測(cè)參數(shù)有方向角、到達(dá)時(shí)間、頻率、頻率變化率、相位差變化率等。本文介紹的以4片D/A為基礎(chǔ)的4通道信號(hào)模擬器，主要模擬的是多元天線陣列所接收信號(hào)的相位差變化率。

1 原理分析

本文所用D/A為雙輸入端口，每個(gè)端口最高速率為1.25 GSample·s-1，DDR模式，F(xiàn)PGA采用普通I/O口傳輸方式無(wú)法直接輸出如此高速率的數(shù)據(jù)，則需通過多通道合成的并串轉(zhuǎn)換技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。本方案中FPGA輸出端口工作在雙路端口速率為800 Mbit·s-1，采用8通道數(shù)據(jù)合成1通道的方式為4片D/A芯片提供數(shù)字波形數(shù)據(jù)，故FPGA需產(chǎn)生共32通道數(shù)據(jù)。D/A工作時(shí)鐘為1.667 GSample·s-1。

為合成寬帶線性調(diào)頻信號(hào)，假設(shè)其帶寬為B，起始頻率為f0，根據(jù)文獻(xiàn)的推導(dǎo)，對(duì)每個(gè)合成D/A芯片所需的波形數(shù)據(jù)8通道數(shù)據(jù)，第j個(gè)通道的初相和第i個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)和頻率步進(jìn)碼分別為

其中，f1代表D/A的工作時(shí)鐘頻率;f2代表每個(gè)通道的工作時(shí)鐘頻率;j代表通道號(hào);i是最終信號(hào)的第i個(gè)采樣時(shí)刻的數(shù)據(jù)，則

。根據(jù)式(1)和式(2)的計(jì)算結(jié)果，可由FPGA產(chǎn)生4組8個(gè)通道的信號(hào)數(shù)據(jù)，通過并串轉(zhuǎn)換輸出給D/A，由此可得到所需信號(hào)的基準(zhǔn)信號(hào)。

在文中，相位差的特定關(guān)系即空中平臺(tái)飛行過程中天線陣列中的天線接收到同一輻射源的相位變化關(guān)系，具體算法如下：本文模擬的天線陣列是四元陣十字天線陣列，天線平面與空中平臺(tái)飛行軌跡成30°傾角，由空中平臺(tái)的飛行軌跡與目標(biāo)輻射源的坐標(biāo)可得天線平面中心點(diǎn)與目標(biāo)輻射源每一個(gè)時(shí)刻的俯仰角和方位角，進(jìn)而可計(jì)算出目標(biāo)輻射源發(fā)出的信號(hào)到達(dá)天線陣列中每個(gè)天線的時(shí)延τk，將時(shí)延τk轉(zhuǎn)換成相位差加入到FPGA產(chǎn)生的基準(zhǔn)信號(hào)中，即可得到相位差實(shí)時(shí)變化且4路相位差之間有特定關(guān)系的4個(gè)通道信號(hào)。

2 硬件實(shí)現(xiàn)

硬件平臺(tái)主要包括Xilinx公司的VIRTEX-5系列FPGA XC5VLX30;4片AD公司的2.5 GPS D/A轉(zhuǎn)換器AD9739;AD公司的時(shí)鐘倍頻芯片ADF43 50;AD公司的時(shí)鐘Buffer芯片ADCLK944;TI公司的時(shí)鐘Buffer芯片CDCLVD1213及穩(wěn)壓電源芯片等，其硬件原理框圖如圖1所示。

XC5VLX30 FPGA是Xilinx公司基于65 nm銅工藝技術(shù)的新一代FPGA，包含32個(gè)DSP 48E Slice，最大400個(gè)用戶可定義I/O以及最大1152個(gè)Block RAM，有6個(gè)時(shí)鐘管理模塊(CMT)，每個(gè)CMT包含有2個(gè)DCM和一個(gè)PLL。

AD9739是AD公司推出的一款高速、高性能的RF數(shù)模轉(zhuǎn)換器，雙通道14 bit LVDS數(shù)據(jù)輸入，內(nèi)部采樣頻率可高達(dá)2.5 GSample·s-1，當(dāng)工作在混合模式(MIX MODE)下，可將奈奎斯特二區(qū)或三區(qū)的輸出信號(hào)用作發(fā)射信號(hào)，以減少混頻環(huán)節(jié)。

ADF4350時(shí)鐘倍頻芯片內(nèi)部NCO可將輸入時(shí)鐘倍頻到2.2～4.4 GHz，然后經(jīng)分頻得到所需的時(shí)鐘，系統(tǒng)采用1.6 GHz的時(shí)鐘信號(hào)。

ADCLK944時(shí)鐘Buffer芯片可輸入任意電平的時(shí)鐘，然后全部轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)VPECL電平的時(shí)鐘輸出。CDCLVD1213時(shí)鐘Buffer則可輸入LVDS、LVPE CL或CML。

3 信號(hào)同步

在多通道信號(hào)模擬器的設(shè)計(jì)中，各通道之間的信號(hào)同步是重要的一環(huán)，在本系統(tǒng)中就是多片D/A之間的同步。

為實(shí)現(xiàn)這一目的，首先在硬件設(shè)計(jì)方面要做到如下等長(zhǎng)：時(shí)鐘Buffer ADCLK944供給4片AD9739時(shí)鐘的線路需做到等長(zhǎng);FPGA與AD9379之間的時(shí)鐘同步引腳DCO與DCI需分別等長(zhǎng);時(shí)鐘Buffer CDCLVD1213供給AD9739的同步時(shí)鐘線路需等長(zhǎng);FPGA與4片AD9739的數(shù)據(jù)輸入線路需全部等長(zhǎng)。

其次，在DA配置上，輸出同步信號(hào)(SYNC_OUT)的AD9739要配置成主模式(Master Mode)，其余的AD9739均配置成從模式(Slave Mode)。

最后，F(xiàn)PGA進(jìn)行相位補(bǔ)償，如圖1所示，通常情況下FPGA數(shù)據(jù)產(chǎn)生使用的是主片AD9739輸出的DCO時(shí)鐘，若經(jīng)過以上兩步，4片AD9739的輸出仍不同步，F(xiàn)PGA則可替換用其他從片AD9739輸出的DCO時(shí)鐘產(chǎn)生數(shù)據(jù)。若此時(shí)同步仍不理想，就需要在FPGA程序中進(jìn)行人工補(bǔ)償，即人為地在同步不佳的某一路中添加相位延遲，使其能達(dá)到同步效果。

4 測(cè)試數(shù)據(jù)

采用時(shí)鐘芯片提供AD9739 1.6 GHz的工作時(shí)鐘，AD9739工作于Normal Mode，利用上述硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)初始頻率100 MHz，帶寬100 MHz，脈寬10 μs，各路信號(hào)間有一定相位關(guān)系的4通道線性調(diào)頻信號(hào)，其時(shí)域波形如圖2所示，用頻譜儀分析其中一路的頻域波形如圖3所示。本文最終產(chǎn)生的4路信號(hào)波形之間的相位差是一個(gè)變化過程，限于篇幅，無(wú)法將其變化過程詳細(xì)展現(xiàn)，取其中間某組脈沖信號(hào)將4路信號(hào)的脈沖起始處展開，如圖4所示?？梢灾庇^地看出，4路信號(hào)對(duì)齊的效果良好，相位差存在且較為明顯。

5 結(jié)束語(yǔ)

將FPGA與多片高速D/A AD9739結(jié)合，經(jīng)信號(hào)同步，通過DDS產(chǎn)生中心頻率在0～800 MHz之間，調(diào)頻帶寬600 MHz以內(nèi)且4路有一定相位關(guān)系的線性調(diào)頻信號(hào)，此方案在某空中平臺(tái)定位驗(yàn)證系統(tǒng)中作為測(cè)試輻射源。經(jīng)驗(yàn)證，此系統(tǒng)能良好地模擬多元天線陣列所接收到的信號(hào)，同時(shí)定位系統(tǒng)可根據(jù)模擬器的輸出信號(hào)定位出目標(biāo)輻射源的位置參數(shù)。

本文多路信號(hào)之間只有相位信息不同，經(jīng)擴(kuò)展后，亦可產(chǎn)生多路之間頻率、幅度、頻率變化率等參數(shù)不同的多路寬帶線性調(diào)頻信號(hào)，即在FPGA中使用DDS產(chǎn)生多路信號(hào)時(shí)使用不同的初始參數(shù)。受限于D/A的工作頻率，輸出的信號(hào)頻率較低。硬件布線未嚴(yán)格等長(zhǎng)以及元器件的誤差使4路同步信號(hào)的時(shí)間差在ns級(jí)以上，對(duì)于某些需要精確定位的系統(tǒng)并不適用。如何進(jìn)一步提高多通道之間的同步性，依然是探索研究的重要課題。