基于AD9857的偽隨機(jī)碼調(diào)相雷達(dá)發(fā)射硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)
近年來可編程邏輯器件的飛速發(fā)展促進(jìn)了軟件無線電技術(shù)的發(fā)展。由于傳統(tǒng)的基于分立器件的雷達(dá)發(fā)射和接收系統(tǒng)缺乏靈活性，各項(xiàng)參數(shù)不易更改，所以，新一代高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)將采用基于軟件無線電思想的發(fā)射和接收通用硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)工作參數(shù)的可編程性，從而實(shí)現(xiàn)不同用途的探測(cè)。并且整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)將會(huì)考慮進(jìn)一步提高集成度，越來越多的模塊將會(huì)基于軟件無線電思想設(shè)計(jì)。較之上一代高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)采用的調(diào)頻中斷連續(xù)波(FMICW)體制，新一代雷達(dá)系統(tǒng)采用m系列偽隨機(jī)碼調(diào)相體制，并且基于 AD9857數(shù)字正交上變頻器和VXI總線傳輸模式。本文將重點(diǎn)介紹新一代雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射部分硬件平臺(tái)中m系列偽隨機(jī)碼調(diào)相模塊的設(shè)計(jì)。
1 通用雷達(dá)發(fā)射和接收硬件平臺(tái)原理
根據(jù)本實(shí)驗(yàn)室研制的高頻地波雷達(dá)對(duì)測(cè)距精度、距離分辨率等雷達(dá)參數(shù)的要求，新一代高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)采用40.5MHz的處理中頻，射頻信號(hào)頻率為2M~30MHz，接收機(jī)的本振頻率為42.5M~70.5MHz，其原理框圖如圖1所示。
雷達(dá)發(fā)射過程：先由可編程邏輯器件(FPGA/CPLD，下同)編程產(chǎn)生一m系列偽隨機(jī)碼調(diào)相脈沖信號(hào)，經(jīng)AD9857數(shù)字正交上變頻器上變頻到40.5MHz后，經(jīng)過濾波、功率放大和混頻后得到射頻信號(hào)，再由射頻端電路和功率放大后，饋送到天線發(fā)送出去。雷達(dá)接收過程：天線接收到的回波信號(hào)先經(jīng)射頻端電路濾波和放大后，與本振信號(hào)混頻得到中頻信號(hào)，再經(jīng)濾波放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入數(shù)字下變頻器降速處理得到低速的數(shù)字基帶信號(hào)，最后送給可編程邏輯器件進(jìn)行相關(guān)的處理。與此同時(shí)，可編程邏輯器件處理后的信號(hào)經(jīng)VXI(VME Extension for Instrumentation)總線送入PC主機(jī)。這種設(shè)計(jì)的最大好處就是發(fā)射脈沖編碼信號(hào)由可編程邏輯器件編程產(chǎn)生，修改靈活，并且接收到的回波信號(hào)的處理以及和VXI總線的接口電路都可在可編程邏輯器件中一起設(shè)計(jì)，大大提高了系統(tǒng)的集成度，充分體現(xiàn)了軟件無線電思想的優(yōu)勢(shì)。
2 雷達(dá)發(fā)射部分設(shè)計(jì)
根據(jù)上述的雷達(dá)發(fā)射原理，基于AD9857數(shù)字正交上變頻器的偽隨機(jī)碼調(diào)相體制雷達(dá)發(fā)射部分的設(shè)計(jì)方法是：整個(gè)設(shè)計(jì)選用Altera公司的FLEX10K系列芯片，在MAX+PLUSII開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行。FLEX10K系列可編程邏輯器件內(nèi)的設(shè)計(jì)主要包括：m系列偽隨機(jī)碼調(diào)相信號(hào)系列的產(chǎn)生模塊、AD9857的控制及串口寄存器配置模塊、VXI總線接口模塊三大部分。三大模塊的設(shè)計(jì)是整個(gè)發(fā)射部分設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，同時(shí)也是關(guān)鍵技術(shù)所在。設(shè)計(jì)采用硬件編程語言VHDL文本輸入和原理圖輸入相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法。發(fā)射部分原理圖如圖2所示。
2.1 FPGA內(nèi)各模塊的設(shè)計(jì)
2.1.1 m系列偽隨機(jī)碼調(diào)相模塊的設(shè)計(jì)
在通常的單頻脈沖雷達(dá)系統(tǒng)中，采用寬度為?子、周期為T的單脈沖對(duì)頻率為f0的正弦或余弦載波進(jìn)行幅度控制得到脈沖調(diào)幅波。簡(jiǎn)單的脈沖雷達(dá)雖然可以獲得很高的收發(fā)隔離以及很高的距離分辨率，但是它有一個(gè)很明顯的缺點(diǎn)，就是距離分辨率和實(shí)際最大探測(cè)距離之間存在著矛盾。因?yàn)槿绻嚯x分辨率很高，則發(fā)射脈沖的寬度?子很小，工作比率很低，平均發(fā)射功率也就很低，從而導(dǎo)致實(shí)際探測(cè)距離減小[3]。相反，若通過增大脈沖功率來提高雷達(dá)系統(tǒng)的最大探測(cè)距離，則會(huì)增大發(fā)射機(jī)的難度，同時(shí)也增加了故障率。
為了解決上述矛盾，因而產(chǎn)生了脈沖壓縮技術(shù)。脈沖壓縮技術(shù)是使雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射寬度相對(duì)較寬而峰值功率較低的脈沖，利用該技術(shù)既可增大系統(tǒng)的最大探測(cè)距離，又不增加發(fā)射機(jī)的難度。脈沖壓縮技術(shù)是通過在發(fā)射部分對(duì)載波編碼擴(kuò)頻，然后在接收機(jī)中對(duì)回波進(jìn)行壓縮處理實(shí)現(xiàn)的。目前的脈沖壓縮方法一般采用線性調(diào)頻中斷連續(xù)波(FMICM)和偽隨機(jī)碼調(diào)相中斷連續(xù)波2種波形。新一代高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)將采用偽隨機(jī)碼調(diào)相連續(xù)波。
在偽隨機(jī)碼調(diào)相體制中，一般采用m系列的偽隨機(jī)碼。m序列是一種相當(dāng)重要的偽隨機(jī)序列，被廣泛地應(yīng)用在雷達(dá)系統(tǒng)和擴(kuò)頻通信等場(chǎng)合。m系列的特性：(1)具有隨機(jī)序列的隨機(jī)特性（即統(tǒng)計(jì)特性）。(2)是一個(gè)預(yù)先可以確定的，并且可以重復(fù)實(shí)現(xiàn)的確定序列。(3)有很好的自相關(guān)特性，它的自相關(guān)函數(shù)只有2個(gè)不同的值，即有雙值自相關(guān)函數(shù)特性。(4)具有相同級(jí)數(shù)的線性移位寄存器可產(chǎn)生的最長(zhǎng)序列。本設(shè)計(jì)采用的就是m系列偽隨機(jī)碼。
m系列偽隨機(jī)碼調(diào)相模塊主要由如圖3所示的部分組成。先由一分頻器產(chǎn)生m 系列產(chǎn)生頻率和調(diào)相器的工作頻率。這一部分的設(shè)計(jì)要綜合考慮其他部分的工作原理。因?yàn)檎{(diào)相器中的正弦和余弦采樣離散點(diǎn)值的地址產(chǎn)生頻率要取為m系列產(chǎn)生頻率的100倍，所以分頻器要先使clock進(jìn)行100次分頻，分頻后的頻率作為m系列產(chǎn)生時(shí)鐘頻率，而clock作為正弦和余弦離散采樣點(diǎn)值的取值地址產(chǎn)生頻率。
高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)中初步采用8級(jí)，也就是28－1＝255個(gè)碼長(zhǎng)的m系列，每片碼元長(zhǎng)度取為Te＝64μs。由于級(jí)數(shù)比較多，所以宜采用文本輸入的方式產(chǎn)生該m系列。根據(jù)m序列的特征多項(xiàng)式系數(shù)與m序列產(chǎn)生器反饋系數(shù)的關(guān)系，可以組成一種各級(jí)系數(shù)分別是：c0=c4=c5=c6=c8=1，c1=c2=c3=c7=0[4]的8級(jí)m序列產(chǎn)生器。
二進(jìn)制相位調(diào)制就是在數(shù)字基帶信號(hào)碼元為0時(shí)，載波相位取π，使輸出波形倒相；基帶信號(hào)碼元為1時(shí)，載波相位取0，輸出波形不變。這樣就以載波的不同相位表示了相應(yīng)的基帶脈沖信息，實(shí)現(xiàn)了頻率的擴(kuò)展[5]。本設(shè)計(jì)中的載波信號(hào)是一系列的正弦和余弦離散采樣點(diǎn)值。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在每個(gè)m系列基帶碼元時(shí)間段，即本設(shè)計(jì)所采取的64μs內(nèi)，載波采樣100個(gè)點(diǎn)能比較好地滿足設(shè)計(jì)要求。載波離散采樣點(diǎn)值的生成，也即正弦和余弦離散采樣點(diǎn)值塊的設(shè)計(jì)要考慮AD9857數(shù)字正交上變頻器的并口數(shù)據(jù)輸入端對(duì)數(shù)據(jù)格式及數(shù)據(jù)輸入速率的要求。此處AD9857芯片要產(chǎn)生I/Q 2路正交載波離散采樣點(diǎn)值并且要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行14位補(bǔ)碼形式的格式轉(zhuǎn)換。由于VHDL硬件編程語言中沒有正弦和余弦產(chǎn)生函數(shù)，所以本設(shè)計(jì)中先用C語言產(chǎn)生I/Q 2路正弦和余弦離散采樣點(diǎn)值，并轉(zhuǎn)化為14位補(bǔ)碼格式，再把14位補(bǔ)碼格式的點(diǎn)值存到一ROM塊中，由調(diào)相器產(chǎn)生它們的取值地址。本設(shè)計(jì)中選用Altera公司的FLEX10K系列芯片中含有嵌入式陣列塊(EAB)，可以構(gòu)造ROM存儲(chǔ)器。
調(diào)相器部分主要產(chǎn)生ROM存儲(chǔ)器中點(diǎn)值的取值地址，同時(shí)完成調(diào)相功能。當(dāng)ｍ序列基帶碼元是0時(shí)，載波相位倒相，根據(jù)正弦和余弦波形的特點(diǎn)，可使尋址點(diǎn)在碼元由1到0的跳變(jump-low＝1)時(shí)，跳變到sinπ處(即第51個(gè)點(diǎn)值處），即可實(shí)現(xiàn)倒相；當(dāng)ｍ序列基帶碼元是1時(shí)，載波相位不變，可使尋址點(diǎn)在碼元由0到1的跳變(jump_high＝1)時(shí)，回到sin0處（即第1個(gè)點(diǎn)值處）。由于在ROM存儲(chǔ)表中先存放正弦離散采樣點(diǎn)值的100個(gè)點(diǎn)，后存放余弦離散采樣點(diǎn)值的100個(gè)點(diǎn)，所以該部分的VHDL尋址程序可如下設(shè)計(jì)。
if(count202s=″01100100″) and (jump_low=′0′) then
--正弦離散采樣點(diǎn)值部分
count202s<=″00000000″；--尋址到第100個(gè)點(diǎn)值處并且
--不是碼元的下跳沿時(shí)，回到第1個(gè)點(diǎn)值處
elsif(jump_high=′1′) then count202s<=″00000000″；
--碼元上跳沿時(shí)，尋址到第1個(gè)點(diǎn)處，調(diào)制相位為0
elsif( jump_low=′1′) then count202s<=″00110010″；
--碼元下跳沿時(shí)，尋址到第51個(gè)點(diǎn)值處，調(diào)制相位為180°
else count202s<=count202s+′1′；
end if；
if(reset=′1′) then count202c<=″01100101″；--余弦離散
--采樣點(diǎn)值尋址值先初始化到第101個(gè)點(diǎn)值處
elsif (en=′1′) then
if(count202c=″11001001″) and (jump_low=′0′) then
count202c<=″01100101″；--尋址到第200個(gè)點(diǎn)值處并且
--不是碼元的下跳沿時(shí)，回到第101個(gè)點(diǎn)值處
elsif(jump_high=′1′) then count202c<=″01100101″；
--上跳沿時(shí)，尋址到第101個(gè)點(diǎn)處，調(diào)制相位為0
elsif ( jump_low=′1′) then count202c<=″10010111″；
--碼元下跳沿時(shí)，尋址到第151個(gè)點(diǎn)址處，調(diào)制相位為180°
else count202c<=count202c+′1′；
end if；
end if；
m 系列調(diào)相模塊的編譯仿真波形圖如圖4所示。從圖4中可看出該模塊的功能完全正確。
2.1.2 AD9857控制及串口配置模塊
AD9857數(shù)字正交上變頻器主要有并口和串口二大部分需要設(shè)置。并口輸入數(shù)據(jù)由m系列偽隨機(jī)碼調(diào)相后的I/Q2路14位補(bǔ)碼格式的基帶數(shù)據(jù)流輪流提供。串口內(nèi)各寄存器的配置是整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，包括工作模式、頻率控制字、時(shí)鐘倍頻、濾波器的內(nèi)插因子和輸出增益控制等參數(shù)的設(shè)置。根據(jù)串口讀寫時(shí)序要求本部分的設(shè)計(jì)用VHDL語言編程實(shí)現(xiàn)。
2.1.3 VXI總線接口模塊的設(shè)計(jì)
VXI總線是在VME總線和GPIB總線的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型儀器系統(tǒng)總線。它吸取了VME和GPIB總線的優(yōu)點(diǎn)，并結(jié)合儀器測(cè)量系統(tǒng)的自身特點(diǎn)而增加了許多新的性能，如零槽模塊功能、資源管理器、配電、冷卻和電磁兼容等[6]。新一代高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)即基于VXI總線傳輸模式。
VXI總線模塊儀器可分為寄存器基、消息基、存儲(chǔ)器基和擴(kuò)展器件4個(gè)部分。用得較多的是前2種器件。寄存器基器件的VXI總線接口基本要求是只需具有配置寄存器，且與這種器件的通信是通過對(duì)寄存器的讀、寫來完成的，它不能控制其他器件，只能受其他器件的控制。消息基器件不僅應(yīng)具有總線配置寄存器，而且還應(yīng)能進(jìn)行更高級(jí)的通信，支持更復(fù)雜的協(xié)議，如字串行協(xié)議等，它可以控制其他器件，也可被其他器件控制。
本設(shè)計(jì)中的信號(hào)發(fā)射模塊基于寄存器基，其VXI總線接口模塊中除了具有基本的配置寄存器，因該接口的通用性，它還要與接收模塊等其他部分相兼容，因此其內(nèi)部還有中斷接口、數(shù)據(jù)傳輸接口等。本部分的設(shè)計(jì)也是根據(jù)VXI總線使用規(guī)范及時(shí)序要求，采用VHDL編程語言中的狀態(tài)機(jī)方式實(shí)現(xiàn)。
2.2 數(shù)字上變頻技術(shù)
傳統(tǒng)的雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)一般采用鎖相環(huán)（PLL）電路將模擬基帶信號(hào)倍頻到系統(tǒng)所需的載波頻率上，然后再接一個(gè)模擬乘法器來完成調(diào)制功能。與傳統(tǒng)鎖相環(huán)技術(shù)相比，數(shù)字上變頻技術(shù)具有頻率分辨率高、相位線性變化、易于數(shù)字控制等優(yōu)點(diǎn)，正得到越來越廣泛的應(yīng)用。典型的數(shù)字上變頻器有AD公司的AD9856、AD9857以及Harris公司的HSP50215和Gray公司的4路發(fā)射芯片GC4114。本設(shè)計(jì)采用AD9857。AD9857數(shù)字正交上變頻器一般有3種工作模式：正交調(diào)制模式、單頻輸出模式和內(nèi)插DAC模式。工作在正交調(diào)制模式時(shí)，I/Q 2路數(shù)字基帶信號(hào)交替輸入，再分成2路，經(jīng)過CIC濾波器、可編程內(nèi)插器后送入正交調(diào)制器。DDS核提供一個(gè)正交的本振信號(hào)到正交調(diào)制器，與I/Q 2路數(shù)據(jù)相乘相加，產(chǎn)生一個(gè)正交調(diào)制的數(shù)據(jù)流，這些都在數(shù)字域完成。最后通過14位的DAC輸出正交調(diào)制的模擬信號(hào)；工作在單頻輸出模式時(shí)，AD9857相當(dāng)于一個(gè)DDS頻率源，不接受外部數(shù)據(jù)。DDS核在頻率控制字的控制下產(chǎn)生一個(gè)單頻數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)DAC輸出；工作在內(nèi)插DAC模式時(shí)，輸入14位的I通道數(shù)據(jù)，經(jīng)過內(nèi)插后再經(jīng)DAC輸出。該模式下對(duì)信號(hào)進(jìn)行過采樣操作，但保持原始信號(hào)頻譜不變。在本設(shè)計(jì)中采用正交調(diào)制模式。
2.3 后續(xù)處理電路
由圖2可知，后續(xù)處理電路主要包括經(jīng)AD9857數(shù)字正交上變頻器上變頻后的中頻模擬信號(hào)的A/D 轉(zhuǎn)換、濾波和功率放大等環(huán)節(jié)。軟件無線電的目標(biāo)是在較高的中頻、甚至射頻段就開始對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，這樣可以減少系統(tǒng)中模擬器件的數(shù)量，增加系統(tǒng)的靈活性。為達(dá)到此要求，ADC必須有很高的采樣速率和工作帶寬。為適應(yīng)復(fù)雜的電磁環(huán)境，還要求ADC具有大的動(dòng)態(tài)范圍。此時(shí)的中頻輸出信號(hào)，需要高頻窄帶濾波器進(jìn)行濾波，一般的LC濾波器是不能滿足要求的，要選用工作頻率穩(wěn)定度高、阻帶衰減特性陡峭、插入損耗小的石英晶體諧振器組成的高頻窄帶濾波器，放大電路部分宜采用低噪聲高帶寬的可調(diào)增益放大器。本設(shè)計(jì)中采用的就是90MHz帶寬的低噪聲可調(diào)增益放大器AD603。
3 結(jié)束語
基于軟件無線電思想，采用m系列偽隨機(jī)碼調(diào)相體制的新一代高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)的中頻將達(dá)到40.5MHz。因此一些關(guān)鍵技術(shù)要有所突破，主要包括數(shù)字上變頻技術(shù)和數(shù)字下變頻技術(shù)、高速A/D和D/A變換技術(shù)、開放式總線結(jié)構(gòu)技術(shù)和高速數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)等。本設(shè)計(jì)中的基于AD9857數(shù)字正交上變頻器的偽隨機(jī)碼調(diào)相體制高頻地波雷達(dá)發(fā)射部分系統(tǒng)的方案就是按上述要求實(shí)現(xiàn)的，并已取得了初步成功。
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