基于FPGA的多體制雷達(dá)信號源的設(shè)計

隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種體制的雷達(dá)，比如脈沖多普勒雷達(dá)、SAR、相控陣?yán)走_(dá)先進(jìn)，雖然這些雷達(dá)的功能不同，但是為了提作用距離和距離向上的分辨率，都彩了大時寬積信號。  

    在雷達(dá)信號源設(shè)計領(lǐng)域，DDS技術(shù)和器件已經(jīng)得到了很大的發(fā)展，相應(yīng)的出現(xiàn)了很多性能優(yōu)異的DDS器件，本文旨在介紹一種基于ADI公司的AD9959設(shè)計的新型多體制的雷達(dá)信號源設(shè)計方法，該器件具有穩(wěn)定度高，相位、頻率和幅度調(diào)整靈活，能夠同時產(chǎn)生4路相關(guān)信號，信號形式可以任意設(shè)定的特點(diǎn)，這些優(yōu)異的性能在雷達(dá)信號源的研制方面都表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。     

    2 系統(tǒng)硬件設(shè)計  

    本文設(shè)計的多體制雷達(dá)信號源是以ADI公司的AD9959為核心，結(jié)合FPGA控制電路、信號放大電路構(gòu)成的。信號參數(shù)由主控計算機(jī)通過串口進(jìn)行發(fā)送，并同F(xiàn)PGA進(jìn)行接收，從而控制AD9959完成相應(yīng)的信號輸出。由于在雷達(dá)的實(shí)際發(fā)射過程中，大部分采用的是大時寬帶寬的脈沖信號，因此在系統(tǒng)硬件設(shè)計的架構(gòu)中，F(xiàn)PGA還完成了一定的脈沖輸出功能，對AD9959輸出的連續(xù)波信號進(jìn)行脈沖調(diào)制，從而達(dá)到輸出雷達(dá)脈沖信號的能力，而輸出的中頻信號經(jīng)過混頻電路就可以達(dá)到雷達(dá)發(fā)射所需要的頻段。     

    2.1 AD9959芯片簡介 

    AD9959是一款性能優(yōu)異的DDS芯片，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：  

    4路同步輸出通道； 

    各個通道有獨(dú)立的頻率/相位/幅度控制功能； 

    超強(qiáng)的通道之間隔離度(>65 dB)； 

    線性頻率/相位/幅度掃描能力； 

    能夠達(dá)到16級的頻率/相位/幅度調(diào)制能力； 

    可通過硬件/軟件控制節(jié)電模式。 

    AD9959通過串行I/O提供了多種配置功能，基于這種串行I/O提供的一種SPI模式，同以往的ADI的DDS器件是兼容的。同時，器件采用先進(jìn)的設(shè)計技術(shù)，使器件不僅具有優(yōu)異的性能，而且又具有低功耗的特點(diǎn)。器件集成了具有突出的寬帶和窄帶SFDR特性的4路高速10位DACs。每一個通道，都具有32位頻率控制字，14位相位控制字，10位輸出幅度控制字。REF CLK最高可以達(dá)到500 M/s，PLL倍頻器可以通過軟件編程在4～20之間設(shè)定。正因?yàn)锳D9959具有能夠輸出多通道相關(guān)信號的能力，所以AD9959可以廣泛地應(yīng)用于各種場合。 

    2.2 系統(tǒng)構(gòu)成 

    用戶通過計算機(jī)將所產(chǎn)生信號的參數(shù)傳送給FPGA，F(xiàn)PGA接收到相應(yīng)的參數(shù)后，控制AD9959輸出相應(yīng)的雷達(dá)信號，由于AD9959輸出信號是差分電流信號，因此在系統(tǒng)設(shè)計時，采用1：1傳輸變壓器將差分的電流信號轉(zhuǎn)化為單端的電壓信號，同時為了提高系統(tǒng)的輸出驅(qū)動能力，在變壓器后面進(jìn)行了信號放大，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2.3 系統(tǒng)通信接口及協(xié)議 

    系統(tǒng)主要是由FPGA向AD9959發(fā)送命令，從而輸出相應(yīng)的信號，對于AD9959的控制主要是通過串行總線SCLK和SDIO來實(shí)現(xiàn)的，其中SCLK的最大時鐘速度可以達(dá)到200 MHz，AD9959可以通過SDIO的4根數(shù)據(jù)線(SDIO 0～SDIO 3)同時進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而可以使數(shù)據(jù)吞吐量變?yōu)?00 Mb/s，以前ADI公司的DDS產(chǎn)品有并行和串行兩種控制模式，比如AD9850，而AD9959這種SPI控制模式，無疑是更加簡潔，對于用戶控制而言也更加方便。AD9959有4種串行控制傳輸模式，分別是Single-Bit Serial(2 and 3-wire)Modes，2-Bit Serial Mode，4-Bit SerialMode。AD9959四個輸出通道共享寄存器0x03～0x18，這種寄存器地址共享模式，能夠使4個通道同時寫入控制字。例如要使AD9959的4個通道都輸出某個頻率，只需要通過串行總線向AD9959寫入一次即可。如果使4個通道互相獨(dú)立操作，可以通過通道選擇寄存器(CSR)進(jìn)行選擇。 

    AD9959的串行工作模式都工作于寄存器級傳輸，而不是字節(jié)級傳輸。但是AD9959提供的SYNC I/O功能可以中斷I/O操作，這種模式可以使寄存器的某個字節(jié)進(jìn)行設(shè)置，從而減少了設(shè)置時間。所有指令都是在SCLK的上升沿寫入，而在SCLK的下降沿讀出的。在本文所設(shè)計的雷達(dá)信號源中，對于AD9959的控制模式采用了Single--Bit Serial 2-wire Mode，在這種工作模式下，AD9959使用SDIO 0作為數(shù)據(jù)傳輸管腳，要使AD9959工作于這種模式，可以將CSR寄存器中的CSR<2：1>設(shè)置為00即可。在Single-Bit Serial 2-wire Mode傳輸模式下，支持MSB優(yōu)先和LSB優(yōu)先兩種模式。 

    系統(tǒng)通過FPGA對AD9959進(jìn)行操作，主要分為兩個階段，第一個階段為指令周期，在這個階段把指令寫入到AD9959中，在SCLK的每個上升沿寫入一個比特，并且這個指令字節(jié)規(guī)定了將要進(jìn)行的傳輸?shù)降资亲x操作還是寫操作，同時包含了寄存器地址；第二個階段為數(shù)據(jù)傳送周期，主要傳送波形參數(shù)的控制字。  

    圖中完成的時序邏輯控制主要由FPGA來實(shí)現(xiàn)，具體的信號參數(shù)是通過上位機(jī)通過串口發(fā)送給FPGA，因此FPGA還完成了串口收發(fā)功能，通過串口，系統(tǒng)主控制器(FPGA)不僅可以完成對上位機(jī)命令參數(shù)的接收，將信號各項(xiàng)參數(shù)寫入到AD9959中，同時還可以將AD9959內(nèi)部狀態(tài)信息讀出并且通過串口上傳到計算機(jī)。     
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計 
    3.1 FPGA程序設(shè)計 

    在本文所設(shè)計的雷達(dá)信號源中，采用了XINUNXSpartan-3系列FPGA，型號為XC23S1000，他具有106個邏輯門，Distributed RAM共120 kb，Block RAM共432 kb，還具有4個DCM單元，最大可用I/O391個。由于系統(tǒng)采用FPGA作為核心控制器件，因此具有很好的擴(kuò)展性，當(dāng)對系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生改變時，只需要對FPGA內(nèi)部程序加以修改即可。而不用進(jìn)行硬件的改動，正因?yàn)镕P-GA具有這樣的優(yōu)勢，因此使本系統(tǒng)具有很好的靈活性。 

    通過對FPGA編程，主要完成了對AD9959控制功能和串口收發(fā)功能。AD9959內(nèi)部集成了4個DDS內(nèi)核，每個DDS內(nèi)核都集成了32-b的相位累加器和相位一幅度轉(zhuǎn)換器。每路DDS輸出的信號頻率可以通過下式來計算：

其中，fs表示系統(tǒng)采樣時鐘，F(xiàn)TW表示頻率控制字，fo表示DDS輸出信號頻率。由于在雷達(dá)信號源中，線性調(diào)頻信號是常用的信號形式，因此這里主要以線形調(diào)頻信號作參考。FPGA可以向AD9959發(fā)送控制字，從而可以控制輸出信號的起始頻率、調(diào)頻斜率系數(shù)、截止頻率等。FPGA控制AD9959寫入指令的時序邏輯圖如圖2所示。 

     FPGA在系統(tǒng)中不僅完成了控制AD9959的功能，同時還完成符合RS232協(xié)議的串口數(shù)據(jù)的傳送功能，UART功能都采用Verilog HDL語言描述，這樣使系統(tǒng)更加緊湊、小巧。    

     3．2 PC機(jī)程序設(shè)計 

     PC機(jī)軟件主要完成用戶參數(shù)的輸入并且將數(shù)據(jù)通過RS232串口發(fā)送到FPGA，程序采用C編寫，界面上可以輸入生成雷達(dá)信號的各種參數(shù)，比如信號頻率、起始頻率、截止頻率、調(diào)頻斜率，由于AD9959可以生成FSK，PSK，ASK多種體制信號，用戶還可通過下拉列表選擇信號樣式。系統(tǒng)控制軟件界百如圖3所示。

軟件中利Visual Studio.NET中提供的串行通信控件Activex來實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)通信功能，軟件的程序流程如圖4所示。

4 結(jié) 語 

     系統(tǒng)采用FPGA作為核心控制器，不僅完成了對AD9959的控制功能，同時還完成了串行數(shù)據(jù)傳輸功能，使電路設(shè)計更加簡潔并具有很好的擴(kuò)展性，在系統(tǒng)升級過程中，不必改動硬件設(shè)計，只需要將FPGA內(nèi)部程序進(jìn)行修改即可完成新的功能。 

     本文所設(shè)計的雷達(dá)信號源已經(jīng)在實(shí)際工作中得到很好的應(yīng)用，系統(tǒng)可以同時輸出4路相參的信號，頻率范圍為10～150 MHz，每路輸出可以單獨(dú)控制也可以整體控制，用戶可以通過PC機(jī)對系統(tǒng)輸出的信號參數(shù)、樣式進(jìn)行沒定，從而可以很方便地輸出相應(yīng)的雷達(dá)信號。系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實(shí)用性、靈活性和可擴(kuò)展性，在實(shí)際工作中取得了很好的效果，具有良好的應(yīng)用前景。