基于AD9858的寬帶雷達(dá)信號(hào)源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：給出一套寬帶雷達(dá)信號(hào)源的設(shè)計(jì)方案，它由基帶信號(hào)源和倍頻鏈組成，產(chǎn)生中心頻率為1 GHz，帶寬為800 MHz的線性調(diào)頻信號(hào)?；鶐盘?hào)源選用了AD公司高性能數(shù)字頻率合成芯片AD9858，由FPGA實(shí)現(xiàn)加載DDS控制字，產(chǎn)生(200+50)MHz的基帶信號(hào)。倍頻鏈將基帶信號(hào)進(jìn)行上變頻和倍頻，可輸出1 GHz±400 MHz的寬帶雷達(dá)信號(hào)。經(jīng)示波器和頻譜儀測(cè)試顯示，所設(shè)計(jì)的寬帶雷達(dá)信號(hào)源滿足設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：寬帶雷達(dá)信號(hào)源；數(shù)字頻率合成；線性調(diào)頻信號(hào)；基帶信號(hào)源；倍頻鏈；AD9858

0 引言
    和窄帶雷達(dá)相比，寬帶雷達(dá)具有高的距離分辨率，可以獲取更多、更詳細(xì)的目標(biāo)信息，從而更好的完成目標(biāo)成像和識(shí)別。寬帶雷達(dá)主要應(yīng)用在合成孔徑或逆合成孔徑雷達(dá)成像中，寬帶雷達(dá)信號(hào)處理理論和技術(shù)還不成熟。在寬帶雷達(dá)背景下，目標(biāo)在徑向可分為多個(gè)距離單元，表現(xiàn)為多散射點(diǎn)模型?；夭ń?jīng)過(guò)匹配濾波處理后形成一維距離像，對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)而言，窄帶雷達(dá)可以采用相參積累或非相參積累來(lái)提高信噪比，而寬帶雷達(dá)在積累時(shí)間內(nèi)多周期回波存在跨距離單元走動(dòng)，在速度很高時(shí)，甚至在相鄰周期內(nèi)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)都會(huì)跨越一個(gè)距離單元，這大大影響了積累的效果。在寬帶雷達(dá)條件下，海雜波幅度概率密度函數(shù)有較長(zhǎng)的尾部，偏離瑞利特性，常用對(duì)數(shù)正態(tài)分布、韋布爾分布和K分布來(lái)描述。
    隨著現(xiàn)代電子技術(shù)與雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，特別是脈沖壓縮技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對(duì)雷達(dá)信號(hào)源的要求在質(zhì)量、頻帶寬度、頻率捷變速度等方面上有了極大的提高。數(shù)字直接合成技術(shù)(Direct Digital Synthesis，DDS)和鎖相環(huán)技術(shù)(Phase Locked Loop，PLL)是現(xiàn)代雷達(dá)信號(hào)合成采用的主要技術(shù)。數(shù)字直接合成技術(shù)雖然有全數(shù)字化結(jié)構(gòu)、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短、分辨率高、相位噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，但仍存在著一些不足，主要是它的合成頻率相對(duì)較低，這一點(diǎn)限制了其在應(yīng)用上的范圍。鎖相環(huán)技術(shù)則具有頻帶寬、工作頻率高、頻譜質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，但是PLL在頻率分辨率、建立時(shí)間等方面遠(yuǎn)不如DDS。
    研究寬帶雷達(dá)信號(hào)處理中存在的問(wèn)題具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)寬帶雷達(dá)進(jìn)行建模仿真，可以驗(yàn)證寬帶雷達(dá)信號(hào)處理算法，但實(shí)測(cè)的寬帶雷達(dá)回波數(shù)據(jù)更能直接體現(xiàn)、驗(yàn)證、證明其算法的正確性、有效性。由于美國(guó)AD公司(Analog Devices Inc)新推出的AD9858芯片是一款高性能DDS芯片，具有很寬的工作頻帶，輸出頻率范圍可到400 MHz，完全滿足雷達(dá)設(shè)計(jì)要求，因此在設(shè)計(jì)中采用AD9858芯片。
    本文給出了產(chǎn)生中心頻率為1 GHz，帶寬為800 MHz的線性調(diào)頻信號(hào)的雷達(dá)信號(hào)源的設(shè)計(jì)方案。

1 DDS性能分析
    在現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展過(guò)程中，頻率合成大致經(jīng)歷了從直接模擬頻率合成，到基于PLL的鎖相式頻率合成，再到DDS的三代發(fā)展。
    直接模擬頻率合成技術(shù)指的是通過(guò)能夠?qū)崿F(xiàn)混頻、分頻、倍頻、差頻等數(shù)學(xué)運(yùn)算的模擬電路，使得一個(gè)或多個(gè)既有的參考頻率合成所需要的頻率。但是這項(xiàng)技術(shù)所需設(shè)備體積和功耗都比較大，盡管其頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間快，因此在目前的電子技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)下，直接模擬頻率合成已基本不被采用。
    目前技術(shù)發(fā)展成熟，集成度較高，能夠廣泛運(yùn)用于各種電路的設(shè)計(jì)中的是基于PLL的鎖相式頻率合成技術(shù)。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于具有很寬的輸出頻率范圍，且抑制寄生輸出噪聲的能力很強(qiáng)，因而輸出頻譜的純度很高，但它也存在頻率切換的時(shí)間較長(zhǎng)的缺點(diǎn)。
    近十幾年來(lái)，DDS技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，它具有如下優(yōu)點(diǎn)：相對(duì)帶寬較寬；頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間較短；頻率分辨率較高；能夠產(chǎn)生相位連續(xù)信號(hào)；可產(chǎn)生寬帶正交信號(hào)及其他多種調(diào)制信號(hào)；可編程和全數(shù)字化、控制靈活方便；具有極高的性價(jià)比等。目前最常用的DDS實(shí)現(xiàn)方案有以下三種：高性能DDS芯片方案、低頻正弦波DDS芯片方案、基于FPGA芯片方案。本文采用的是高性能DDS芯片AD9858方案。

2 寬帶雷達(dá)信號(hào)源設(shè)計(jì)
    微型寬帶雷達(dá)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)射1 GHz+400 MHz的線性調(diào)頻信號(hào)，要求信號(hào)帶外抑制不小于55 dB，雜散抑制不小于35 dBc。
    本文采用DDS技術(shù)加上變頻和倍頻鏈方案產(chǎn)生發(fā)射信號(hào)，這樣可以使倍頻次數(shù)盡量減少，從而減少倍頻引入的雜散。寬帶信號(hào)源由基帶信號(hào)源、上變頻和倍頻鏈組成，上變頻采用改進(jìn)型折疊吉爾伯特結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換增益約為8．5dB；倍頻鏈采用三級(jí)倍頻，輸出功率大于等于13dBm。寬帶信號(hào)源的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    DDS是第三代頻率合成技術(shù)，具有相對(duì)帶寬寬、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短、頻率分辨率高、輸出相位連續(xù)、高性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)。隨著現(xiàn)代集成電路的發(fā)展，高性能DDS芯片的工作時(shí)鐘越來(lái)越高，輸出帶寬越來(lái)越寬。AD9858直接數(shù)字頻率合成器的應(yīng)用非常廣泛靈活。它是由一個(gè)高效率的DDS核，一個(gè)32位的相位累加器，一個(gè)14位的相位偏移調(diào)整器，一個(gè)頻率為109次采樣的10位數(shù)膜轉(zhuǎn)換器四部分組成。并且高性能DDS芯片AD9858增加了自動(dòng)掃頻的功能，提供了頻率達(dá)2 GHz的混頻器，一個(gè)相位頻率檢測(cè)器以及一個(gè)可編程的帶有高級(jí)快鎖功能的電荷泵。AD9858提供了串行和并行控制接口，通過(guò)這兩個(gè)控制接口可以寫數(shù)據(jù)到片內(nèi)數(shù)字寄存器控制所有操作，很容易配置AD9858。四組用戶頻率相位控制字(profi les)能由片外的兩個(gè)腳選定。這些用戶可以單獨(dú)選擇設(shè)定頻率轉(zhuǎn)換字和相位偏移字。AD9858可以進(jìn)行單音模式和掃頻模式的切換。為了省電，還能使AD9858工作在可編程的全睡眠模式，這種模式下多數(shù)器件功率降低從而減小電流。
    基帶信號(hào)源產(chǎn)生(200+50)MHz的基帶線性調(diào)頻信號(hào)，以AD公司高性能AD9858芯片和Altera公司的CycloneⅡ系列FPGA芯片為核心，由AD98 58芯片、FPGA芯片、帶通濾波器、射頻放大器和電源組成。
    AD9858芯片工作時(shí)鐘達(dá)到1 GHz，輸出帶寬達(dá)到400 MHz，內(nèi)置10位的A／D，并提供1／8頻率的工作時(shí)鐘給FPGA芯片，F(xiàn)PGA部分完成AD98 58控制字的加載，使其工作于掃頻模式，并產(chǎn)生整個(gè)系統(tǒng)收發(fā)開關(guān)的調(diào)制信號(hào)和基帶信號(hào)源的時(shí)序控制信號(hào)。基帶信號(hào)源的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

    AD9858有三種工作模式：掃頻模式、單音模式和休眠模式。AD9858工作模式的確定由功能控制字控制，包括起始頻率控制字(FTW)、步進(jìn)頻率控制字(DFTW)、步進(jìn)頻率斜率控制字(DFRRW)和工作模式控制字(CFR)。控制字FTW，DFTW和DFRRW分別由以下公式確定：
    FTW=(fs×232)／SYSCLK      (1)
    DFTW=(△f×231)／SYSCLK    (2)
    DFRRW=(△t×SYSCLK)／8     (3)
    fF=fs+T×△f／△t          (4)
    式中：SYSCLK為系統(tǒng)時(shí)鐘；fs為起始頻率；△f為步進(jìn)頻率；△t為步進(jìn)時(shí)間；fF為終止頻率；T為掃頻時(shí)間?；鶐盘?hào)源產(chǎn)生中心頻率為200 MHz、帶寬為100 MHz的線性調(diào)頻信號(hào)，起始頻率為150 MHz，終止頻率為250 MHz，脈沖寬度為4μs，參考時(shí)鐘為1 GHz。

3 寬帶雷達(dá)信號(hào)源的測(cè)試
    寬帶雷達(dá)信號(hào)源由基帶信號(hào)源和倍頻鏈組成，基帶信號(hào)源產(chǎn)生(200+50)MHz的線性調(diào)頻基帶信號(hào)，然后經(jīng)倍頻鏈上變頻和倍頻，輸出1 GHz±400 MHz的線性調(diào)頻激勵(lì)信號(hào)。寬帶示波器(Agilent MS09064A型)和頻譜分析儀(Agilent E4440A型)分別測(cè)試基帶信號(hào)和激勵(lì)信號(hào)，檢驗(yàn)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
3．1 信號(hào)時(shí)域測(cè)試
    基帶信號(hào)源產(chǎn)生時(shí)寬為4μs，重頻為2 kHz的線性調(diào)頻脈沖串。寬帶示波器測(cè)試基帶信號(hào)如圖3，圖4所示，基帶信號(hào)時(shí)寬為4μs，脈沖串重復(fù)周期為500μs，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但是所產(chǎn)生的基帶信號(hào)幅度上存在調(diào)制，這是因?yàn)閷?shí)際電路中存在阻抗不匹配和濾波器的非理想幅度響應(yīng)。

    基帶信號(hào)由倍頻鏈上變頻和倍頻輸出激勵(lì)信號(hào)，其時(shí)寬亦為4μs，重頻為2 kHz。寬帶示波器測(cè)試激勵(lì)信號(hào)如圖5，圖6所示，激勵(lì)信號(hào)的時(shí)寬為4μs，脈沖串周期為500μs，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。由于倍頻鏈中包括帶通濾波器使得激勵(lì)信號(hào)相對(duì)于基帶信號(hào)在幅度上有所改善。
3．2 信號(hào)頻域測(cè)試
    寬帶信號(hào)源產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)頻譜是否達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，一定程度上影響寬帶雷達(dá)的性能。頻譜分析儀分別測(cè)試基帶信號(hào)源產(chǎn)生的線性調(diào)頻基帶信號(hào)和經(jīng)過(guò)倍頻鏈輸出的線性調(diào)頻激勵(lì)信號(hào)。頻譜分析儀測(cè)試所產(chǎn)生的線性調(diào)頻基帶信號(hào)的帶寬和雜散抑制，分別如圖7，圖8所示。

    頻譜分析儀測(cè)試基帶信號(hào)，其帶寬達(dá)到100 MHz，帶外抑制不小于35 dB，雜散抑制不小于65 dBc。從圖7可以看出，其基帶信號(hào)的頻譜帶內(nèi)幅度存在調(diào)制，這和寬帶示波器測(cè)試結(jié)果一致，都是因?yàn)殡娐分凶杩共黄ヅ浜蜑V波器非理想幅度響應(yīng)曲線造成的。
    基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)倍頻鏈上變頻和倍頻輸出激勵(lì)信號(hào)，頻譜分析儀測(cè)試激勵(lì)信號(hào)的帶寬和雜散抑制分別如圖9，圖10所示。

    頻譜分析儀測(cè)試激勵(lì)信號(hào)，其信號(hào)帶寬為800 MHz，帶外抑制不小于55 dB，雜散抑制不小于35 dBc。激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過(guò)倍頻后，其中心頻率搬移到1 GHz，帶寬為800 MHz。和寬帶示波器測(cè)試激勵(lì)信號(hào)一樣，由于倍頻鏈中帶通濾波器存在，激勵(lì)信號(hào)的幅度響應(yīng)曲線相對(duì)于基帶信號(hào)有所改善。

4 結(jié)語(yǔ)
    寬帶信號(hào)源產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)的好壞，在一定程度上決定寬帶雷達(dá)性能。本文給出的寬帶雷達(dá)信號(hào)源設(shè)計(jì)方案，由基帶信號(hào)源和倍頻鏈組成?；鶐?strong>信號(hào)源選用高性能的AD9858芯片，產(chǎn)生線性調(diào)頻基帶信號(hào)，經(jīng)過(guò)倍頻鏈的上變頻和倍頻，輸出激勵(lì)信號(hào)。所產(chǎn)生的基帶信號(hào)和激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過(guò)寬帶示波器和頻譜分析儀測(cè)試，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，這對(duì)寬帶雷達(dá)設(shè)計(jì)有一定意義。