基于AD9854的非線性調(diào)頻脈壓雷達信號的產(chǎn)生技術(shù)
摘要:由于非線性調(diào)頻(NLFM)信號固有的距離旁瓣較低而無需加權(quán)處理,避免失配損失而倍受關(guān)注。介紹一種基于直接數(shù)字頻率合成(DDS)的非線性調(diào)頻信號的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和軟件設計方法。該設計主要通過控制DDS器件AD9854,采用折線型逼近方式產(chǎn)生非線性調(diào)頻信號。實驗證明該設計滿足要求。
關(guān)鍵詞:非線性調(diào)頻(NLFM);直接數(shù)字合成(DDS);AD9854;旁瓣抑制
1 引言
雖然線性調(diào)頻信號在提高雷達性能方面已經(jīng)展現(xiàn)了顯著的優(yōu)勢,但其脈沖壓縮時會有較高的旁瓣,不便于鄰近弱目標的檢測。若采用失配加窗的方法抑制距離旁瓣,又會引起信噪比損失,降低雷達的距離分辨力。非線性調(diào)頻信號因其固有的距離旁瓣較低,無需加權(quán)就可獲得很高的主旁瓣比、較窄的主瓣寬度和良好的多普勒響應能力。另外,從雷達信號的低截獲概率方面考慮,由于時寬帶寬的平方根與截獲因子成反比,脈沖壓縮信號也是實現(xiàn)雷達低截獲概率的主要技術(shù)措施之一,所以研究產(chǎn)生非線性調(diào)頻信號具有重要的現(xiàn)實意義。采用現(xiàn)今流行的DDS器件(AD9854),做為主控制器件通過分段線性折線逼近法硬件,產(chǎn)生非線性調(diào)頻信號。
2 基本原理
2.1 S型調(diào)頻函數(shù)設計
非線性調(diào)頻函數(shù)設計主要是S型調(diào)頻函數(shù)的設計,其產(chǎn)生的主要方法是基于各種窗函數(shù)進行波形設計,常用的窗函數(shù)有海明窗(Hamming)、漢寧窗(Hanning)、余弦4次方窗,布萊克曼(Blackman)窗等,這里采用海明窗設計。
利用相位逗留原理,海明窗的窗函數(shù)可得到信號的群延時為:
式中,k為常數(shù),且滿足為信號調(diào)頻帶寬。
式(1)求反函數(shù),得到信號的調(diào)頻函數(shù)f(t)=T-1(f),因而相位函數(shù)為:
實際上,很難將式(1)的反函數(shù)寫成解析形式,而只能得到其數(shù)值反函數(shù),這樣式(2)的連續(xù)積分變?yōu)閿?shù)值積分,故非線性調(diào)頻信號的產(chǎn)生則基于數(shù)值方法實現(xiàn)。
設置信號的各參數(shù):時寬τ=20μs,帶寬B=4 M,采樣頻率fS=2B,2(f)=0.54+0.46cos(2πf/B),然后對信號脈壓仿真,圖1給出非線性調(diào)頻信號不加窗和加窗后的脈壓效果對經(jīng),可看出,非線性調(diào)頻NLFM的脈壓具有良好的旁瓣抑制,加窗后的脈壓只比不加窗減少了約9 dB。
2.2 DDS原理
圖2為DDS的基本原理框圖,它主要由標準參考頻率源、相位累加器、波形存儲器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器等組成。其中,參考頻率源是一個高穩(wěn)定的晶體振蕩器,其輸出信號用于DDS中各部件同步工作。DDS作為一種頻率合成器,應用取樣原理。即以較高的參考頻率作為取樣時鐘,在時鐘的每個周期內(nèi),希望輸出得到頻率波形取樣值。輸出取樣值的大小由相位累加器輸出的相位決定,而輸出波形的頻率由送入DDS的頻率控制字FTW決定。
3 硬件結(jié)構(gòu)設計及軟件實現(xiàn)
3.1 AD9854簡介
AD9854數(shù)字合成器是采用先進的DDS技術(shù),并有2個內(nèi)部高速、高性能的正交D/A轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)數(shù)字可編程的I和Q路合成器功能。當AD9854作為精確的時鐘源時,它能產(chǎn)生高穩(wěn)定度,頻率、相位、幅度均可編程的正弦和余弦輸出且能用作一個靈活的本振,應用通信、雷達等領(lǐng)域。AD9854的高速DDS內(nèi)核提供了48位的頻率分辨率(當SYSCLK為300 MHz時,調(diào)節(jié)分辨率1Hz),相位截斷到17位,保證良好的SFDR。AD9854的電路結(jié)構(gòu)允許產(chǎn)生頻率達到150 MHz的正交輸出信號,它能在高達100 MHz/s更新頻率下進行數(shù)字調(diào)節(jié)。
3.2 硬件設計方案
信號產(chǎn)生系統(tǒng)硬件主要有AD9854,ADSP21065L,帶通濾波器,F(xiàn)PGA噪聲產(chǎn)生電路,DDS輸出中頻信號增益控制,噪聲信號相加電路,以及相關(guān)的時鐘,電源,F(xiàn)PGA控制等功能單元。DDS模塊主要由AD9854,ADSP21065L和相應的FPGA控制邏輯構(gòu)成。ADSP21065L根據(jù)FPGA的控制時序來設置DDS的工作方式和控制字。圖3為信號產(chǎn)生系統(tǒng)的硬件邏輯框圖。
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具體模塊功能說明:
(1)DDS控制模塊 ADSP21065L外部輸入20 MHz時鐘,最高工作在60 MHz,主要控制AD9854,向AD9854寫控制字,中斷輸入IRQ0~IRQ2接FPGA,外部采用上拉電平。其中,一個作為雷達的重頻周期信號,一個作為雷達波形的時序信號,而另一個保留。Flag0~Flag11是雙向輸入引腳,主要為AD9854產(chǎn)生3個控制信號,也可作為外部的輸入控制信號,要求外部可控。ADSP-21065L的外部供電電源為3.3 V,采用板上(REG1117)直流變換器實現(xiàn)。ADSP21065L的加載采用EPROM(27C512)方式,用JTAG調(diào)試。FPGA采用Cyclone系列的EP1C3T144,主要產(chǎn)生各種控制信號和時序信號。FPGA的輸出信號有:輸出 1路復位信號到DSP和AD9854,AD9854的控制信號CS、WR、UPCLK和F/B/H。20 MHz的DSP時鐘信號和40 MHz的AD9854時鐘信號。
(2)DDS信號產(chǎn)生模塊 DDS AD9854的最高工作頻率是300 MHz,它主要接收ADSP-21065L的控制字,產(chǎn)生脈沖雷達波形。當外部輸入40 MHz時,內(nèi)部頻率倍增器設置其工作頻率為200 MHz。其工作電壓3.3 V,也可由外部輸入的直流電源經(jīng)過本板的兩片REG1117型DC-DC變換器變換得到。AD9854有5種可編程的工作模式,選擇一種模式需要編程控制寄存器(并行地址1FH)中的mode0,mode1,mode2。5種可編程的工作模式為:單音調(diào)(模式000);非斜升的FSK(模式001);斜升FSK(模式010);線性調(diào)頻脈沖(模式011);相位編碼(模式100)。對于NLFM信號,采用線性調(diào)頻折線逼近式實現(xiàn),如圖4所示。因此,將調(diào)頻區(qū)域分為幾段,每段用不同的線性調(diào)頻逼近,即第一段更新頻率字,后面每段起更新頻率增量字,時間增量字就能實現(xiàn)折線型NLFM信號。
(3)電源模塊 該信號產(chǎn)生模塊的輸入電源具有+5 V和-5 V,需要產(chǎn)生3.3 V,1.5 V,利用5片REG1117實現(xiàn)。其中1片為DSP,2片為AD9854,2片分別為FPGA產(chǎn)生3.3 V和1.5 V。若其余的I/O設備也需使用3.3 V,則與FPGA共用。
3.3 軟件實現(xiàn)方法
在確定線性調(diào)頻LFM信號或非線性調(diào)頻NLFM信號的時頻曲線后,根據(jù)信號的形式及附帶參數(shù),設置并實時控制DDS等硬件產(chǎn)生所需的調(diào)頻信號。通過分析可知AD9854具有線性調(diào)頻產(chǎn)生模式,所以只需設置線性調(diào)頻信號的其模式控制字、頻率控制字、頻率增量字、時間增量字,并在適當?shù)臅r間停止輸出,就可得到所需時寬的LFM信號。但對于NLFM,需要對其調(diào)頻函數(shù)進行分段、逼近才能得到。常用的方法有階梯形逼近和折線形逼近兩種。在同樣采樣間隔條件下,折線形逼近的誤差要小的多,因為根據(jù)曲線多項式展開擬合理論分析,折線形逼近的誤差是二次項以上的成分,而階梯形逼近的誤差是一次項以上的成分。并且對于要產(chǎn)生的反S型NLFM信號,中間一段接近線性調(diào)頻,所以只需對其兩端細化處理,而中間部分線性處理,這樣在盡可能少的分段情況下得到高精度的NLFM信號,減少頻繁更新DDS控制字而帶來的更新延時。圖5為理想信號脈壓和近似信號脈壓的對比。
4 結(jié)語
實驗結(jié)果表明,近似后的信號主旁瓣比只降低5 dB,完全可達到所需的性能指標。從器件的選取考慮,由于AD9854為并行數(shù)據(jù)操作,其速度遠遠高于串行操作,實現(xiàn)了更高頻率變化的NLFM信號,同時,該器件具有48位的相位累加器字長,頻率分辨率可達7.2x10-7Hz,這是傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)所難以實現(xiàn)的。