占 超，蔡新舉，劉雙青

（1.海軍航空工程學(xué)院 電子信息工程系，山東 煙臺(tái) 264001；2.中國(guó)人民解放軍92515部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125001；3.中國(guó)人民解放軍91341部隊(duì)，遼寧 東港 118300）

0 引 言

雷達(dá)系統(tǒng)在生產(chǎn)和研制過(guò)程中，需要對(duì)雷達(dá)性能的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，雷達(dá)信號(hào)模擬器可以模擬不同體制、不同頻率、不同脈沖寬度的雷達(dá)信號(hào)，而且參數(shù)調(diào)節(jié)靈活，可以方便地為雷達(dá)系統(tǒng)性能的驗(yàn)證提供可靠依據(jù)[1]。頻率源是雷達(dá)信號(hào)模擬器的心臟，當(dāng)前電子系統(tǒng)中的高性能信號(hào)源都是由頻率合成技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。DDS是一種從相位的概念出發(fā)，由不同相位對(duì)應(yīng)不同的電壓幅值，采用數(shù)字采樣技術(shù)進(jìn)行頻率合成的新方法。DDS將數(shù)字處理技術(shù)引入到信號(hào)的頻率合成領(lǐng)域之中，讓計(jì)算機(jī)參與到頻率合成，把輸出的數(shù)字信號(hào)通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變成為所需要的模擬信號(hào)。與傳統(tǒng)的的頻率合成方法相比，DDS輸出頻率的帶寬大，頻率的分辨力高，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間快，可以輸出任意形狀的波形，易于編程控制，便于與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接[2]。

利用DDS能合成各種復(fù)雜波形，通過(guò)對(duì)外部電路進(jìn)行控制就能對(duì)輸出波形的頻率、相位、幅度等進(jìn)行精確的。只需對(duì)DDS內(nèi)部某些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，就能輸出所需要的波形信號(hào)[3]。本文采用FPGA技術(shù)與DDS技術(shù)相結(jié)合的方法，通過(guò)FPGA對(duì)DDS進(jìn)行控制波形輸出，設(shè)計(jì)出一個(gè)頻段在12.5～16 GHz范圍內(nèi)，可穩(wěn)定輸出普通連續(xù)波、頻率捷變、線(xiàn)性調(diào)頻、脈沖多卜勒等雷達(dá)信號(hào)的信號(hào)模擬器。

1 DDS工作原理

DDS主要由能夠產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)頻率的參考頻率源、N位相位累加器、正弦波形存儲(chǔ)表（ROM）、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和低通濾波器五部分組成，如圖1所示。外部控制器送來(lái)的頻率控制字K送入頻率寄存器中進(jìn)行存儲(chǔ)，每來(lái)一個(gè)時(shí)鐘脈沖，N位加法器就將頻率寄存器輸出的頻率控制數(shù)據(jù)與N位累加寄存器輸出端反饋回來(lái)的相位數(shù)據(jù)相加，相加的結(jié)果再送入N位累加寄存器輸入端。頻率控制數(shù)據(jù)K決定了相位累加器的步進(jìn)大小，每一個(gè)時(shí)鐘的作用下，相位累加器中的數(shù)值就累加一個(gè)步長(zhǎng)K；在參考時(shí)鐘的重復(fù)作用下，加法器不斷地對(duì)頻率控制數(shù)據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性相位累加，相位累加到滿(mǎn)量程時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一次溢出，這就是DDS的一個(gè)周期，因此相位的溢出頻率就是DDS的輸出頻率[4]。

圖1 DDS組成框圖

DDS輸出信號(hào)的頻率為：

DDS的最小輸出頻率，也為其頻率分辨力為：

2 雷達(dá)信號(hào)模擬器硬件設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用高穩(wěn)定度的恒溫晶振產(chǎn)生100 MHz頻率作為參考輸入時(shí)鐘，分別用于鎖相環(huán)模塊的頻率參考信號(hào)和FPGA模塊的時(shí)序控制所需的時(shí)鐘。鎖相環(huán)模塊根據(jù)晶振產(chǎn)生的100 MHz信號(hào)進(jìn)行鎖相，環(huán)路穩(wěn)定后經(jīng)VOC產(chǎn)生1 GHz輸出信號(hào)，最后通過(guò)帶通濾波輸入AD9910中作為采樣時(shí)鐘。模塊的控制核心和時(shí)序電 路 由 DSP（TMS320C2812）和 FPGA（XC3S500E）實(shí)現(xiàn)，該模塊在晶振100 MHz的時(shí)鐘信號(hào)觸發(fā)下，根據(jù)時(shí)序與邏輯控制信號(hào)，將上位機(jī)通過(guò)上位機(jī)接口送來(lái)的控制命令和數(shù)據(jù)，通過(guò)DDS控制接口模塊分別轉(zhuǎn)換送至AD9910芯片，根據(jù)系統(tǒng)要求控制DDS芯片產(chǎn)生需要的線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)、脈沖多普勒頻移信號(hào)、頻率捷變信號(hào)等雷達(dá)基帶信號(hào)。其系統(tǒng)總體組成如圖2所示。AD9910產(chǎn)生的基帶信號(hào)在射頻信號(hào)模塊中進(jìn)行混頻合成后，與不同波段的本振信號(hào)進(jìn)行上變頻可以產(chǎn)生不同波段的雷達(dá)信號(hào)。毫米波信號(hào)模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 AD9910簡(jiǎn)介

DDS芯片采用Analog公司的AD9910，它集成了14 b數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），并且支持高達(dá)1 GSPS的采樣速率。AD9910采用ADI公司的高級(jí)DDS專(zhuān)利技術(shù)，這種技術(shù)可顯著地降低功耗而無(wú)需犧牲性能。其DDS與DAC組合形成了數(shù)字可編程、高頻模擬輸出頻率合成器，能夠產(chǎn)生頻率高達(dá)400 MHz頻率靈活的正弦波形。用戶(hù)可以訪(fǎng)問(wèn)三個(gè)用于控制DDS的信號(hào)控制參數(shù)：頻率、相位和幅度。AD9910使用32 b累加器提供快速調(diào)頻和頻率調(diào)節(jié)分辨率。其采樣率為1 GSPS，調(diào)節(jié)分辨率為0.23 Hz。AD9910支持快速的頻率掃描、相位和幅度切換，可以方便地實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性調(diào)頻、相位編碼信號(hào)的合成[5]。

圖2 系統(tǒng)總體組成框圖

圖3 射頻信號(hào)模塊組構(gòu)圖

AD9910內(nèi)部集成1 024 Word×32 b的RAM存儲(chǔ)器，通過(guò)內(nèi)部復(fù)雜狀態(tài)機(jī)配合，RAM存儲(chǔ)器可以非常靈活的生成隨時(shí)間變化的任意波形。AD9910芯片的優(yōu)越性能，使其在雷達(dá)捷變頻本振頻率合成，雷達(dá)和掃描系統(tǒng)線(xiàn)形調(diào)頻源，極化調(diào)制器、雷達(dá)回波模擬等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

2.3 線(xiàn)形調(diào)頻信號(hào)設(shè)計(jì)

AD9910中集成了全數(shù)字斜坡發(fā)生器，可以從編程設(shè)定的起點(diǎn)到終點(diǎn)掃描相位、頻率和幅度。將全數(shù)字斜坡發(fā)生器設(shè)置為頻率掃描，即可產(chǎn)生線(xiàn)性調(diào)頻輸出信號(hào)。數(shù)字斜坡發(fā)生器的掃描參數(shù)可以完全由編程確定，包括斜坡掃描上、下限，正/負(fù)斜率掃描步長(zhǎng)和掃描步進(jìn)時(shí)間間隔。數(shù)字斜坡發(fā)生器的內(nèi)核是參考時(shí)鐘為SYN?CLK的32 b累加器，其頻率為：

若DDS系統(tǒng)時(shí)鐘（即DAC采樣時(shí)鐘）為1 GHz，則數(shù)字斜坡發(fā)生器的內(nèi)核參考時(shí)鐘為4 ns，也就是說(shuō)，數(shù)字斜坡發(fā)生器最短間隔4 ns就可以進(jìn)行一次掃描步進(jìn)，這對(duì)輸出線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)的線(xiàn)性度非常有利，即最小掃描步進(jìn)時(shí)間間隔為：

實(shí)際工作時(shí)，掃描步進(jìn)時(shí)間間隔可以編程控制：

式中：P為保存在掃描步進(jìn)時(shí)間間隔寄存器內(nèi)數(shù)據(jù)。掃描步長(zhǎng)M確定輸出信號(hào)頻率掃描步長(zhǎng)：

輸出線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)的斜率為：

斜坡累加器后有限值控制邏輯，可以強(qiáng)制設(shè)定數(shù)字斜坡累加器的輸出信號(hào)頻率的上界和下界，確保輸出信號(hào)在期望的頻率范圍內(nèi)線(xiàn)性?huà)呙?。掃描置上限后，可通過(guò)編程控制可以強(qiáng)制斜坡累加器清零，強(qiáng)制輸出信號(hào)頻率復(fù)位置下限頻率。

3 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)硬件設(shè)計(jì)方案，在完成雷達(dá)信號(hào)模擬器的硬件電路設(shè)計(jì)后，進(jìn)行了系統(tǒng)的調(diào)試。通過(guò)Aglient公司的頻譜儀E4447A進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得系統(tǒng)的主要參數(shù)有：

輸出頻率范圍：12.5～16 GHz。

分辨力：100 kHz。

相位噪聲：≤-75 dBc/Hz@10 kHz。

頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間：≤10 ms。

測(cè)試結(jié)果表明，該模擬器輸出信號(hào)穩(wěn)定可靠，各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)均達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。圖4為在測(cè)試過(guò)程中，當(dāng)輸出的中心頻率為15 GHz時(shí)，利用示波器和頻譜儀觀(guān)察到的波形圖。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了一種基于A(yíng)D9910的雷達(dá)信號(hào)模擬器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，該方法具有良好的適應(yīng)性和可擴(kuò)展性，可以根據(jù)雷達(dá)工作體制和頻率范圍靈活調(diào)整信號(hào)參數(shù)，產(chǎn)生需要的雷達(dá)信號(hào)。

圖4 利用示波器和頻譜儀觀(guān)察到的波形圖

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