吳志毅，羅　凌

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 廣元620840）

基于AD9914寬帶線性調(diào)頻源的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)*

吳志毅，羅凌

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 廣元620840）

介紹了一種基于ADI公司最新器件AD9914設(shè)計(jì)的寬帶微波中頻線性調(diào)頻源，其瞬時(shí)工作帶寬超過1 000 MHz，克服了國(guó)內(nèi)研究處于200 MHz～400 MHz帶寬的技術(shù)難題。同時(shí)，提出了一種利用DDS可編程特性對(duì)信號(hào)的相位進(jìn)行分段補(bǔ)償從而獲得高邊帶抑制比的方法。

FPGA；AD9914；雷達(dá)信號(hào)處理；寬帶微波中頻源

0　引言

在現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)中，對(duì)雷達(dá)工作頻率、頻率穩(wěn)定度和頻帶寬度都有很高的要求[1]。因此，雷達(dá)為了獲得較高的分辨率以激勵(lì)出目標(biāo)細(xì)節(jié)特征，雷達(dá)微波源的發(fā)射信號(hào)必須具有較大瞬時(shí)帶寬。

1　方案選擇

目前產(chǎn)生較大瞬時(shí)帶寬的雷達(dá)微波中頻源發(fā)射信號(hào)主要有四種方式[2]，分別為 DDS拼接方式、正交調(diào)制方式、多本振混頻拼接方式、高參考時(shí)鐘的DDS產(chǎn)生方式。其中DDS是目前數(shù)字產(chǎn)生線性調(diào)頻信號(hào)的主要方式。DDS參考時(shí)鐘頻率高低與D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)決定了 DDS產(chǎn)生信號(hào)的雜散及最高輸出頻率。

在實(shí)際應(yīng)用中往往是綜合使用，而最常用的是正交調(diào)制方式和多本振拼接方式[3]。正交調(diào)制方式硬件電路簡(jiǎn)潔、調(diào)試方便，但受正交調(diào)制器性能的影響，帶寬范圍有限。多本振拼接方式帶寬范圍靈活可變，但拼接處的相位差補(bǔ)償比較困難。

本方案采用高參考時(shí)鐘的 DDS產(chǎn)生寬帶微波線性調(diào)頻源的方式。DDS選用ADI公司生產(chǎn)的最高端的AD9914作為寬帶微波線性調(diào)頻信號(hào)的核心器件[4]。AD9914是高性能直接數(shù)字頻綜，內(nèi)含12位的DAC，支持高達(dá)3.5 GS/s的采樣速率，輸出最高點(diǎn)頻可達(dá) 1.5 GHz，寬帶雜散-50 dB，輸出頻率在 1.396 GHz時(shí)，相位噪聲≤-128 dBc/Hz@1 kHz。AD9914采用先進(jìn)的制造工藝，不用外部操作就可以降低功率損耗。用戶通過控制3個(gè)參數(shù)（頻率、相位和幅度）來控制DDS，DDS 32位累加器提供快速的頻率跳變和頻率轉(zhuǎn)換，它的分辨率為0.23 Hz，DDS還可以進(jìn)行快速相位和幅度轉(zhuǎn)換。通過串行的輸入／輸出口編程內(nèi)部的寄存器來控制 AD9914，AD9914通過靜態(tài)的RAM來產(chǎn)生頻率、相位和幅度。為了獲得更多的調(diào)制功能，可以用高速的并行數(shù)據(jù)口控制頻率、幅度和相位的調(diào)制。AD9914有四種工作模式：?jiǎn)我纛l模式、RAM模式、鋸齒波調(diào)制模式（DRG）、并行數(shù)據(jù)傳輸模式，模式相關(guān)的數(shù)據(jù)源提供控制DDS的參數(shù)，即頻率、相位、幅度，通過特殊的控制字來自動(dòng)執(zhí)行頻率、相位、幅度的不同組合。

2　方案設(shè)計(jì)

寬頻帶微波中頻信號(hào)源的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

100MHz晶振通過二功分器，一路 100 MHz信號(hào)直接激勵(lì)諧波發(fā)生器，諧波發(fā)生器按100 MHz間隔輸出梳狀譜信號(hào)，通過3 200 MHz窄帶濾波器濾波、放大、濾波輸出3 200 MHz、0 dBm的射頻信號(hào)到 AD9914的系統(tǒng)時(shí)鐘輸入端。另一路100 MHz信號(hào)加到FPGA的時(shí)鐘輸入端，F(xiàn)PGA在外部計(jì)算機(jī)控制下，輸出相應(yīng)的 SPI數(shù)據(jù)和控制時(shí)序到AD9914數(shù)據(jù)輸入端和時(shí)序控制端，AD9914在FPGA控制下產(chǎn)生各種相應(yīng)的寬帶微波線性調(diào)頻信號(hào)。FPGA并口控制時(shí)序電路內(nèi)部設(shè)計(jì)如圖2所示，F(xiàn)PGA并口控制時(shí)序仿真如圖3所示。

圖1　AD9914寬帶線性調(diào)頻源的框圖

圖2　FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)

圖3　控制時(shí)序

實(shí)際工作中，電源的好壞和腔體的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到輸出信號(hào)頻譜純度。因此電路設(shè)計(jì)中為減少輸出信號(hào)的雜散，提高輸出信號(hào)的相位噪聲指標(biāo)，對(duì)諧波發(fā)生器、FPGA和 AD9914的電源采用兩個(gè)獨(dú)立的開關(guān)電源進(jìn)行分配，在器件近端根據(jù)不同的電源品種采用獨(dú)立的低壓差、高噪聲抑制的可調(diào)線性穩(wěn)壓電源進(jìn)行獨(dú)立供電，在電源濾波回路上串接磁珠或電感來提高電源噪聲隔離，AD9914模擬電源與數(shù)字電源進(jìn)行隔離。對(duì)3 200 MHz的窄帶濾波器采用回流焊工藝將濾波器外殼直接焊接到印制板上，以提高對(duì)100 MHz諧波信號(hào)的抑制。電源及微波部分與數(shù)字控制部分采用分腔設(shè)計(jì)。AD9914寬帶微波線性調(diào)頻信號(hào)源的實(shí)物如圖4所示。

圖4　AD9914寬帶線性調(diào)頻信號(hào)源實(shí)物

3　測(cè)試結(jié)果

3.1帶寬

AD9914在輸入3 200 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘，通過輸入不同的控制指令，分別輸出帶寬為500 MHz、1 000 MHz寬帶微波中頻線性調(diào)頻信號(hào)如圖5、圖6所示。從實(shí)際信號(hào)頻譜上可以看出，AD9914輸出 500 MHz寬帶微波中頻線性調(diào)頻信號(hào)幅度起伏小于1 dB，輸出1 000 MHz寬帶微波中頻線性調(diào)頻信號(hào)幅度起伏小于 2.2 dB，AD9914產(chǎn)生寬帶微波中頻線性調(diào)頻信號(hào)調(diào)制斜率指標(biāo)優(yōu)于采用帶寬拼接方式，雜散指標(biāo)優(yōu)于正交調(diào)制+混頻等方式產(chǎn)生的寬帶微波中頻線性調(diào)頻信號(hào)10 dB以上。

圖5　帶寬為500 MHz線性調(diào)頻

圖6　帶寬為1 000 MHz線性調(diào)頻

3.2相位噪聲與雜散

由頻譜儀測(cè)試500 MHz帶寬相位噪聲與雜散如圖7、圖8所示。相噪指標(biāo)達(dá)109.029 dB，雜散指標(biāo)為58.63 dB。

圖7　500MHz相位噪聲

圖8　500MHz雜散

由頻譜儀測(cè)試1 000 MHz帶寬相位噪聲與雜散如圖9、圖10所示。實(shí)測(cè)相噪指標(biāo)達(dá) 104.172 dB，雜散指標(biāo)為51.21 dB。

圖9　1000 MHz相位噪聲

圖10　1000 MHz雜散

3.3寬帶線性調(diào)頻

對(duì)中心頻率750 MHz、調(diào)頻帶寬500 MHz寬帶線性調(diào)頻信號(hào)在 SPAN 2 GHz、SPAN 2 kHz調(diào)制信號(hào)頻譜如圖11、圖12所示。

圖11　SPAN 2 GHz寬帶線性調(diào)頻信號(hào)頻譜

圖12　SPAN 2 kHz寬帶線性調(diào)頻信號(hào)頻譜

3.4組合線性調(diào)頻信號(hào)

對(duì)應(yīng)中心頻率500 MHz、調(diào)頻帶寬16 MHz組合線性調(diào)頻信號(hào)在SPAN 500 MHz、SPAN 100 MHz調(diào)制信號(hào)頻譜如圖13、圖14所示。

圖13　SPAN 500 MHz組合線性調(diào)頻信號(hào)頻譜

圖14　SPAN 100 MHz組合線性調(diào)頻信號(hào)頻譜

對(duì)中心頻率600 MHz、調(diào)頻帶寬1 000 MHz寬帶線性調(diào)頻信號(hào)在 SPAN 2 GHz、SPAN 2 kHz調(diào)制信號(hào)頻譜如圖15、圖16所示。

圖15　SPAN 2 GHz寬帶線性調(diào)頻信號(hào)頻譜

圖16　SPAN 2 kHz寬帶線性調(diào)頻信號(hào)頻譜

4　結(jié)束語

本文介紹了基于AD9914產(chǎn)生寬帶微波中頻線性調(diào)頻信號(hào)的設(shè)計(jì)方法，通過對(duì)實(shí)物的測(cè)試和技術(shù)評(píng)估，產(chǎn)生的寬帶微波中頻線性調(diào)頻信號(hào)指標(biāo)優(yōu)于傳統(tǒng)方式產(chǎn)生的線性調(diào)頻信號(hào)，對(duì)于雷達(dá)在相應(yīng)波段的應(yīng)用，具有通信導(dǎo)航靈活、方便，發(fā)展應(yīng)用前景廣闊。

[1]費(fèi)元春，蘇廣川.寬帶雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002.

[2]祝明波，常文革.采用數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)寬帶線性調(diào)頻信號(hào)產(chǎn)生[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2000，22(5)：93-96.

[3]吳志毅.射頻電路設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2014.

[4]ADI.1.6 GHz Clock Distribution IC.Dividers，Delay Adjust，Three Outputs.2005.

Design and realization of a broadband microwave frequency source

Wu Zhiyi，Luo Ling
（Sichuan Institute of Information Technology,Guangyuan 620840，China）

This paper introduces a latest broadband microwave frequency source of linear frequency modulation based on AD company′s AD9914,the instantaneous working bandwidth more than 1 000 MHz,overcome the domestic research in the 200 MHz to 400 MHz bandwidth technology bottleneck.At the same time,this paper proposes a feature of using programmable DDS to the phase of signal is piecewise compensation and then the method to obtain high sideband suppression ratio.

FPGA；AD9914；radar signal processing；broadband microwave frequency source

TN957.3

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.10.007

廣元市科技支撐項(xiàng)目(2013)38

2015-02-11)

吳志毅(1968-)，男，高級(jí)工程師,主要研究方向：射頻/微波技術(shù)、應(yīng)用電子技術(shù)。

中文引用格式：吳志毅，羅凌.基于 AD9914寬帶線性調(diào)頻源的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41(10)：30-33.

英文引用格式：Wu Zhiyi，Luo Ling.Design and realization of a broadband microwave frequency source[J].Application of Electronic Technique，2015，41(10)：30-33.