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現代雷達面臨著綜合性電子干擾、反輻射導彈、低空和超低空突防以及目標隱身技術的等4大威脅，這就要求現代雷達具有反地物、抗積極和消極干擾、反隱身和自身生存的能力，其信號具有頻率捷變、波形參數捷變以及自適應跳頻的能力。因此對雷達信號產生器提出了越來越高的要求，要求具有寬頻帶、高精度、高穩定以及快速跳變的能力。隨著現代電子技術的發展，高性能直接數字合成DDS(Direct DigitalSynthesis)技術、數字信號處理DSP(Digital Signal Processing)技術及大規模可編程邏輯器件技術和電子計算機的應用為此類問題的解決提供了一種新的途徑。AD9858是ADI公司推出的一款高性能，工作頻率高達1 GHz，雜散性能指標更高于以前的產品，可方便快速地產生線性調頻、單頻脈沖及編碼調制信號。本文是在介紹DDS的基本原理的基礎上，利用DDS器件AD9858，并結合單片機+CPLD的設計方法實現寬帶雷達信號源。 1 DDS的基本原理 DDS技術是一種把一系列數字量形式的信號通過數字模擬轉換器DAC(digital analog converter)轉換成模擬量形式信號的合成技術。正弦輸出的DDS原理框圖如圖1所示。 相位累加器在A位頻率控制字FCW(Frequencv Control Word)的控制下，以參考時鐘頻率fc為采樣率，產生待合成信號相位的數字線性序列。將其高P位作為地址碼，通過查詢正弦表ROM，產生S位對應信號波形的數字序列S(n)，再由數／模轉換器(DAC)將其轉化為階梯模擬電壓波形S(t)，最后由低通濾波器LPF平滑為正弦波輸。 頻率控制字FCW和時鐘頻率fc共同決定了DDS輸出信號的頻率f0，它們之間的關系滿足： 所以，在DDS結構及fc確定的前提下，通過FCW的控制就可以方便地控制輸出頻率f0。其頻率分辨率為： 按照Naquist準則，最高輸出頻率可達0．5fc。但考慮到實際低通濾波器的限制，最高輸出頻率一般為0．4fc。 由于DAC非線性作用的存在，使得查表所得的幅度序列從DAC的輸入到輸出要經過一個非線性過程。于是就會產生輸出信號f0的諧波分量。又因為DDS是一個采樣系統，所以這些諧波會以fc周期搬移，即： 式中，k、m為任意整數。 它們落到Naquist帶寬內就形成了有害的雜散頻率，頻率的位置可以確定，但幅度難以確定(其分布為sin(x)／x)。所以在工程設計過程中要充分考慮輸出頻帶，注意避免上述雜散分量落入其中，以此獲得較好的雜散指標。 2 AD9858型DDS簡介 AD9858的工作頻率高達1 GHz，由于該芯片在時鐘輸入端提供有二分頻器，因而其外部時鐘最高可達2 GHz。和其他的高速DDS產品不同，AD9858內部集成有1O位數模轉換器，其頻率分辨率(即頻率累加器位數)為32位，可輸出高達400 MHz的信號。內部集成的可編程快鎖充電泵 (charge pump)和鑒頻器(phase frequency detector)使其非常適合于高速DDS和鎖相環結合應用的場合。同時，它還提供有模擬混頻器，可適用DDS、PLL和混頻器相結合的應用場合，能滿足設計者的低相位噪音、低虛假能量、快速頻率轉換和寬帶寬線性掃描的要求。此外，AD98 58的雜散抑制性能和諧波抑制性能也非常突出，當輸出40 MHz信號時，±1 MHz帶寬內的數模轉換SFDR為-87 dBc；輸出180 MHz信號時，±1 MHz帶寬內的數模轉換SFDR為-84 dBc。因而其適合用在無線設備、軍事以及航空雷達的設計當中。 圖2為該系統設計框圖。 AD9858的主要性能指標如下：具有1千兆次／秒的采樣速率：具有高達2 GHz的輸入時鐘(可以2分頻)；集成有10位D／A轉換器；內含32位可編程頻率寄存器；帶有8位并行及SPI串行控制接口；自動頻率掃描功能；內帶4套頻率寄存器；采用3．3 V低電源供電；采用100引腳EPAD-TQFP封裝：10)集成有2 GHz的混頻器。 AD9858的主要引腳包括數據線D7～DO、地址線ADDR5～ADDR0、參考時鐘輸入引腳(REFCLK)、DAC輸出(IOUT)、寄存器組選擇信號(PSO、PSl)、頻率更新引腳(FUD)、系統同步時鐘(sysclk)及復位信號(RESET)等。 AD9858的系統結構共分3大塊：DDS核、模擬混頻器和數字鎖相環。DDS核可在數字域產生能夠表示正弦曲線的數字值。通過設置不同的工作模式，DDS核可通過幅相轉換器將這些正弦曲線值轉換為頻率、相位或調制成攜帶信息的信號。數字鎖相環則由數字相頻檢測器(PHD)驅動具有高速鎖存邏輯電路的電荷泵所組成。它與DDS核聯合使用可擴大頻率合成的范圍。模擬混頻器采用差動輸入，其輸入級內部采用直流偏差，外部采用交流匹配方式連接，輸出為中頻信號。 其內部可用資源包括控制字寄存器CFR、步進頻率轉換字寄存器DFTW和16位步進頻率斜率字寄存器DFRRW以及4套相互獨立的工作組(Pro-fileO～3)。每個工作組包括1個頻率轉換字FWFT(32位)和相位偏移字POW(14位)寄存器。4個工作組之間由外部引腳PSO和PSl進行切換，當其中1套寄存器處于工作狀態時，允許用戶改變另外3套寄存器的值，從而獲得不同的頻率和相位偏移。其對應關系見表1。 AD9858的操作模式有單邊帶、頻率掃描及全睡眠模式3種。常用模式為單邊帶和頻率掃描模式。無論AD9858工作在哪種工作模式，其相位的變換是連續的。 AD9858作為一個可編程DDS器件，其配置相對比較簡單，頻率調節字和控制字可以以并行方式或串行方式寫入。將數據寫入控制與工作有關的寄存器中就可以配置AD9858了。AD9858可配置為單邊帶、頻率掃描及全睡眠模式3種。為了節省功耗，可以通過編程使其進入全休眠狀態。 3 系統組成 由AD9858產生的雷達信號源的系統組成框圖如圖3所示。主要由AD9858、單片機MCU和CPLD(可編程邏輯器件)構成，其中AD9858直接從外部引入l GHz信號作為DDS工作時鐘。 該系統在工作時，控制計算機通過串口發出控制信號以決定系統產生波形的種類及參數，并將頻率碼打入單片機內部。CPLD的作用是產生DDS系統所需要的全部控制信號，并根據操作模式控制信號來決定所產生波形的周期，從而使其向AD9858發控制字，并產生預期的信號波形。AD9858采用差動電流輸出，然后經偏壓電阻網絡形成輸出電壓，再經上變頻電路送至微波接口。其編程時序如圖4所示，AD9858內部寄存器的值在FUD的上升后被更新。 該系統的優點是結構簡單、體積小、易于調試、輸出線性調頻信號相位連續、諧波抑制好。 4 信號產生 用高速DDS器件AD9858可方便產生寬帶雷達信號，如單頻脈沖、線性調頻信號及編碼調制信號。對AD9858來說，產生單頻信號的方法比較簡單，只要更新頻率調節字寄存器內容并且在控制功能寄存器中設置為單頻模式即可，因此以下主要介紹線性調頻信號及編碼調制信號產生的方法。 4．1 線性調頻信號的產生 AD9858具有自動頻率掃描功能，由頻率累加器來完成。頻率累加器重復將一個頻率增長值加到當前的頻率值，這樣使DDS產生的頻率隨時間改變。頻率增長值由用戶預先寫入的△頻率調整字(DFTW)來決定，而頻率增長速度則由寫入的△頻率跳變字(DFRRW)來決定，這2個寄存器使得AD9858能從由頻率調整字(FTW)決定的起始頻率開始，以期望的速率和步長向上或者向下線性掃描。圖5展示出了掃頻信號的產生。 DFRRW寄存器是一個減數計數器，當計數到零時，頻率更新一次。DFRRW的單位值對應的時間值為SYSCLK／8，若時鐘頻率為l GHz，DFRRW為l，此時頻率更新時間是8 ns，更新速度達到最大值125 MHz。DFTW寄存器用來聲明是向上還是向下掃描：正數向上掃描，負數相反。 掃描不能自動停止在所期望的頻率上，用戶必須事先計算出到達期望頻率的時間，然后寫0到DFRRW寄存器中，使AD9858停止掃描，計算掃描時間： 式中，T是頻率掃描的時間間隔；fs是起始頻率，計算公式如下： fF是終止頻率。 起始頻率存儲在FTW中，這個值在整個掃描過程中不會改變。將控制寄存器中的自動清除頻率累加器位置1，頻率累加器清零，AD9858回到起始頻率開始新一輪掃描。 4．2 相位編碼調制信號產生 相對于ADI公司以往的DDS而言，AD9858的優勢在于具有4套頻率發生寄存器及4個相位調整寄存器，這使得它可以方便快速產生編碼調制信號，而且其轉換時間很短。這是因為這4組控制寄存器的選擇是依靠外部選擇信號PSl、PS0來實現的，這2根選擇信號連接到CPLD的可編程I／0輸出引腳，通過它們對I／0引腳進行操作的時間遠遠小于對數據總線的操作時間。因此可以方便地產生二相或四相編碼調制信號。下面以四相碼為例簡要說明AD9858產生編碼調制信號的控制流程，其時序如圖6所示。 1)向AD9858的4個相位調整寄存器內置入0°、90°、180°及270°； 2)向AD9858的4個頻率字控制寄存器內置入編碼調制信號的基率； 3)控制CPLD向AD9858的FUD引腳發出頻率更新信號并產生波形，同時啟動MCU內部定時器對碼元寬度進行計數； 4)在MCU中斷服務程序中發相位選擇信號，即控制PSI、PS0以進行相位選擇。 由以上的測試圖可知：在窄帶(1 MHz)條件下輸出26、65和375 MHz的信號雜散分別為：87，80，78 dBc；在寬帶(500 MHz)條件下輸出26 MHz的信號雜散為64 dBc。 通過實際使用情況來看，用AD9858設計的信號源工作平穩，精度高，且工作帶寬也較大(可穩定工作于400 MHz)，各項指標符合使用要求。從測量情況來看，DDS頻率合成器試驗表明，采用AD9858產生的4相碼編碼調制信號碼元之間的間隔僅為幾十ns甚至更低，這是其他DDS器件所無法達到的。 5 實驗及測試結果 通過以上的討論，構建了寬帶雷達信號產生器，其實物如圖7所示，并對其進行測試。 測試時，采用的是點頻模式，這樣方便對其雜散性能指標進行測試，產生的點頻分別為窄帶(1 MHz)26 MHz，65，375 MHz以及寬帶(500 MHz)26 MHz信號。測試的結果分別如圖8窄帶點頻信號及圖9寬帶點頻信號所示。圖8和圖9是利用示波器直接對信號進行測試的結果。 由以上的測試圖可知：在窄帶(1 MHz)條件下輸出26、65和375 MHz的信號雜散分別為：87，80，78 dBc；在寬帶(500 MHz)條件下輸出26 MHz的信號雜散為64 dBc。 通過實際使用情況來看，用AD9858設計的信號源工作平穩，精度高，且工作帶寬也較大(可穩定工作于400 MHz)，各項指標符合使用要求。從測量情況來看，DDS頻率合成器的頻率純度和穩定度相當高，其在窄帶時無雜散動態范同SFDR優于75 dBc，寬帶無雜散動態范圍SFDR優于55 dB。 6 結束語 本文介紹了DDS的基本原理及DDS芯片AD9858的結構和功能，對所設計的系統的結構進行了論述，對采用單片機+CPLD的方法控制AD9858實現寬帶雷達信號源進行了詳細說明。實驗結果表明，該系統設計比以往的系統速度要快3倍，但功耗卻不增加，用該系統設計構成的信號源產生的信號精度高，轉換速度快。 |
