應用于數字陣列的多通道波形產(chǎn)生系統設計

摘要：直接數字頻率合成(DDS)是數字陣列雷達(DAR)實(shí)現收發(fā)數字波束形成的關(guān)鍵技術(shù)之一。給出了一種基于DDS技術(shù)的多通道波形產(chǎn)生系統的設計方案，該方案在25 cm×12 cm的PCB板上實(shí)現了波形產(chǎn)生、波形捷變與幅相控制的系統集成設計。該系統能同時(shí)產(chǎn)生16路頻率、幅度和相位獨立控制的中頻雷達信號，滿(mǎn)足數字陣列雷達對收發(fā)陣列單元的高集成度、小型化、低成本和多功能的要求；系統實(shí)現的主要技術(shù)指標為；信號帶寬1～1 20 MHz可變，通道隔離度大于60 dBc，窄帶脈內信噪比大于65 dBc，滿(mǎn)足數字陣列雷達技術(shù)指標的要求。
關(guān)鍵詞：數字陣列雷達；波形產(chǎn)生；直接數字頻率合成；小型化

0 引言
數字陣列雷達(Digital Array Radar，DAR)在接收和發(fā)射模式下均采用數字波束形成(Digital Beam Forming，DBF)，實(shí)現射頻信號功率在空域靈活分配與接收，獲得優(yōu)良的收發(fā)波束特性，從而提升了雷達系統的多項性能，是雷達重要發(fā)展趨勢之一。在數字陣列雷達中，直接數字頻率合成(Direct Digital Synthesizer，DDS)是實(shí)現雷達波形產(chǎn)生與發(fā)射波束控制的最常用的方案之一?；贒DS技術(shù)的多通道波形產(chǎn)生系統不僅可以方便地產(chǎn)生各種雷達波形，還可以在數字域靈活地對陣列天線(xiàn)進(jìn)行相位和幅度加權，實(shí)現發(fā)射波束的快速、高精度控制，從而實(shí)現雷達波形產(chǎn)生、波形捷變與幅相控制的一體化設計。
1995年，Adrian Garrod提出了數字T／R組件的基本概念，研制了13單元收發(fā)全DBF相控陣雷達實(shí)驗系統，該系統采用DDS技術(shù)實(shí)現了波形產(chǎn)生系統，其信號樣式為線(xiàn)性調頻，瞬時(shí)帶寬小于1 MHz；林肯實(shí)驗室于2003年完成了一個(gè)S波段寬帶數字陣列試驗系統，該系統采用DDS技術(shù)產(chǎn)生線(xiàn)性調頻信號，擁有寬帶(500 MHz)和窄帶(10 MHz)兩種工作方式；文獻也介紹了多種采用DDS技術(shù)實(shí)現波形產(chǎn)生與發(fā)射DBF控制的數字陣列系統。上述文獻介紹的大都是應用于DAR實(shí)驗驗證系統中的波形產(chǎn)生系統，其系統結構較為復雜，系統集成度較低，成本較高；而數字陣列雷達發(fā)展尤其是大規模數字陣列的興起，對陣列單元的集成度、體積、成本和功能多樣化等方面提出了進(jìn)一步的要求。本文介紹了一種基于DDS技術(shù)的多通道、小型化、低成本的波形產(chǎn)生系統的設計，該系統在25 cm×12 cm的PCB板上實(shí)現了16通道波形產(chǎn)生、波形捷變與幅相控制的一體化設計，能同時(shí)產(chǎn)生16路頻率、幅度和相位獨立控制的中頻雷達信號，信號帶寬1～120 MHz可變，通道隔離度大于60 dBc，該系統已成功應用于某數字陣列雷達。

1 數字波形產(chǎn)生原理與幅相控制方法
應用于雷達波形產(chǎn)生的DDS技術(shù)主要分為基于存儲器的直接數字波形合成(Direct Digital WaveformSynthesizer，DDWS)和基于累加器的直接數字頻率合成(Direct Digital Frequency Synthesizer，DDFS)兩類(lèi)。DDWS技術(shù)是根據高速采樣時(shí)鐘，直接讀取預先存儲在高速存儲器中的數字波形，進(jìn)行數／模轉換獲得所需模擬波形，其特點(diǎn)是簡(jiǎn)單靈活，只要存儲器時(shí)鐘足夠高，叮以獲得超寬帶LFM信號，不足之處在于需要大容量存儲器，系統結構較為復雜。DDFS技術(shù)是通過(guò)相位累加器得到當前相位值，然后利用該值尋址ROM查找表，讀出相應的信號幅值，最后經(jīng)數／模變換獲得模擬波形，其特點(diǎn)是頻率分辨率高、波形參數控制靈活，不足之處在于限于DDS器件的水平其時(shí)鐘頻率不夠高，難以產(chǎn)生超寬帶波形。
對于大規模數字陣列，高集成度、小型化、低成本是系統設計的關(guān)鍵問(wèn)題之一。隨著(zhù)數字集成電路的發(fā)展，DDFS芯片集成度和時(shí)鐘頻率進(jìn)一步提高，尤其是單芯片多通道DDFS芯片的出現，給實(shí)現高集成度、小型化、低成本的陣列雷達多通道波形產(chǎn)生系統提供了便利。針對實(shí)際數字陣列系統指標要求產(chǎn)生中心頻率為140 MHz，帶寬為1～120 MHz的線(xiàn)性調頻，設計中采用DDFS技術(shù)實(shí)現多通道波形產(chǎn)生是最優(yōu)的方案。
圖1給出了一種適用于數字陣列雷達基于DDFS技術(shù)的雷達波形產(chǎn)生系統原理框圖，DDS核中的相位累加器完成調相功能，而頻率累加器和相位累加器兩級串聯(lián)結構完成調頻功能，正弦查找表后的乘法器則完成對波形信號幅度的控制，于是實(shí)現了陣列雷達的波形產(chǎn)生、波形捷變和幅相控制的一體化設計。

2 多通道波形產(chǎn)生的實(shí)現
2．1 多通道波形產(chǎn)生系統結構與硬件設計
根據上文的分析，采用DDFS技術(shù)來(lái)實(shí)現該多通道波形產(chǎn)生系統，考慮到系統指標實(shí)現和成本要求，選用ADI公司的四通道高集成度DDS芯片AD9959作為系統的核心芯片，該芯片最高時(shí)鐘頻率達到500 MHz，包含了四路頻率、相位和幅度獨立可控的DDS核，DDS核的內部結構與圖1所示的原理框圖一致。設計中采用了4片AD9959芯片，配以外圍邏輯電路、轉換電路，在單塊PCB板上實(shí)現了16通道獨立可控的中頻雷達信號的系統集成設計，系統結構框圖如圖2所示。AD9959時(shí)鐘頻率選為480 MHz，FPGA的同步時(shí)鐘為60 MHz；采用三片FPGA組成邏輯控制電路，完成對AD9959的初始化配置，對波形控制系統送來(lái)的控制碼進(jìn)行譯碼，并行計算十六路DDS通道波形的頻率、幅度、相位等控制參數，轉化為DDS寄存器控制碼，完成對16個(gè)通道相應寄存器的讀寫(xiě)操作。這樣，利用AD9959的頻率和幅相控制功能，在完成數字波形信號產(chǎn)生的同時(shí)，對數字陣列的每個(gè)發(fā)射單元波形的頻率、相位和幅度進(jìn)行獨立控制，該數字信號經(jīng)D／A變換成模擬中頻信號，然后由線(xiàn)性上變頻通道完成發(fā)射頻率擴展形成射頻信號，最后射頻信號經(jīng)天線(xiàn)輻射單元實(shí)現發(fā)射DBF。