基于高性能DDS芯片AD9959的超寬帶步進(jìn)頻率探地雷達

0 引 言

探地雷達是近10年迅速發(fā)展起來(lái)的一種無(wú)損探測新技術(shù)，它具有探測速度快、高空間分辨率、對目標的三維電磁特征敏感、可實(shí)現連續透視掃描以及二維彩色圖像實(shí)時(shí)顯示等優(yōu)點(diǎn)，目前已在工程勘察、水利隱患探測、工程質(zhì)量檢測、地下管網(wǎng)探測以及考古等領(lǐng)域得到了廣泛應用。

隨著(zhù)雷達技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對雷達信號的要求也越來(lái)越高。高精度、高掃描率、高抗干擾性、低截獲率成為人們追求的目標。滿(mǎn)足這種需求除了靠產(chǎn)生復雜的雷達波形外，還需要在雷達系統中應用高性能的器件。

直接數字頻率合成方法具有傳統方法所不具備的許多突出的優(yōu)點(diǎn)：高頻率分辨率、高頻率切換速度、頻率切換時(shí)相位保持連續、超寬的頻率范圍、能實(shí)現各種調制波和任意波形的產(chǎn)生以及易于實(shí)現全數字化的設計等。AD9959是一款高性能DDS(直接數字頻率合成器)芯片，可方便快速地產(chǎn)生線(xiàn)性調頻、單頻脈沖及步進(jìn)頻率信號，其工作頻率高達500 MHz，雜散性能指標更高于以前的產(chǎn)品。

1系統組成及工作原理

1.1探地雷達探測原理

GPR(探地雷達)是利用高頻電磁波(1 MHz～1 000 MHz)以脈沖的形式發(fā)射電磁波，雷達波在地下介質(zhì)中傳播時(shí)，遇到存在電性差異的地下介質(zhì)或目標體時(shí)，電磁波便發(fā)生反射，根據接收天線(xiàn)接收到回波的波形、強度、電性及幾何形態(tài)進(jìn)行處理、分析，從而達到對地下目標體的探測，如圖1所示。目前使用較多的是無(wú)載頻脈沖體制(Impulse)、FMCW(調頻連續波)及SFCW(步進(jìn)頻率連續波)體制。

典型的步進(jìn)頻率探地雷達發(fā)送N個(gè)相參脈沖，其脈間頻率通常以一個(gè)固定的頻率增量△f遞增，如圖2所示。

式中：f0為射頻，也是起始頻率；τ為每個(gè)脈沖的脈寬，T為脈間間隔，可根據模糊距離調整。

式(4)符號后第1項是常相移項，沒(méi)有意義，第2項是頻率變化率△f／T和雙程時(shí)差的乘積。這樣距離轉換成頻移，因此，可以通過(guò)頻率分辨達到分辨和測量距離的目的。由于距離的測量是由DFT(離散傅里葉變換)完成，距離分辨力△R和無(wú)模糊距離Ru分別依賴(lài)于DFT的頻率分辨率和最大無(wú)模糊頻率測量。這就是步進(jìn)頻率連續波體制雷達的工作原理。

1.2系統總體方案設計

系統采用外差式結構，設計系統總體框圖如圖3所示。

為了校正系統在各個(gè)頻點(diǎn)的相位初值，系統要進(jìn)行校正。用同軸電纜和衰減器將系統的發(fā)射和接收端口連接起來(lái)，可以進(jìn)行系統的校正工作。 2 AD9959工作原理、特性和應用

2.1 AD9959的工作原理和特性

高性能DDS芯片AD9959是美國AD公司采用先進(jìn)的DDS技術(shù)生產(chǎn)的4通道、10位D／A轉換器、最高時(shí)鐘為500 MHz的高集成度頻率合成器，可方便快速地產(chǎn)生線(xiàn)性調頻、單頻脈沖及步進(jìn)頻率信號。AD9959允許對4個(gè)內部同步輸出通道獨立編程，能夠對多通道信號之間的不平衡提供有效的校正控制，通過(guò)一個(gè)公用參考時(shí)鐘內部同步其獨立的通道，每通道功耗小于165 mW?？删幊痰耐ǖ揽刂瓶梢詫τ捎谀M處理(例如濾波、放大)或者PCB(印制電路板)布線(xiàn)的失配而產(chǎn)生的外部信號通道的不均衡進(jìn)行校正。如果需要增加通道，AD9959允許通過(guò)菊花鏈方式連接附加的DDS芯片。每個(gè)通道都含有一個(gè)高速10位D／A轉換器，每一個(gè)完全可獨立編程的通道都提供14位的相位偏移控制、32位頻率分辨率控制和10位幅度控制。器件還支持直接和線(xiàn)性?huà)呙枵{制，同時(shí)可以達到大于65 dB的通道隔離度。集成的32位頻率控制字在采樣時(shí)鐘為500 MSPS(百次采樣每秒)時(shí)能夠使每個(gè)通道的分辨率設置到116 MHz或小于116 MHz。

AD9959的內部結構如圖4所示。

DDS技術(shù)是一種用來(lái)從固定頻率時(shí)鐘源產(chǎn)生模擬輸出波形或者時(shí)鐘信號的數字技術(shù)。ADI公司完整的DDS解決方案在從測試和測量設備到無(wú)線(xiàn)和衛星通信等領(lǐng)域得到了廣泛的應用，它使用一個(gè)內置高性能D／A轉換器以將參考頻率轉換成受極精細頻率控制的采樣正弦波。DDS器件正在逐漸成為一種非常吸引人的取代傳統的跳模擬合成器解決方案，因其能提供相當大的性能優(yōu)勢，例如具有無(wú)與倫比的輸出匹配，容易合成正交和其相位關(guān)系的輸入信號，以及非?？焖俚念l率轉變。數字控制不再需要手動(dòng)系統調整，從而能夠很方便地提供輸出頻率。

2.2 AD9959在超寬帶步進(jìn)頻率探地雷達中的應用

AD9959適合要求高達200 MHz的復雜高速頻率合成的應用，包括相位陣列雷達和聲納系統、自動(dòng)測試設備、醫學(xué)成像和光通信系統。

步進(jìn)頻率產(chǎn)生模塊主要由DDS和相應的外圍電路組成如圖5所示。

3結束語(yǔ)

DDS是一種用來(lái)從固定頻率時(shí)鐘源產(chǎn)生模擬輸出波形或者時(shí)鐘信號的數字技術(shù)，AD9959適合要求高達200 MHz的復雜高速頻率合成的應用，包括超寬帶步進(jìn)頻率雷達、相位陣列雷達和光通信系統。AD9959集成了D／A轉換、SPI和CP，具有頻率轉換時(shí)問(wèn)短、輸出頻帶寬的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足對低相位噪聲、低雜散噪聲、快速頻率切換以及寬帶線(xiàn)性?huà)呙璧囊?，還可以應用到跳頻通信中。采用該芯片設計的信號源結構簡(jiǎn)單、功能強大、抗干擾性?xún)?yōu)越，具有良好的性?xún)r(jià)比。