基于A(yíng)D9858的雷達信號波形產(chǎn)生器設計

近年來(lái)，隨著(zhù)雷達技術(shù)的高速發(fā)展對雷達信號源的要求也越來(lái)越高。寬工作頻段、高輸出功率、復雜多變的信號調制形式和信號的穩定度已成為衡量雷達信號源性能的重要指標。AD9858是業(yè)界首款具有1 Gs／s直接數字合成器(DDS)，10位D／A轉換器，快速頻率跳躍和精細調諧分辨率功能的單片解決方案，AD9858優(yōu)良的性能使其適用于軍事以及航空雷達的信號源設計。

2 雷達信號波形產(chǎn)生器

雷達信號波形產(chǎn)生器在有源雷達整體結構中占有重要地位，能在低功率電平上產(chǎn)生雷達信號的基本波形，因而易于得到脈沖壓縮和相參系統等所要求的復雜波形?；静ㄐ谓?jīng)過(guò)功率放大器后即可送至天線(xiàn)作為雷達輸出信號。圖1所示為采用功率放大發(fā)射機和超外差接收機雷達的簡(jiǎn)化框圖。

雷達系統普遍采用的發(fā)射信號大斂分為：?jiǎn)晤l脈沖、線(xiàn)性調頻信號及編碼調制信號。為了增大探測距離，優(yōu)化距離分辨率、速度分辨率等技術(shù)指標，通?？蓪⑦@些信號組合來(lái)形成波形。采用高速DDS器件AD9858形成的波形信號具有高精度、高掃描率、抗干擾性好、截獲率低等特性，而且硬件電路結構簡(jiǎn)單，有助于設備的小型化和集成化。

3 DDS工作原理

3.1 DDS基本原理

直接數字頻率合成(DDS)采用全數字結構，具有精確的頻率分辨率、快速的頻率轉換時(shí)間以及可靈活產(chǎn)生多種信號等特點(diǎn)。因此，DDS已逐漸取代模擬方式。DDS合成的原理框圖如圖2所示。

DDS由相位累加器、波形存儲器和數模轉換器等組成。其原理：向DDS寫(xiě)入頻率控制字，經(jīng)過(guò)相位累加器轉換成瞬時(shí)相位，在外部參考時(shí)鐘作用下，每個(gè)時(shí)鐘周期相位累加器累加相位步進(jìn)一次，然后對應到波形存儲器中所存儲的正弦函數查詢(xún)表，不同的瞬時(shí)相位碼輸出不同的幅值編碼，再將該幅值編碼輸出給數模轉換器(D／A)，把數字量轉換為模擬量輸出給低通濾波器，最后輸出所需的信號。

3.2 AD9858簡(jiǎn)介

AD9858是美國ADI公司的CMOS型DDS集成電路，其內部結構如圖3所示。

與其他高速DDS器件相比，AD9858內部集成有10位數模轉換器，其頻率分辨率為32位，最高輸出頻率可達400 MHz。AD9858的系統結構含有：DDS模塊、模擬混頻器模塊和數字鎖相環(huán)模塊。其中DDS模塊可在數字域產(chǎn)生表示正弦曲線(xiàn)的數字值；數字鎖相環(huán)由數字相頻檢測器(PHD)和具有高速鎖存邏輯電路的電荷泵組成；模擬混頻器主要用于通信基站設計。

AD9858有并行和串行兩種數據傳輸方式。數據從用戶(hù)傳輸到DDS器件需兩步驟：寫(xiě)操作時(shí)，不管是采用并行還是串行數據傳輸方式，首先都要將數據寫(xiě)入I／O緩沖；當數據從I／O緩沖器存入存儲寄存器，DDS才開(kāi)始接收數據。在A(yíng)D9858中，觸發(fā)FUD引腳或者改變預編程的Profile都可以使I／O緩沖器中的數據存入DDS的存儲寄存器中。

并行模式時(shí)，系統激活8個(gè)雙向數據口(DC～D7)、6個(gè)地址輸人口(ADDR5～ADDR0)、1個(gè)讀口(RD)和1個(gè)寫(xiě)口(WR)。寄存器的選取由寄存器提供的地址決定。讀寫(xiě)功能由RD和WR脈沖觸發(fā)控制，但這兩個(gè)功能不能同時(shí)作用。讀寫(xiě)數據通過(guò)。D0～D7引腳傳輸。

串行模式包括兩個(gè)階段。第一階段由一個(gè)8位的指令周期構成，最高位是標志位，可確定讀寫(xiě)操作，低6位是串行數據傳輸目標寄存器地址；第二階段是將數據寫(xiě)入寄存器。

4 系統軟件設計

雷達信號發(fā)生器是在VC環(huán)境下通過(guò)計算機并口控制AD9858，來(lái)產(chǎn)生雷達發(fā)射機所需的各種信號。AD9858有單頻、頻率掃描和睡眠三種工作模式?？僧a(chǎn)生單頻點(diǎn)正弦信號、CHIRP信號、BPSK(QPSK)信號。

線(xiàn)性調頻工作原理：先指定頻率起始點(diǎn)和步進(jìn)頻率，并使頻率以一定的速率累加，直到用戶(hù)所設定的上限頻率(最高頻率為參考時(shí)鐘頻率的一半，即奈奎斯特頻率)。以AD9858采用串行工作方式，產(chǎn)生線(xiàn)性調頻信號為例，給出控制流程圖如圖4所示。初始化是指復位AD9858的初始狀態(tài)，包括設置S／P SELECT，SLEEP，RESET，CLR，SYNC等位。根據產(chǎn)生信號參數分別配置控制寄存器(CFR)、頻率調節字(FTW)、步進(jìn)頻率調節字(DFTW)、步進(jìn)頻率斜率控制字(DFRRW)和相位偏移字(POW)等。

寄存器設置完成，系統等待外部激勵信號。當檢測到一個(gè)上升沿后，系統發(fā)出update信號，將寫(xiě)入寄存器的數據導入DDS內核，DDS按照新配置開(kāi)始工作。與此同時(shí)，計數器開(kāi)始計數，并輸出線(xiàn)性調頻信號，并使相位累加器置1。計數器溢出后，系統發(fā)出update信號，由于此時(shí)相位累加器清零位有效，相位累加器被清零，同時(shí)停止輸出線(xiàn)性調頻信號。其中，寫(xiě)控制字以及update信號的產(chǎn)生都是通過(guò)計算機并口實(shí)現的。在VC環(huán)境下，為方便對并口實(shí)施讀寫(xiě)操作，本系統設計直接使用由Yariv Kaplan編寫(xiě)的WinIo庫，具有如下特點(diǎn)：WinIo庫通過(guò)使用內核模式下設備驅動(dòng)程序和其他一些底層編程技巧繞過(guò)Windows安全保護機制，允許32位Windows程序直接操作I／O口。庫內含有GetPortVal和Set-PortVal兩函數即可實(shí)現并口數據讀寫(xiě)。

5 系統硬件設計

雷達信號波形產(chǎn)生器基于VC軟件編程環(huán)境，采用計算機向并行接口讀寫(xiě)數據來(lái)控制AD9858，再輔以晶體振蕩器、濾波器、放大器和混頻器等外圍電路來(lái)實(shí)現單頻點(diǎn)正弦信號、多普勒信號和線(xiàn)性調頻信號等復雜信號。其系統結構圖如圖5所示。

其中DDS器件AD9858的控制信號包括數據線(xiàn)D0～D7、地址線(xiàn)ADDR0～ADDR5、寫(xiě)信號WR、讀信號RD、復位信號RESET和頻率更新信號FUD。PS0，PS1接地，采用IDC26與外界連接。AD9858只使用其DDS功能部分，鎖相環(huán)和混頻器功能設置為無(wú)效。AD9858的參考時(shí)鐘頻率由外部晶體振蕩器通過(guò)鎖相環(huán)提供，選用高性能100 MHz恒溫晶體振蕩器。AD9858的時(shí)鐘信號倍頻模塊主要將參考晶振(100 MHz)的頻率倍頻至DDS所需的參考時(shí)鐘頻率。AD9858所產(chǎn)生的信號由于外圍器件影響，必然產(chǎn)生雜散和噪聲，因此可通過(guò)濾波器濾除噪聲，再經(jīng)過(guò)功率放大提高信號電平，從而得到穩定且波形相位幅值均可調的輸出信號。該信號即用于雷達的信號源又可用于設備調試的實(shí)驗信號。

基于VC編程，計算機可產(chǎn)生AD9858所需的6路時(shí)序，通過(guò)并口送入AD9858。6路信號分別為：RESET主復位信號、FUD更新信號、SDIO數據寫(xiě)入、讀出端口、IORESET輸入輸出同步復位信號、CS片選信號、SCLKAD9858內部串行數據讀寫(xiě)時(shí)鐘。

晶體振蕩器的頻率在鎖相環(huán)作用下產(chǎn)生AD9858所需的系統時(shí)鐘送入AD9858，AD9858產(chǎn)生同步時(shí)鐘SYNLCLK和所需的信號頻率，同步時(shí)鐘用于協(xié)調AD9858與外設同步。

AD9858輸出信號經(jīng)變壓達到濾波器正常工作的動(dòng)態(tài)范圍，送入濾波器，濾波得到所需信號。

實(shí)際電路設計應根據信號幅值、頻率和相位等參數適當增加電壓或電流放大器以及混頻器、變頻器等輔助電路。為保證所產(chǎn)生信號頻率的純度和穩定度，減少不必要的噪聲干擾，應考慮接地和電磁兼容等措施。

6 結束語(yǔ)

雷達信號發(fā)生器基于VC編程，采用計算機并口和AD9858，根據不同需要再配置少量相關(guān)輔助電路即可產(chǎn)生多種信號。DDS器件AD9858優(yōu)良的性能和計算機并口強通用性，使得雷達信號發(fā)生器具備實(shí)用性強、可軍民兩用、電路結構簡(jiǎn)單、信號參數靈活可調、穩定度高等特點(diǎn)。