本文介紹了使用AD9854芯片和FPGA，并基于DDS理論設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了多模式多波形雷達(dá)信號(hào)源。它可模擬LFM、NLFM、單頻、相位鳊碼等多種脈沖信號(hào)波形，能有效驗(yàn)證脈沖壓縮與信號(hào)處理單元的工作性能。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能滿足設(shè)計(jì)要求。
1.雷達(dá)信號(hào)源設(shè)計(jì)要求
雷達(dá)信號(hào)源的設(shè)計(jì)在雷達(dá)測(cè)試中有著非常重要的作用。本文設(shè)計(jì)的雷達(dá)信號(hào)源要求實(shí)現(xiàn)三個(gè)功能：
(1)要求該系統(tǒng)能產(chǎn)生多種波形信號(hào)，包括：線性調(diào)頻信號(hào)，非線性調(diào)頻信號(hào)等。要求信號(hào)的指標(biāo)都能夠達(dá)到要求。
(2)要求能模擬雷達(dá)回波，能夠?qū)π盘?hào)進(jìn)行延時(shí)，使信號(hào)能夠在距離波門內(nèi)，來滿足信號(hào)處理機(jī)的要求;并且能夠在信號(hào)中加入多普勒頻移，使信號(hào)處理機(jī)可以測(cè)試測(cè)速模塊的性能。要求該信號(hào)源能有效地驗(yàn)證脈沖壓縮與信號(hào)處理單元的工作性能，評(píng)估系統(tǒng)的分辨力。
(3)與外部通信。該信號(hào)源與整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)是相參的，使用同一個(gè)時(shí)鐘，保證該模塊與整個(gè)系統(tǒng)是同步工作的。該模塊受外部控制，主要是從RS 422接口接收由定時(shí)板發(fā)送過來的差分信號(hào);當(dāng)接收到觸發(fā)信號(hào)時(shí)，就開始產(chǎn)生信號(hào);當(dāng)接收脈沖選擇信號(hào)的時(shí)候，進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換，能產(chǎn)生8種模式的信號(hào)。
DDS在相對(duì)帶寬、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間、相位連續(xù)性、正交輸出、高分辨力以及集成化等方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)所能達(dá)到的水平，為系統(tǒng)提供了優(yōu)于模擬信號(hào)源的性能。
FPGA具有集成度高、通用性好、設(shè)計(jì)靈活、編程方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此采用AD9854和FPGA來設(shè)計(jì)雷達(dá)信號(hào)源。
2.系統(tǒng)方案概述
根據(jù)雷達(dá)信號(hào)源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，總體框圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要由FPGA時(shí)序控制部分、AD9854頻率合成部分、波形存儲(chǔ)三部分組成。在此重點(diǎn)闡述FPGA設(shè)計(jì)和AD9854硬件設(shè)計(jì)兩部分。
圖1 系統(tǒng)原理框圖
系統(tǒng)的主體部分主要由高速數(shù)字邏輯時(shí)序控制模塊(FPGA)和DDS芯片AD9854構(gòu)成，還包括放大模塊、濾波模塊、存儲(chǔ)模塊、時(shí)鐘模塊、電源模塊。該部分通過FPGA對(duì)整個(gè)電路的數(shù)字部分進(jìn)行時(shí)序控制，包括給AD9854發(fā)送數(shù)據(jù)、地址、時(shí)鐘以及控制信號(hào)。AD9854是DDS芯片，能產(chǎn)生所需要的信號(hào)。存儲(chǔ)部分采用了FLASH和SRAM;FLASH主要用來存儲(chǔ)波形文件，而SRAM主要是在開機(jī)時(shí)暫存數(shù)據(jù)文件。
通過控制面板發(fā)送觸發(fā)信號(hào)和模式選擇信號(hào)對(duì)系統(tǒng)信號(hào)產(chǎn)生進(jìn)行控制。當(dāng)FPGA接收到觸發(fā)信號(hào)時(shí)，F(xiàn)PGA才開始工作，并且給AD9854發(fā)送數(shù)據(jù)以產(chǎn)生信號(hào)。模式選擇信號(hào)是3位的二進(jìn)制數(shù)，可以產(chǎn)生8種狀態(tài)?？刂泼姘搴虵PGA通過RS 422電平相連，通過差分?jǐn)?shù)據(jù)線來傳輸數(shù)據(jù)。
PC機(jī)應(yīng)用軟件完成所需各種軟件的波形數(shù)據(jù)的計(jì)算，包括起始頻率FTW，頻率分辨率DFW，時(shí)間分辨率RRC等數(shù)據(jù)，然后將所得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成.dat格式。PC通過串口與系統(tǒng)主板進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通過MAX3232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)化。數(shù)據(jù)最后存儲(chǔ)到主板的存儲(chǔ)器中(FLASH和SRAM);當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，F(xiàn)PGA從FLASH中讀取波形文件來產(chǎn)生信號(hào)。
3.AD9854模塊
3.1AD9854芯片介紹
數(shù)字頻率合成芯片AD9854是用于高端DDS技術(shù)的一款芯片，如圖2所示。該芯片帶有兩個(gè)高速、高性能的正交D/A轉(zhuǎn)換器，可以同時(shí)輸出I/Q兩路正交信號(hào)。當(dāng)參考時(shí)鐘源很精確時(shí)，AD9854能夠產(chǎn)生高穩(wěn)定度的，頻率、相位、幅度均可編程的正弦和余弦曲線，被廣泛地應(yīng)用于通信、雷達(dá)、儀器等應(yīng)用領(lǐng)域。AD9854的高速DDS內(nèi)核能夠提供48 B的相位累加器和頻率累加器(在300 MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘下，可達(dá)1μHz的頻率分辨率);其中17 B的相位-幅度映射位數(shù)能夠確保該芯片優(yōu)良的無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)性能。
圖2 AD9854芯片
3.2AD9854芯片特點(diǎn)
(1)300 MHz內(nèi)部時(shí)鐘速率
(2)FSK、BPSK、PSK、線性調(diào)頻、AM操作
(3)兩個(gè)集成式12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)
(4)超高速比較器，均方根抖動(dòng)：3 ps
(5)出色的動(dòng)態(tài)性能：80 dB SFDR (100 MHz ± 1 MHz AOUT)
(6)4×至20×可編程基準(zhǔn)時(shí)鐘乘法器
(7)兩個(gè)48位可編程頻率寄存器
(8)兩個(gè)14位可編程相位偏移寄存器
(9)12位可編程振幅調(diào)制和開關(guān)輸出形鍵控功能
(10)單引腳FSK和BPSK數(shù)據(jù)接口
(11)通過輸入/輸出接口提供PSK功能
(12)線性或非線性FM線性調(diào)頻功能，具有單引腳頻率保持功能
3.3AD9854芯片工作模式
AD9854具有5種可編程操作模式，通過改變控制寄存器(并行尋址方式下的地址為1FH)的控制位即可以選擇相應(yīng)的模式。根據(jù)本方案，主要對(duì)單頻(Single Tone)模式和調(diào)頻(Chirp)模式進(jìn)行探討。5種模式的選擇表如表1所示。
(1)單頻模式
系統(tǒng)上電或硬件復(fù)位時(shí)，AD9854自動(dòng)進(jìn)入該默認(rèn)模式，此時(shí)芯片輸出的信號(hào)是直流信號(hào)。當(dāng)對(duì)頻率控制字進(jìn)行設(shè)定后，即可輸出單頻信號(hào)。
(2)調(diào)頻模式
此處的調(diào)頻模式即為常見的脈沖調(diào)頻模式。AD9854同時(shí)支持線性和非線性這兩種調(diào)頻模式。該雷達(dá)信號(hào)源要求既能產(chǎn)生線性調(diào)頻信號(hào)，也能產(chǎn)生非線性調(diào)頻信號(hào)，所以AD9854完全能滿足要求。脈沖調(diào)頻信號(hào)的時(shí)寬主要是由update clock來決定。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)update clock信號(hào)到來時(shí)，AD9854把I/O緩存中的FTW，DFW，RRC以及其他的控制字都送到可編程寄存器中，AD9854開始工作。當(dāng)脈沖調(diào)頻信號(hào)結(jié)束時(shí)，通過FPGA再發(fā)送一個(gè)update clock信號(hào)，然后就把I/O緩存中的清零數(shù)據(jù)送入了可編程寄存器中。
4.系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)
4.1電源和時(shí)鐘設(shè)計(jì)
在該系統(tǒng)中，采用線性電源LT1764進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，把5 V轉(zhuǎn)成3.3 V和1.5 V，為FPGA和AD9854等芯片提供電源。濾波電容分為旁路電容和去耦電容。旁路電容把前級(jí)攜帶的高頻雜波濾去，還可以有效地旁路地和電源上的地彈噪聲。旁路電容一般容值都比較小，根據(jù)諧振頻率一般是0.1μF和0.01μF。去耦電容也稱退耦電容，是把輸出信號(hào)的干擾作為濾除的對(duì)象。去耦電容一般比較大，取值為47μF和10μF。如圖3所示。
圖3 電源模塊
時(shí)鐘電路與FPGA的電源面要隔離開(可以在同一個(gè)層)，只通過鐵氧體磁珠(ferritebead)相連。鐵氧體磁珠在低頻時(shí)阻抗很低，而在高頻時(shí)阻抗很高，可以抑制高頻干擾，這樣外面的高頻干擾不會(huì)影響時(shí)鐘芯片，而時(shí)鐘芯片內(nèi)部產(chǎn)生的振蕩信號(hào)也不會(huì)影響到外面的電路。時(shí)鐘部分的地和整個(gè)PCB的地是一個(gè)統(tǒng)一的整體，不要分割。
在時(shí)鐘芯片的電源引腳處放一個(gè)容值為10μF的鉭電容，不僅可以防止由于電壓波動(dòng)引起的電流涌動(dòng)，還可以抑制低頻干擾;同時(shí)大電容的后面并聯(lián)一個(gè)0.1μF的小電容，且所放的位置要盡可能地靠近電源引腳，這樣可以減小外來的電源噪聲。在靠近時(shí)鐘輸出的引腳要串接一個(gè)50 Ω的電阻以減小輸出電流，提高時(shí)鐘波形的質(zhì)量。時(shí)鐘線盡量少使用過孔，因?yàn)檫^孔使阻抗發(fā)生變化，影響信號(hào)的質(zhì)量，進(jìn)而產(chǎn)生EMI輻射和抖動(dòng)問題。
4.2存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)
在該系統(tǒng)中，采用FLASH和SRAM作為存儲(chǔ)器。FLASH主要用于存儲(chǔ)波形文件，掉電時(shí)，數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失。而SRAM是做高速數(shù)據(jù)緩存的，掉電后數(shù)據(jù)會(huì)丟失。首先FPGA從FLASH中讀取波形文件，然后再存儲(chǔ)到SRAM中，需要這些波形數(shù)據(jù)時(shí)候，再?gòu)腟RAM中去讀取。這樣的設(shè)計(jì)是因?yàn)镕LASH的讀/寫速度比較慢，而SRAM的讀/寫速度比較快。但是FLASH中的數(shù)據(jù)掉電不會(huì)丟失，而SRAM中的數(shù)據(jù)掉電要丟失。
4.3放大及濾波電路設(shè)計(jì)
為了提高DDS信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)的帶負(fù)載能力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)AD9854芯片內(nèi)嵌數(shù)/模轉(zhuǎn)換器輸出的電流轉(zhuǎn)換，需要在其后加入運(yùn)算放大器(見圖4)。該運(yùn)算放大器性能的好壞將決定信號(hào)的輸出質(zhì)量及系統(tǒng)帶負(fù)載的能力。由于方案中信號(hào)輸出的最高頻率為120 MHz，所以應(yīng)保證放大器在較高頻率范圍內(nèi)具有很好的線性度，防止放大器自激。根據(jù)頻率源的設(shè)計(jì)要求，該方案中的放大器模塊應(yīng)滿足以下要求：放大器的增益可調(diào)、放大器的帶寬應(yīng)大于120 MHz、輸出帶載能力強(qiáng)、信號(hào)輸出質(zhì)量較好。綜合以上要求，選擇ADI公司的寬帶運(yùn)算放大器AD8014作為放大器模塊的核心器件。AD8014的主要性能特點(diǎn)有：低功耗;穩(wěn)定增益G=1;高速，Slew Rate 4 000 V/μs，24 ns的建立時(shí)間;
在該方案中，放大電路采用串連電壓負(fù)反饋-反相比例放大電路。
圖4 橢圓低通濾波器及放大模塊電路圖
采用串聯(lián)電壓負(fù)反饋將使放大器的輸入阻抗增大，輸出阻抗減小，提高電路輸出信號(hào)的帶負(fù)載的能力。在電路中，反饋電阻R16采用可調(diào)電阻，使電路的增益可調(diào);同時(shí)在放大器的正、負(fù)電源輸入端加電容去藕濾波電路，以減小電源紋波對(duì)放大器的影響。
根據(jù)AD8014的要求，在進(jìn)行PCB布線時(shí)，需在其周圍均鋪上了地網(wǎng);但是，為了降低寄生電容對(duì)電路輸入的影響，其輸入腳附近沒有鋪地。在進(jìn)行器件布局時(shí)，反饋電阻R16應(yīng)盡量靠近AD8014的反向輸入端。
為使中頻模擬器有較好的通用性，而雷達(dá)中頻變化范圍較寬，考慮到在濾除諧波分量的同時(shí)要盡可能減少相位的不連續(xù)性，因此設(shè)計(jì)了一個(gè)帶寬為40MHz的9階無源低通濾波器。
5.FPGA實(shí)現(xiàn)
5.1FPGA設(shè)計(jì)概述
FPGA用于建立與DDS芯片(AD9854)，F(xiàn)LASH(E28F128J3A)以及SRAM(IS61LV10248)之間的聯(lián)系，主要負(fù)責(zé)以下兩個(gè)方面：
(1)發(fā)送DDS控制字并控制DDS芯片的時(shí)序;
(2)控制存儲(chǔ)芯片的時(shí)序，并發(fā)送或讀取所要存儲(chǔ)的波形數(shù)據(jù)。FPGA內(nèi)部采用原理圖和Verilog HDL相結(jié)合的方式進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。
下面重點(diǎn)介紹DDS控制部分的實(shí)現(xiàn)。
5.2DDS控制模塊
DDS控制模塊負(fù)責(zé)讀取片內(nèi)雙口RAM中的DDS控制字，并將AD9854的時(shí)序?qū)懭隓DS芯片，控制DDS的工作。
DDS控制模塊在每次寫AD9854控制字之前先對(duì)RAM發(fā)出讀使能，同時(shí)給出讀地址，讀取當(dāng)前控制字，然后按照時(shí)序要求寫入DDS芯片。Quartus中仿真的時(shí)序圖如圖5所示。
圖5 FPGA給AD9854送數(shù)的時(shí)序仿真圖
以下將介紹控制AD9854的流程。
首先對(duì)AD9854進(jìn)行復(fù)位，F(xiàn)PGA發(fā)送高電平給AD9854第71管腳，高電平持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)度要超過20個(gè)周期的AD9854采樣時(shí)鐘。復(fù)位信號(hào)使AD9854的所有寄存器恢復(fù)到默認(rèn)狀態(tài)。需要注意的是，復(fù)位信號(hào)的長(zhǎng)度必須滿足一定的要求，否則在實(shí)際操作中可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。
當(dāng)FPGA接收到外部發(fā)送的觸發(fā)信號(hào)以后，DDS控制模塊就開始工作了。首先從雙口RAM中讀取波形數(shù)據(jù)，包括起始頻率(FTW)，增量頻率字(DFW)，斜率時(shí)鐘(RRC)以及控制信號(hào)。DDS控制模塊給雙口RAM送讀使能和讀地址，然后把雙口RAM中的數(shù)據(jù)讀到數(shù)據(jù)選擇模塊中。之后接收波形模式選擇信號(hào)。這個(gè)信號(hào)是三位二進(jìn)制數(shù)，總共有8種工作模式，總的來說分為工作模式和測(cè)試模式。當(dāng)系統(tǒng)為工作模式的時(shí)候，該系統(tǒng)就是雷達(dá)發(fā)射機(jī)的中頻信號(hào)模塊。在工作模式下，該中頻信號(hào)模塊能發(fā)射4種模式的波形：時(shí)寬是0.2μs的正弦波，時(shí)寬為5μs的線性調(diào)頻波，時(shí)寬為30μs的線性調(diào)頻波和時(shí)寬80μs的線性調(diào)頻波。當(dāng)發(fā)射信號(hào)為時(shí)寬是0.2μs的正弦波或時(shí)寬為5μs的線性調(diào)頻波時(shí)，對(duì)近區(qū)的目標(biāo)進(jìn)行搜索;當(dāng)發(fā)射信號(hào)是時(shí)寬為30μs的線性調(diào)頻波時(shí)，對(duì)中區(qū)的目標(biāo)進(jìn)行搜索;當(dāng)發(fā)射信號(hào)為時(shí)寬為80μs的線性調(diào)頻波時(shí)，對(duì)遠(yuǎn)區(qū)的目標(biāo)進(jìn)行搜索。當(dāng)系統(tǒng)為測(cè)試模式的時(shí)候，也分為時(shí)寬為0.2μs，5μs，30μs，80μs這4種模式的信號(hào)，但是當(dāng)信號(hào)時(shí)寬為0.2μs時(shí)，信號(hào)中加入了多普勒頻率，這樣就為信號(hào)處理機(jī)檢測(cè)測(cè)速單元提供了方便。該系統(tǒng)為測(cè)試模式時(shí)主要且模擬雷達(dá)回波信號(hào)的作用。如圖6所示。
圖6 模式選擇模塊
當(dāng)接收到模式選擇信號(hào)以后，DDS控制模塊開始給AD9854送數(shù)據(jù)。這時(shí)，F(xiàn)PGA給AD9854傳送的數(shù)據(jù)都保存在I/O緩存區(qū)內(nèi)。接著，F(xiàn)PGA就給AD9854發(fā)送update clock。這樣，I/O緩存區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)就送入AD9854的寄存器中，AD9854開始產(chǎn)生信號(hào)。最后，給AD9854的控制寄存器地址為1F的第七位送高電平，這樣就把信號(hào)清零，從而產(chǎn)生了脈沖信號(hào)。
6.系統(tǒng)測(cè)試
6.1系統(tǒng)測(cè)試框圖
根據(jù)該設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和工作原理，結(jié)合系統(tǒng)測(cè)試指標(biāo)要求，提出系統(tǒng)測(cè)試方案和使用儀器。測(cè)試儀表主要包括信號(hào)源、頻譜儀、萬用表、電源、示波器等。
按照框圖連接測(cè)試儀表，設(shè)置直流電源輸出電壓為±5 V，通過相應(yīng)接口送入雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生器的電源接口。設(shè)置信號(hào)源，輸出中心頻率為30 MHz，功率為(0±1)dBm線性調(diào)頻波。測(cè)試時(shí)雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生器工作于外觸發(fā)模式下，當(dāng)接收到外部觸發(fā)信號(hào)時(shí)開始產(chǎn)生波形。雷達(dá)信號(hào)源的信號(hào)送入示波器(泰克的DPO4104)，測(cè)試信號(hào)的時(shí)域參數(shù)，包括時(shí)寬，幅度，脈沖前后沿，本底噪聲等。雷達(dá)信號(hào)源的信號(hào)送入頻譜儀(羅德與施瓦茨的頻譜儀FSMR)測(cè)試信號(hào)的頻域參數(shù)，包括信號(hào)的頻率、帶寬、諧波和帶內(nèi)雜散等。
系統(tǒng)測(cè)試框圖如圖7所示。
圖7 波形產(chǎn)生測(cè)試框圖
6.2系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果
時(shí)域測(cè)試結(jié)果如圖8所示。
圖8 時(shí)寬為80μs以及0.2μs的信號(hào)
圖9圖10為頻域測(cè)試結(jié)果。
圖9 信號(hào)頻譜及測(cè)試諧波抑制圖
圖10 測(cè)試帶內(nèi)雜數(shù)
通過測(cè)試結(jié)果分析，可見該雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生器系統(tǒng)可產(chǎn)生多種不同時(shí)寬、帶寬和脈沖重復(fù)頻率的LFM、NLFM、脈沖信號(hào)，能夠滿足工程應(yīng)用的需要。
結(jié)語
通過對(duì)雷達(dá)信號(hào)源的工程實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究，利用DDS芯片和FPGA實(shí)現(xiàn)了多模式多波形的雷達(dá)信號(hào)源。通過優(yōu)化硬件設(shè)計(jì)，改進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了系統(tǒng)的性能，并給出系統(tǒng)實(shí)際測(cè)試的結(jié)果。為DDS實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)源提供了設(shè)計(jì)參考。
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