基于AD9914的新型全数字宽带毫米波相参信号源设计

摘 要： 为满足宽带毫米波雷达对信号源的较高需求，设计了一种适用于宽带毫米波相参雷达的任意波形产生器。该信号源的核心器件为ADI公司最新的AD9914芯片，控制芯片为常用的Spartan3 FGPA芯片。该信号源能产生简单脉冲信号，幅度、相位、频率调制信号和线性调频信号等。测试了信号源的相参性，同时验证了信号的脉压性能，测试结果表明，该信号源具有很好的频率稳定性和相参性能，在加海明窗的情况下，脉冲压缩的副瓣可达-44 dB。经上变频，可输出带宽为800 MHz，中心频率为34.15 GHz的毫米波信号。

关键词： AD9914； 直接数字频率合成； 宽带毫米波信号源； 相参性能

中图分类号： TN957⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2015）11⁃0050⁃04

Design of AD9914⁃based new coherent signal source

for all⁃digital wideband millimeter⁃wave

XIE Tao， ZHANG De⁃ping， LUO Hui， YUAN Nai⁃chang

（National University of Defense Technology， Changsha 410073， China）

Abstract： Random waveform generator that is applied to wideband millimeter wave （MMW） coherent radar is designed to meet the high requirements of signal source for MMW radar. The core device of the signal source is AD9914 produced latest by ADI company， the control chip is the common FPGA chip Spartan3. The simple pulse signals， amplitude modulation signals， phase modulation signals， frequency modulation signals and linear frequency modulation signals are generated by the signal source. The coherence of the signal source was tested and the pulse pressure performance of the signal was verified. Test results show that the designed signal source has perfect frequency stability and good coherence performance， the side lobe of the pulse pressure is reached to -44 dB with Hamming window. The millimeter⁃wave signals with the bandwidth of 800 MHz and the center frequency of 34.15 GHz can be output by the referred conversion.

Keywords： AD9914； direct digital frequency synthesis； wideband MMW signal source； coherent performance

0 引 言

毫米波是指30～300 GHz频域的电磁波，其波长短，应用设备体积小、重量轻，且能提供较高的精度和良好的分辨率。毫米波处于新波段，在雷达反侦察、反干扰中有着天然优势，因而受到了各国的重视，争相应用于军事领域中的雷达探测、雷达成像以及导弹制导与跟踪等前沿技术。

雷达系统的性能很大程度上取决于信号源的质量。在成像雷达中，回波多普勒相位信号叠加在一起，造成干扰，轻则使分辨率降低，重则无法获得图像，因此必须保证系统的相干性，提高空间分辨率。传统方法使用石英晶体振荡器和锁相环等器件，虽然能提供良好的中心频率稳定度，由于大量使用非线性模拟器件，一是造成电路结构复杂，杂波成分多、频谱纯度低；二是根据锁相环本身的特性，使得频率分辨率与频率转换时间的矛盾始终难以解决[1]。这些缺点使得传统方法在雷达系统中灵活度不够，尤其是很难应用于宽带系统。

直接数字频率合成（Direct Digital Synthesis）技术是20世纪70年代发展起来的一种新的频率合成技术，它将先进的数字处理方法引入到信号合成领域，采用数字采样技术进行采样，与传统频率合成技术相比具有如下优点：频率切换时间短，分辨率高，相对带宽宽，频谱纯净；高稳定密集调频特性，相位和频率调整灵活，输出的变频信号相位连续；相位噪声低；全数字接口，易于编程控制等[2⁃3]。随着电子技术水平的提高，尤其是高速Si、GaAs器件的发展，DDS输出带宽的限制正在逐渐被克服[4]。DDS技术的这些特点使得它在电子系统领域中得到了越来越广泛的应用。

基于先进DDS技术设计实现了一个新型多功能全数字宽带毫米波信号源，适应了现代雷达对信号源的高要求，同时也为新型雷达信号源的进一步研究提供了参考。

1 信号源设计

1.1 器件选择

根据Nyquist采样定理，DDS的最大输出带宽决定于DDS的最高采样频率。同时，DDS输出的低频频率成分的无杂散动态范围（SFDR）和相位噪声均优于高频频率成分。因此，选择一款高采样率的DDS芯片有助于提高雷达系统性能。

目前，ADI公司推出了一款新的DDS芯片AD9914。AD9914是一款带12位DAC的直接数字频率合成器（DDS）。它的频率分辨率达到了271 pHz，最高采样率高达3.5 GHz，输出的频率范围为[5]DC～1.4 GHz。因此，AD9914满足绝大多数宽带毫米波雷达的要求。

信号发生器的另一个关键指标是DDS的频率分辨率和无杂散动态范围（SFDR）。杂散是DDS本身固有的缺点，相位截断误差带来的杂散分布和杂散大小与频率控制字、频率控制字字长、相位截断长度有关[6]。AD9914的相位累加器位宽为32 b，相位控制字位宽为16 b，同样满足毫米波雷达系统对相位控制精度和SFDR的要求。

在设计信号源控制器时选择了Xilinx公司的Spartan3系列FPGA器件。现场可编程门阵列（FPGA）设计灵活、速度快，使数字电路系统设计十分方便，可大大缩减设计周期且便于维护升级，在数字专用集成电路中应用广泛。在满足设计要求的前提下，选择了这款低功耗、低成本器件降低了系统的复杂度和成本，提高了系统的可行性。

1.2 方案设计与实现

系统中频部分结构图如图1所示。FPGA作为主控器为AD9914芯片提供所需的控制参数，DDS在外部参考时钟驱动下正常工作，产生多种中频输出信号。

AD9914的功能框图如图2所示。AD9914支持五种工作模式，即单频模式，Profile调制模式，线性扫描模式，并行数据端口调制模式，可编程调制模式。不同模式之间可实时快速地进行切换，使得DDS能适应各种不同应用。

AD9914的控制接口包括标准的SPI串行接口和ADI公司自定义的并行控制接口。SPI接口的优点是标准化和电路连接简单，缺点是控制速度较慢。并行接口的优点是控制速度快，但是电路设计比较复杂。根据实际需求，本文选择SPI接口作为DDS的参数控制接口。通过SPI接口，合理设置DDS内部寄存器和控制AD9914的专用功能管脚，该DDS芯片能产生简单脉冲调制信号，频率、幅度、相位随机调制信号以及线性调频信号等，完全满足宽带毫米波雷达对信号源的要求。

AD9914的单频工作模式下，DDS信号控制参数由Profile编程寄存器直接提供。Profile是一个包括DDS信号控制参数的独立寄存器，AD9914提供8个Profile寄存器。AD9914的输出频率[fOUT]由DDS频率控制输入的频率调谐字FTW控制。关系式为：

[fOUT=FTW232fSYSCLK]

其中FTW是介于0～[231-1]之间的32位整数，此范围包括从DC至Nyquist频率内的所有频率。因此对于给定的输出频率值，可以通过上述公式得到FTW（其中FTW必须是一个整数）：

[FTW=round232fOUTfSYSCLK]

例如，产生4⁃FSK信号时只需要将指定的4个频率值对应的FTW值存入4个独立的Profile寄存器中，由于每个Profile可独立访问，利用三个外部Profile引脚（PS[2：0]）可选择想要的Profile，实现4⁃FSK信号输出。

对于简单脉冲信号，将非零频率值[fOUT]对应的FTW存进其中一个Profile寄存器，将其他寄存器都置零，根据简单脉冲波的脉宽来调节非零寄存器输出时的有效时间，其余时间使能置零的寄存器，即可实现简单脉冲调制功能。

对于PSK或ASK调制信号，均可利用三个外部Profile引脚来选择想要的Profile寄存器，根据Profile寄存器中的指定频率、相位、幅度参数更新DDS的输出。据此设计产生了4⁃PSK信号。

AD9914工作在线性扫描调制模式下，调制的DDS信号控制参数由数字线性扫描发生器（DRG）直接提供。相应的控制参数由串行或并行I/O端口控制。

DRG的线性扫描特性参数可完全编程，包括：线性扫描的上升和下降斜率、上下限值、上升/下降的步长和扫描间隔时间等。线性扫描方向通过DRCTL外部引脚控制，DRG还支持由DRHOLD引脚控制的保持功能。根据上面的描述，设计产生了一个中心频率为300 MHz、带宽为100 MHz的线性调频信号，并测试该线性调频信号的脉冲压缩性能。为测试系统宽带性能，还设计产生了一个中心频率为500 MHz、带宽为800 MHz的宽带线性调频信号。

2 实际测试结果

DDS输出的中频信号经过上变频，可输出毫米波信号，图3是毫米波信号源的组成。

在产生毫米波简单脉冲调制信号时，在Profile寄存器0中频率参数设置为400 MHz，相位参数设置为[π2]；而其余寄存器的参数都置零。在FPGA内部产生一个脉宽为50 ns，重频为1 kHz的矩形脉冲信号。以该信号控制AD9914的Profile寄存器0，即当该脉冲有效时，选择Profile寄存器0，否则选择其他Profile寄存器，则可得到简单脉冲调制信号。经上变频后可得到毫米波简单脉冲调制信号，其频谱如图4所示。

根据Profile调制原理，该信号源还可以产生各种频率、相位、幅度调制信号。在测试时，设计产生了一个中心频率为10 MHz，码元宽度为0.5 μs的4⁃PSK伪码调制信号。调制序列为[m]序列。输出信号频谱如图5所示，其中心频率为10 MHz，主瓣宽度为4 MHz。

在线性扫描模式中，系统可以产生宽带线性调频信号。为了测试该信号源输出的线性调频信号的线性度，设计产生了一个下限频率为250 MHz、上限频率为350 MHz的线性调频信号，输出频谱如图6所示。对该调频信号进行脉冲压缩，其结果如图7所示，可见旁瓣电平为-44 dB，说明设计的信号源所产生的线性调频信号具有很好的调频线性度。

为了测试系统的宽带能力，又设计产生了一个下限频率为100 MHz、上限频率为900 MHz的宽带线性调频信号，对其上变频后，观察其信号频谱，如图8所示，信号中心频率为34.15 GHz，带宽为800 MHz，带内信号幅度平坦，性能良好。

为了进一步测试验证该信号源的频率稳定性能和相参性能，使DDS输出简单脉冲调制信号，脉冲重频为1 kHz，脉冲宽度为10 μs。使用高速示波器对DDS输出的脉冲串进行连续采集，共采集3 000个脉冲。对采集的3 000个脉冲信号进行频谱分析，同时取频谱峰值的相位分析结果如图9，图10所示。

从图9可以看出，频谱峰值在方位向（慢时间）上成一条直线，说明该DDS具有出色的频率稳定性。从图10可以看出，该信号源脉冲间相位误差在[±3°]之间，说明该信号源脉冲之间具有较低的相位抖动，能满足毫米波相参雷达对信号源相参性的要求。

3 结 语

从实际需要出发，在现代先进DDS技术基础上设计实现了一种新型宽带多功能雷达信号源系统。从实测结果可以看出该系统具有产生脉冲调制，频率、相位、幅度调制等多种调制信号的功能，它产生的宽带线性调频信号带宽可高达800 MHz，带内波动小，信号质量高。对系统的频率稳定性和相位误差分析发现该系统具有很好的频率稳定性，很低的相位误差，完全满足现代毫米波相参雷达的各项要求，该信号源具有很好的参考价值和广阔的应用前景。

参考文献

[1] 张明友.雷达系统[M].2版.北京：电子工业出版社，2006.

[2] 陶益凡.基于DDS的信号发生器研制[D].南京：南京信息工程大学，2004.

[3] 王轶.基于DDS+PLL技术的高性能频率源研究与实现[D].长沙：国防科技大学，2006.

[4] 恽小华.现代频率合成技术综述[J].电子学报，1995（10）：148⁃151.

[5] Analog Devices. 3.5 GSPS direct digital synthesizer with 12⁃bit DAC： AD9914 datasheet [R]. USA： Analog Devices， 2012.

[6] 张萧.微波DDS频率源技术研究[D].成都：电子科技大学，2013.

推荐访问： 毫米波 信号源 数字 设计 AD9914