基于AD9680的宽带高动态全数字雷达接收机设计

摘要：针对某宽带雷达数字接收机对带宽、动态、处理速度、多通道等指标的需求，设计了一种基于新型ADC器件AD9680的宽带高动态全数字雷达接收机验证平台。文中首先在搭建的平台上对AD9680进行全带宽模式和数字下变频模式的性能验证与结果分析，根据分析结果提出改善AD9680动态性能的方案;其次，对AD9680两个通道之间的同步性做了验证，并提出了一种针对双通道时间偏差的优化方法。各项结果表明，AD9680能满足某宽带雷达的应用需求。

关键词 AD9680;宽带雷达数字接收机;JESD204B;数字下变频;双通道同步

现代雷达数字接收机的特点是环境化、模块化，日益复杂的电磁环境要求宽带数字接收机必须具备以下功能：大瞬时带宽、实时信号接收、大动态范围、高灵敏度和频率分辨能力。基于软件无线电的宽带雷达数字接收机射频前端通过专用ADC(Analog—to—DigitalConverter)芯片对射频信号直接采样，增加了射频前端的灵活性，减少了模拟环节。某雷达升级改进要求系统的量化位数达到14位，采样率为1GSample·s-1，能从水平与垂直两个极化通道采集频段为1.2～1.4 GHz的射频信号。文献实现了等效采样速率可达10GSample·s-1的4通道数字式脉冲超宽带雷达信号接收;文献实现了基于拼接采样技术的宽带数字接收机，能对带宽1.2 GHz的模拟信号以采样率3.2 GSample·s-1采样;但其的量化位数均只有10位，能满足该雷达需求的数字接收机未见报道。

本文采用由AD公司生产的新型ADC器件AD9680，该芯片具有两个数据输入通道，量化位数14 bit，采样率1GSample·s-1，支持高达2 GSample·s-1的射频信号直接采样，且内部集成4个宽带抽取滤波器和12位数控振荡器(Numerically Controlled Oscillator，NCO)、采用JESD204B高速串行输出接口协议。不仅能满足某射频雷达对上述指标的需求，且还具有多频段接收、小型化、低功耗的特点。

1 系统简介

为满足某宽带射频雷达的需求，设计了一款基于AD9680的仿真和验证平台，该平台由型号为AD9680—1000EBZ的AD9680采集板和型号为ADS7-V1EBZ的FPGA(Field Programm able Gate Array)载板组成。系统框图及硬件验证平台如图1和图2所示。

2 性能验证、分析与改善

首先是程序的编写，AD9680的高速串行协议JESD204B通过代码组同步、SYNCINB±、ILAS、用户数据和错误校正建立链路同步，输出串行线速率为每通道10 Ghit·s-1或5 Gbit·s-1。JESD204B链路建立的关键参数有：转换器数M、物理通道数L、每帧的8为字数F、每个多帧的帧数K以及转换器分辨率N和每个样本使用的位数N’，本系统依据以上参数进行串行线速率及FPGA GTX(Gigabit Transceiver X)参考时钟配置。

2.1 全带宽模式

某雷达工作频段存在较强的干扰，对ADC的瞬时动态要求较高，因此对ADC采样率和分辨率的要求也较高。所以本文在配置满量程信号输入、采样点数、SPI软复位、JESD20 4B关键参数值等后得到全带宽模式下的FPGA数字信号输出并对其进行ADC性能计算，结果如图3和图4所示。

图4中采样信号的频率范围由系统的3个带通滤波器决定，分别为260～460 MHz，1 170～1 290 MHz，1 570～1 610 MHz。射频数字化接收机动态设计时要求接收机模拟射频通道动态与接收机输入信号及ADC的动态相匹配。这就要求接收机增益设计时最大输入信号不致ADC 饱和，同时最小信号输入并经过射频前端增益放大后能被ADC充分量化。故本文在接收机大线性动态范围设计时主要考虑合理分配接收机各级增益和选择动态范围大的器件。另通过分析知调节电路输入端端接阻抗、模拟差分输入电压、输入缓冲电流可改善输出数据的动态性能。首先，合理的输入阻抗可满足驱动器、放大器的端接需求，阻抗小的情况下模拟信号输入幅度减小，ADC性能变差，虽然谐波分量同时可能得到改善。其次，随着信号频率的增加，适当地减小模拟差分输入电压，增加输入缓冲电流，可达到抑制噪声分量，保护差分信号的线性，改善ADC动态性能的效果。实测过程中发现在某射频雷达所需的带宽1 200～1 400 MHz范围内，固定输入端接阻抗为400 Ω，模拟差分电压为1.46Vp-p，并适当调节缓冲电流可得到最优的ADC性能。优化后的结果如图4所示，系统有效位数>8.4位，SFDR 值>64.5 dB，可满足实际项目中ADC器件选型一方面要达到特定指标需求，另一方面要具备较好的动态性能的要求。

2.2 下变频模式

射频数字化接收机的变频和滤波等都在数字域实现，为了适应不同频段信号接收和信道化通道数的要求，本系统采用内置4个数字下变频器DDC0-DDC3的 AD9680对回波进行采集和处理。本文对AD9680在DDC模式下的性能进行验证、分析和改善，具体过程如下：外部时钟输入后，通过设置DDC抽取倍数、NCO相位值、JESD204B关键性能参数等得到输入信号的FPGA数据输出，计算输出数据的ADC性能值并对其进行分析和改善。部分频点抽取后频谱及性能如图5和图6所示。

随着抽取倍数的提高，系统的重构速度变快。在经过AD9680内置的DDC模块后，频段为1.2～1.4CHz的信号其满量程FPGA数据输出SNR(Signal Noise Ratio)值可达63 dBFs，ENOB可达10位，可保证前端输入噪声加信号能够被ADC充分量化。验证过程发现系统存在以下两个问题：在过采样和滤波条件下，DDC理想SNR改善为

，即2倍抽取时理想SNR和全带宽模式相近，在2倍抽取的基础上抽取倍数每提高一倍，相应复数输出数据或上变频后实数输出数据的理想SNR性能值提高3 dB，而图6中SNR性能值实际只提高了约2.5 dB;部分频点2倍抽取时性能明显偏低，如图6中的1 601 MHz输入信号。分析可知，影响问题1的主要因素是滤波器的性能，影响问题2的主要因素是在2倍抽取的有效带宽范围内混入了杂波。

(1)系统在进行2n倍抽取时信号先后经过滤波器HB(n)，HB(n-1)…HB1，n=4，3，2，1，由此，HB1是滤波器的最后一级。本文以 HB1滤波器为例，分析随着抽取倍数的变大，实际SNR性能值应提高的幅度。系统采用的HB1滤波器有55个抽头系数，其滤波器响应如图7所示。

2n倍抽取后信号带宽为fs/2n，图中滤波器在抗混叠抑制要求>85 dB时，保护带宽为fs/2n×38.9%，即(fs/2n×50%，fs/2n×61.1%)的噪声分量在一定程度上会混入 (fs/2n×38.9%，fs/2n×50%)。由图7可看出，滤波器在(fs/2n×50%，fs/2n×61.1%)这段频率范围的响应近似为一条斜线，即近似滤除该频段一半的噪声分量。故2n倍抽取时HB1滤波器在前一级滤波器的基础上对性噪比的实际改善为

，即2.55 dB。实际中噪声分量不是绝对均匀的，某些点频信号的噪声分量可能存在偏大或偏小的情况，但实测结果与本文计算的实际SNR性能改善值差别较小。

(2)由前面的分析知DDC2倍抽取的SNR性能值应稍大于全带宽模式，而图6中当输入信号为1601MHz时，2倍抽取的ADC性能值明显偏低。为此，对系统输入信号的DDC 2倍抽取进行Matlab仿真，发现2倍抽取性能变差的主要原因是镜像分量的混入：采集信号先后经过频率为fNCO的数控振荡器和半带抽取滤波器做数据输出。当信号与其的镜像分量与NCO进行运算后同时出现在滤波器HB1的通带内或镜像分量在HB1的过度带内时，滤波器无法将其滤除干净，镜像分量混入2倍抽取后信号的有效带宽内，导致输出数据的ADC性能变差。为了实现某雷达频段的射频信号直接采样，必须采用带通采样或欠采样，因此需采用模拟抗混叠滤波器来抑制其他奈奎斯特频带的干扰或噪声，防止干扰混叠或噪声折叠对输出信噪比的影响。

2.3 系统同步性验证

宽带雷达数字接收机多个通道之间的相位差大小决定后期成像质量的优劣。本系统用功分器将信号源输入在2 GHz以下的信号分成两路输送给ADS7-V1EBZ的通道A和通道B，对输入信号进行全带宽和数字下变频模式数据采集，采用正弦信号在时域上的自相关和互相关计算两个通道输出数据间的增益误差和时间偏差。分析知延时误差由以下几个因素导致：(1)两个输入信号在电路板上的布线差异。(2)AD9680芯片内部两个通道问的差异。(3)信号经过功分器和接线后产生时间误差。以上使两个通道输出数据相位和频率不完全同步的因素可通过下列方法进行改善：1)优化电路设计。2)调节NCO相位值。3)算出功分器和接线的延迟误差并将其去除。本文去除了由功分器和接线造成的延迟误差并对系统下变频的NCO相位值进行了调整，优化后的双通道延迟误差如表1所示。

其中，f0为输入信号频率;△tAB和GA/B分别为两个通道之间的时间偏差和增益误差。为减小对后期成像的影响，需消除雷达系统的通道相位失真，即在实现双通道回波的高速采集和处理的同时需要达到一定的相位一致条件。本设计的通道A和B分别对应某雷达的水平和垂直两个极化通道，改善后的双通道延时误差在 45 ps以下，满足接收机的应用需求。

3 结束语

本文通过分析基于AD9680的宽带雷达数字接收机验证平台的基本特点及两种工作方式，结合雷达系统的实际要求，对系统FPGA输出数据进行性能验证、分析、验证和改进。并对ADS7-V1EBZ两个信号输入通道间的同步做了验证与分析，提出了双通道延时误差的改善方案。结果表明，新型 ADC器件AD9680在实际应用中具有高精度、高速度、动态范围大、灵活性强、双通道同步性能良好等特点，可满足某雷达对射频前端数字接收机的性能需求。下一步研究将继续完善双通道相位和幅度一致性校正、通过优化电路设计改善ADC的性能、将AD9680成功应用于某射频雷达中。