基于AD9858的宽带雷达信号源设计与实现

摘要：给出一套宽带雷达信号源的设计方案，它由基带信号源和倍频链组成，产生中心频率为1 GHz，带宽为800 MHz的线性调频信号。基带信号源选用了AD公司高性能数字频率合成芯片AD9858，由FPGA实现加载DDS控制字，产生(200+50)MHz的基带信号。倍频链将基带信号进行上变频和倍频，可输出1 GHz±400 MHz的宽带雷达信号。经示波器和频谱仪测试显示，所设计的宽带雷达信号源满足设计要求。
关键词：宽带雷达信号源；数字频率合成；线性调频信号；基带信号源；倍频链；AD9858

0 引言
    和窄带雷达相比，宽带雷达具有高的距离分辨率，可以获取更多、更详细的目标信息，从而更好的完成目标成像和识别。宽带雷达主要应用在合成孔径或逆合成孔径雷达成像中，宽带雷达信号处理理论和技术还不成熟。在宽带雷达背景下，目标在径向可分为多个距离单元，表现为多散射点模型。回波经过匹配滤波处理后形成一维距离像，对于运动目标而言，窄带雷达可以采用相参积累或非相参积累来提高信噪比，而宽带雷达在积累时间内多周期回波存在跨距离单元走动，在速度很高时，甚至在相邻周期内目标的运动都会跨越一个距离单元，这大大影响了积累的效果。在宽带雷达条件下，海杂波幅度概率密度函数有较长的尾部，偏离瑞利特性，常用对数正态分布、韦布尔分布和K分布来描述。
    随着现代电子技术与雷达技术的发展，特别是脉冲压缩技术的广泛应用，对雷达信号源的要求在质量、频带宽度、频率捷变速度等方面上有了极大的提高。数字直接合成技术(Direct Digital Synthesis，DDS)和锁相环技术(Phase Locked Loop，PLL)是现代雷达信号合成采用的主要技术。数字直接合成技术虽然有全数字化结构、频率转换时间短、分辨率高、相位噪声低等优点，但仍存在着一些不足，主要是它的合成频率相对较低，这一点限制了其在应用上的范围。锁相环技术则具有频带宽、工作频率高、频谱质量好等优点，但是PLL在频率分辨率、建立时间等方面远不如DDS。
    研究宽带雷达信号处理中存在的问题具有重要的理论和现实意义。对宽带雷达进行建模仿真，可以验证宽带雷达信号处理算法，但实测的宽带雷达回波数据更能直接体现、验证、证明其算法的正确性、有效性。由于美国AD公司(Analog Devices Inc)新推出的AD9858芯片是一款高性能DDS芯片，具有很宽的工作频带，输出频率范围可到400 MHz，完全满足雷达设计要求，因此在设计中采用AD9858芯片。
    本文给出了产生中心频率为1 GHz，带宽为800 MHz的线性调频信号的雷达信号源的设计方案。

1 DDS性能分析
    在现代电子技术的飞速发展过程中，频率合成大致经历了从直接模拟频率合成，到基于PLL的锁相式频率合成，再到DDS的三代发展。
    直接模拟频率合成技术指的是通过能够实现混频、分频、倍频、差频等数学运算的模拟电路，使得一个或多个既有的参考频率合成所需要的频率。但是这项技术所需设备体积和功耗都比较大，尽管其频率转换时间快，因此在目前的电子技术发展趋势下，直接模拟频率合成已基本不被采用。
    目前技术发展成熟，集成度较高，能够广泛运用于各种电路的设计中的是基于PLL的锁相式频率合成技术。该技术的优点在于具有很宽的输出频率范围，且抑制寄生输出噪声的能力很强，因而输出频谱的纯度很高，但它也存在频率切换的时间较长的缺点。
    近十几年来，DDS技术得到了飞速的发展，它具有如下优点：相对带宽较宽；频率转换时间较短；频率分辨率较高；能够产生相位连续信号；可产生宽带正交信号及其他多种调制信号；可编程和全数字化、控制灵活方便；具有极高的性价比等。目前最常用的DDS实现方案有以下三种：高性能DDS芯片方案、低频正弦波DDS芯片方案、基于FPGA芯片方案。本文采用的是高性能DDS芯片AD9858方案。

2 宽带雷达信号源设计
    微型宽带雷达实验系统发射1 GHz+400 MHz的线性调频信号，要求信号带外抑制不小于55 dB，杂散抑制不小于35 dBc。
    本文采用DDS技术加上变频和倍频链方案产生发射信号，这样可以使倍频次数尽量减少，从而减少倍频引入的杂散。宽带信号源由基带信号源、上变频和倍频链组成，上变频采用改进型折叠吉尔伯特结构，转换增益约为8．5dB；倍频链采用三级倍频，输出功率大于等于13dBm。宽带信号源的结构框图如图1所示。

    DDS是第三代频率合成技术，具有相对带宽宽、频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、高性价比等优点。随着现代集成电路的发展，高性能DDS芯片的工作时钟越来越高，输出带宽越来越宽。AD9858直接数字频率合成器的应用非常广泛灵活。它是由一个高效率的DDS核，一个32位的相位累加器，一个14位的相位偏移调整器，一个频率为109次采样的10位数膜转换器四部分组成。并且高性能DDS芯片AD9858增加了自动扫频的功能，提供了频率达2 GHz的混频器，一个相位频率检测器以及一个可编程的带有高级快锁功能的电荷泵。AD9858提供了串行和并行控制接口，通过这两个控制接口可以写数据到片内数字寄存器控制所有操作，很容易配置AD9858。四组用户频率相位控制字(profi les)能由片外的两个脚选定。这些用户可以单独选择设定频率转换字和相位偏移字。AD9858可以进行单音模式和扫频模式的切换。为了省电，还能使AD9858工作在可编程的全睡眠模式，这种模式下多数器件功率降低从而减小电流。
    基带信号源产生(200+50)MHz的基带线性调频信号，以AD公司高性能AD9858芯片和Altera公司的CycloneⅡ系列FPGA芯片为核心，由AD98 58芯片、FPGA芯片、带通滤波器、射频放大器和电源组成。
    AD9858芯片工作时钟达到1 GHz，输出带宽达到400 MHz，内置10位的A／D，并提供1／8频率的工作时钟给FPGA芯片，FPGA部分完成AD98 58控制字的加载，使其工作于扫频模式，并产生整个系统收发开关的调制信号和基带信号源的时序控制信号。基带信号源的结构框图如图2所示。

    AD9858有三种工作模式：扫频模式、单音模式和休眠模式。AD9858工作模式的确定由功能控制字控制，包括起始频率控制字(FTW)、步进频率控制字(DFTW)、步进频率斜率控制字(DFRRW)和工作模式控制字(CFR)。控制字FTW，DFTW和DFRRW分别由以下公式确定：
    FTW=(fs×232)／SYSCLK      (1)
    DFTW=(△f×231)／SYSCLK    (2)
    DFRRW=(△t×SYSCLK)／8     (3)
    fF=fs+T×△f／△t          (4)
    式中：SYSCLK为系统时钟；fs为起始频率；△f为步进频率；△t为步进时间；fF为终止频率；T为扫频时间。基带信号源产生中心频率为200 MHz、带宽为100 MHz的线性调频信号，起始频率为150 MHz，终止频率为250 MHz，脉冲宽度为4μs，参考时钟为1 GHz。

3 宽带雷达信号源的测试
    宽带雷达信号源由基带信号源和倍频链组成，基带信号源产生(200+50)MHz的线性调频基带信号，然后经倍频链上变频和倍频，输出1 GHz±400 MHz的线性调频激励信号。宽带示波器(Agilent MS09064A型)和频谱分析仪(Agilent E4440A型)分别测试基带信号和激励信号，检验是否达到设计要求。
3．1 信号时域测试
    基带信号源产生时宽为4μs，重频为2 kHz的线性调频脉冲串。宽带示波器测试基带信号如图3，图4所示，基带信号时宽为4μs，脉冲串重复周期为500μs，达到设计要求，但是所产生的基带信号幅度上存在调制，这是因为实际电路中存在阻抗不匹配和滤波器的非理想幅度响应。

    基带信号由倍频链上变频和倍频输出激励信号，其时宽亦为4μs，重频为2 kHz。宽带示波器测试激励信号如图5，图6所示，激励信号的时宽为4μs，脉冲串周期为500μs，达到设计要求。由于倍频链中包括带通滤波器使得激励信号相对于基带信号在幅度上有所改善。
3．2 信号频域测试
    宽带信号源产生激励信号频谱是否达到设计的要求，一定程度上影响宽带雷达的性能。频谱分析仪分别测试基带信号源产生的线性调频基带信号和经过倍频链输出的线性调频激励信号。频谱分析仪测试所产生的线性调频基带信号的带宽和杂散抑制，分别如图7，图8所示。

    频谱分析仪测试基带信号，其带宽达到100 MHz，带外抑制不小于35 dB，杂散抑制不小于65 dBc。从图7可以看出，其基带信号的频谱带内幅度存在调制，这和宽带示波器测试结果一致，都是因为电路中阻抗不匹配和滤波器非理想幅度响应曲线造成的。
    基带信号经过倍频链上变频和倍频输出激励信号，频谱分析仪测试激励信号的带宽和杂散抑制分别如图9，图10所示。

    频谱分析仪测试激励信号，其信号带宽为800 MHz，带外抑制不小于55 dB，杂散抑制不小于35 dBc。激励信号经过倍频后，其中心频率搬移到1 GHz，带宽为800 MHz。和宽带示波器测试激励信号一样，由于倍频链中带通滤波器存在，激励信号的幅度响应曲线相对于基带信号有所改善。

4 结语
    宽带信号源产生激励信号的好坏，在一定程度上决定宽带雷达性能。本文给出的宽带雷达信号源设计方案，由基带信号源和倍频链组成。基带信号源选用高性能的AD9858芯片，产生线性调频基带信号，经过倍频链的上变频和倍频，输出激励信号。所产生的基带信号和激励信号经过宽带示波器和频谱分析仪测试，达到设计要求，这对宽带雷达设计有一定意义。