基于AD9854的高品質LFM設計

李增有 盧長海 韋俞鋒

摘 要:生產工藝的不斷進步,使得采用全數字電路設計的高品質LFM技術日趨成熟。采用AD9854設計的高品質LFM已在我部某新型高精度雷達中得到應用。在此詳細闡述了采用直接數字頻率合成與正交調制融合方法實現LFM的設計方案。測試結果表明,該LFM頻率精度、穩定度、帶內雜散抑制等各項技術指標優良,能夠滿足新一代高精度測量雷達的應用需求。[JP]

關鍵詞:LFM;AD9854;正交調制;雷達 DDS

中圖分類號:TP368.1

隨著雷達技術的發展,線性調頻信號已經廣泛應用于高分辨率雷達領域。過去獲得線性調頻信號主要借助模擬方法。其中,包括VCO方法和聲表面波方法。這兩種脈沖電壓信號的產生方法因其一些固有缺陷,如對環境溫度比較敏感,信號波形比較單一,信號產生的重復性差,線性度及信號間的相關性不理想等,制約了雷達整機性能的提高。目前,VCO方法和聲表面波方法已漸漸被數字方法所取代。直接數字頻率合成方法具有傳統方法所不具備的許多突出優點,如頻率分辨率和切換速度高,頻率切換時相位可保持連續,超寬的頻率范圍,能實現各種調制波和任意波形的產生以及易于實現全數字化設計等。然而,其全數字化的工作原理也給它帶來了兩個缺點:一是輸出雜散較大;二是輸出帶寬將受到限制。但是,這一缺陷隨著新工藝和新算法的出現正在逐漸得到改善。

1 AD9854功能簡介

1.1 AD9854基本功能

(1)所有功能可以在內置寄存器中靈活設置;

(2)系統時鐘:300 MHz,可單端輸入,亦可差分輸入;

(3)雙48位可編程頻率控制寄存器(一路為頻率控制字,另一路為步進頻率控制字),其相位累加器的有效輸出位數為17位,波形存儲器數據總線位數為12位,保證了極好的數字自由雜散動態范圍;

(4)頻率分辨率可達到1.066 μHz;

[JP2](5)輸出頻率可從零頻開始到120 MHz,能產生┝鉸藩正交、高穩定的頻率、相位、幅度可編程控制的信號;[JP]

(6)具有反辛格包絡濾波功能;

(7)14位數控調相或相移鍵控(PSK);

(8)具有掃頻(Chirp)功能;

(9)頻移鍵控(FSK)功能;

(10)三種控制和配置方式:并行端口、兩線串口控制、三線串口控制。

(11)單+3.3 V電源工作。

1.2 AD9854組成框圖

圖1是AD9854的功能結構框圖。AD9854主要包括了四大部分:頻率累加器(ACC1)實現調頻信號時頻率隨時間變化引起的相位值累加;相位累加器的(ACC2)實現將頻率轉換字和頻率累加器相加的值累加,同時將有效輸出位數截為17位;相位幅度轉換輸出正交的兩路12位信號;D/A轉換將12位的數字信號轉換成模擬的電流信號。AD9854支持多種模式的信號輸出,芯片的編程和控制設置都是通過串口或并口實現的。除此之外,還有以下功能:在確保系統時鐘不超過300 MHz時,可以對參考頻率進行4~20倍頻,作為系統時鐘;Q路的輸出直流可以通過一個專門12位寄存器進行控制。由于DDS的固有結構使得 DDS產生的I/Q信號,當LFM脈沖休止期,Q路信號輸出為直流最大值,而工程上要求輸出無直流,可以通過這一功能實現在脈沖休止期對Q路輸出進行控制。

2 LFM方案設計

2.1 硬件組成

利用AD9854直接頻率合成器與正交調制器、可編程器件和其他匹配電路構成一個通用的信號產生平臺,通過改變可編程器件設計,可以產生不同的信號形式,其組成如圖2所示。

2.2 產生線性調頻信號CPLD設計

CPLD設計要求:上電后根據控制碼設置DDS內部寄存器,并由主觸發信號的上升沿和下降沿產生兩個更新時鐘,在兩個更新時鐘之間置寄存器1F(H)的〥6(CLR ACC2)位為高電平,在兩個更新時鐘之外置寄存器1F(H)的D6(CLR ACC2)位為低電平,DDS工作時序如圖3所示,其輸出對應脈沖線性調頻信號。┩4給出CPLD設計的仿真結果。

2.3 其他設計

由于正交調制器對鏡像和本振泄漏抑制較大,所以波形產生的上混頻采用正交調制技術。但是DDS的固有結構使得 DDS產生的I/Q信號,當LFM脈沖休止期,Q路信號輸出為一直流最大值,此時正交調制輸出會有強的本振泄漏,所以工程上要求輸出無直流。Q路的輸出直流可以通過一個專門12位寄存器進行控制。在工程設計時,運用此功能實現了對Q路輸出直流的控制,但是導致Q路與I路有一定的時延,在一定程度上減小了本振泄漏,但鏡像抑制受到影響。此次設計中為了改善這種缺陷,采取了新的方法,即I,Q兩路信號經變壓器耦合去掉直流,并根據正交調制器的要求進行直流偏值和最佳電平的設計。調制后的信號經過窄帶帶通濾波器對鏡像和本振泄漏可獲得更好的抑制。同時利用了正交調制器的開關功能,抑制工作時段外的本振泄漏及噪聲電平,實現了脈沖休止期無雜散輸出。

2.4 注意事項

DDS參考時鐘一般都是由頻合器直接提供的單端信號,最好用巴倫或單端轉差分IC將其變成差分信號,這樣可以在印制板布線時布成差分線即可,否則300 MHz的頻率已進入微波頻段,如使用單端信號印制線,需按微帶線或帶狀線設計,增加印制板的設計難度和制造成本。

設計不良的電源退耦會影響DDS輸出信號質量。為了充分發揮AD9854的性能,以獲得更好的效果,PCB應該采用多層板,而且電源和地應該分別作為獨立層來處理。電源必須使用適當的去耦技術,在電源的輸入端使用一個高質量的鉭電容,通過大面積、低阻抗的接地面進行去耦,將低頻噪聲旁路,同時使用小的鐵氧體磁珠可以減少電路其他部分的高頻噪聲。在器件的電源管腳和地管腳之間就近使用表面貼裝的片狀陶瓷電容進行濾波,因為這種電容的寄生電感很小。

在AD9854的55管腳與模擬電源之間串聯一個0.01 μF,可以提高無雜散動態范圍。輸出電流可以設計在5~20 mA范圍內,當輸出電流為10 mA時,可以獲得最好的無雜散動態范圍。

設計時,可通過調節負載獲得不同幅度,但峰值不能超過1 V。

AD9854工作時發熱較大,應在芯片底部設有整塊散熱銅箔,并通過多個過孔與印制板的底層(接地層)銅箔相連,以加強導熱能力,最好在其頂部粘結散熱器。

3 試驗結果

目前,已研制出該波形產生器,其體積為140 mm×60 mm×20 mm,輸出頻率為L波段,本振抑制小于等于-60 dBc,鏡像抑制小于等于-65 dBc,當重復頻率為3 kHz時,譜線間相噪小于-90 dBc/Hz,脈沖休止期無雜散。從測試結果可以看出,該波形產生綜合指標較好。該波形產生器在某部新一代高精度雷達系統中應用,效果良好。

AD9854是AD公司生產的直接頻率合成器,AD8349是AD公司生產的正交調制器。實驗結果表明,利用AD9854 和AD8349產生的線性調頻信號性能優良,能夠滿足高精度雷達系統的指標要求。

4 結 語

該方案采用的DDS能夠產生兩路正交的寬帶差分信號,相位誤差最大為1°。由于信號經過濾波器和變壓器與正交調制器相連接,使得輸入正交調制器的寬帶差分信號IB,IP,QB,QP,其正交性、幅度一致性都很難控制。為此,可以在方案設計時采用兩片DDS,分別產生I,Q兩路信號,以分別控制輸出幅度和相位,從而獲得更好的載頻抑制和鏡像抑制。

參 考 文 獻

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作者簡介 李增有 男,1976年出生,山東膠南人,碩士研究生,工程師 。主要研究方向為電子電路設計與無線電應用。