基于AD9959的高精度多通道雷達信號源設計

宋 征，許國宏，李 星

（中國電波傳播研究所 山東 青島 266107）

為使相控陣雷達發(fā)射信號達到最佳的空間功率合成效果、實現(xiàn)空間波束掃描，要求雷達信號源輸出的多通道雷達信號幅度相位一致并且幅度相位精確可控，同時需要監(jiān)校處理系統(tǒng)能夠對天線陣列中各單元的幅度與相位一致性進行診斷和校準。目前信號源的實現(xiàn)方法主要有鎖相環(huán)技術 （PLL）和DDS技術，在自由設定頻率、相位和幅值的要求下，DDS方法是我們的首選。文中根據(jù)某型相控陣雷達的需要設計了高精度32通道的信號源，它以DDS芯片AD9959為核心，采用CPCI總線和FPGA進行控制，能夠輸出正弦波、線性調(diào)頻以及相位編碼等多種波形，信號頻率、幅度和相位精確可控。作為系統(tǒng)平臺，本信號源系統(tǒng)框圖如圖1所示[1]。

1 系統(tǒng)概述

本設計要求可以同時輸出32路射頻信號，考慮到單板實現(xiàn)32個通道輸出比較困難，將32路射頻信號分為4塊板卡來產(chǎn)生，每塊板卡可以產(chǎn)生8路的射頻信號，同時為了輸出32路相參射頻信號，設計時序板和幅相檢測板，功能分別是給各板塊傳輸時鐘和檢測各射頻信號的幅度相位一致性。分立的6塊板卡需要一個系統(tǒng)總線平臺支撐以實現(xiàn)多板卡之間的協(xié)同操作。設計選擇CPCI總線結構，用CPCI工控機

圖1 多通道雷達信號源系統(tǒng)框圖Fig．1 Multi-channel radar signal source system block diagram

2 系統(tǒng)軟硬件

2.1 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

AD9959是ADI公司推出的首款多通道DDS芯片，它內(nèi)部集成了4個DDS核，可對每個通道的頻率、相位和幅度進行獨立控制。所有通道共享一個公共的系統(tǒng)時鐘，內(nèi)部具有固有的同步性，從根本上消除了存在于兩個分立器件之間的個體差異和溫度特性[2]。

圖2 八通道信號產(chǎn)生板硬件組成圖Fig．2 Eight-channel signal generator board hardware figure

設計的八通道信號產(chǎn)生板采用兩片AD9959和FPGA實現(xiàn)，硬件組成如圖2所示。 FPGA是主控芯片，主要實現(xiàn)DDS的控制、CPCI總線接口的控制、數(shù)據(jù)的緩存等功能，它通過串行I/O接口與AD9959連接，通過改寫AD9959內(nèi)部寄存器值來實現(xiàn)對AD9959內(nèi)控制參數(shù)的讀寫操作。寄存器是AD9959的控制核心，控制寄存器主要完成通道選擇，多設備同步及相位累加器清零等功能；通道控制寄存器主要完成各通道功能的選擇，頻率、相位、幅度的設置[3]。為了同步多片AD9959，時序板上的AD9959芯片產(chǎn)生同步信號SYNC-OUT并傳送給各個從AD9959芯片進行自動同步；高穩(wěn)銣原子鐘經(jīng)時鐘分配輸出10MHz頻率等距離地送給兩片AD9959，作為DDS的參考時鐘，并通過內(nèi)部的倍頻器，倍頻到150 MHz作為DDS的系統(tǒng)時鐘。

幅相檢測板的如圖3所示，DDS也選用AD9959輸出參考信號，待測信號分別輸入兩片AD8302并與參考信號進行比較，之所以用兩片AD8302是為了保證與待測信號比較時參考信號的相位連續(xù)性。AD8302輸出的相位差和幅度差進入AD數(shù)模轉換芯片，在單片機中運算成待測信號之間的幅度差和相位差，為了判斷相位差的二值性，DDS輸出相位轉移90后的參考信號再進行一次檢測。由于采取了若干提高檢測精度的措施，實際測量幅相檢測板的相位檢測精度可達到 0．2°，幅度檢測精度可達到 0．1 dB，而且幅度和相位檢測電路簡單、測量精度高、系統(tǒng)可靠性高、成本低，具有十分良好的應用前景[4]。

圖3 幅相檢測板框圖Fig．3 Magnitude and phasemeasuring board diagram

2.2 系統(tǒng)軟件控制

系統(tǒng)控制軟件是本設計的重點之一，軟件的編譯環(huán)境為Visaul C++6．0，在windowsXP操作系統(tǒng)上運行。軟件流程如圖4所示。軟件啟動后查找、打開相關板卡并進行初始化，然后根據(jù)用戶輸入的工作參數(shù)和本機保存的通道校準信息計算出各通道所需工作參數(shù)，配置好板卡即可正常開始工作[5]。

圖4 軟件控制活動圖Fig．4 Software control of the activity diagram

3 多通道信號源同步設計

相控陣雷達最重要的信息就是陣元之間的相位關系信息，所以通道的同步是本設計中的關鍵，同步設計主要是為了保證各通道信號的頻率、幅值的一致性，并保證各通道信號具有精確的相位關系。

3.1 頻率一致性

信號源輸出頻率的一致性主要由參考時鐘來保障，因為參考時鐘直接影響著信號輸出信號的頻率穩(wěn)定性、頻率準確性、相位噪聲和雜散等性能指標，設計雷達信號源采用高穩(wěn)定低相噪的銣原子鐘作為系統(tǒng)的參考時鐘，能夠充分保證了雷達信號源各通道的頻率一致性。

3.2 幅度同步

幅度同步即要求輸出信號的幅度一致，由于DDS芯片的DAC輸出是顯階梯狀波形，在頻域上表示為Sinc效應，輸出信號幅度會隨著頻率增加而減小，另外由于通道放大器和濾波器的個體差別，也會對幅度造成影響，所以很難保證各通道頻帶內(nèi)輸出的幅度平坦度。實現(xiàn)幅度同步主要措施有幅值調(diào)整和軟件修正兩個方法，幅度調(diào)整方法是通過改變電阻值來調(diào)整AD9959的DAC電流，進而實現(xiàn)輸出幅度的調(diào)節(jié)；軟件修正是通過幅值檢測對每個通道輸出幅度進行測量，把各通道幅度差值直接校準到DDS的幅度寄存器中。設計的多通道雷達信號源通過進行幅度同步后能夠實現(xiàn)輸出射頻信號頻帶內(nèi)幅度平坦度0．2 dB。

3.3 相位同步

為了使相控陣雷達發(fā)射信號能夠在一定的方向上達到最大的輻射功率，達到最好空間功率合成效果，雷達信號源的相位同步設計至關重要，因為相控陣雷達發(fā)射系統(tǒng)是通過控制每個射頻信號相位來實現(xiàn)整個天線陣列的波束指向，通過改變射頻信號的相位來實現(xiàn)整個天線陣列的波束掃描[6]。

理論上，雷達信號源相位同步包括單片AD9959各通道之間的同步以及多片AD9959芯片之間的同步。其中，單片AD9959四通道之間相位的同步可由芯片本身特性保證，設計的主要任務在于實現(xiàn)多片DDS芯片之間的同步。在硬件電路設計，選擇AD9959的自動同步模式并在時序板上產(chǎn)生SYNC_OUT同步信號，通過同步分配電路分配給四個信號產(chǎn)生板，實現(xiàn)整個雷達信號源的同步。但由于元器件的存在個體差異，很難保證實現(xiàn)很高的相位同步精度。雷達信號源通過幅相檢測板對不同頻率下每個通道之間的相位一致性進行測量，并將所需要調(diào)整的相位存儲下來，在相控陣雷達波束掃描時，將存儲下來的相位初值補到各通道的相位關系中，實現(xiàn)高精度的陣元相位關系，實際測量顯示設計的多通道雷達信號源相位精度可達0．5℃[7]。

4 結束語

文中設計的高精度多通道信號源已經(jīng)在實際工程中得到了應用，使用結果表明該信號源可靠性高、使用方便，能獲得多種低噪聲、低雜散、高純頻譜雷達信號，具有廣泛的應用價值。

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