基于AD9910的雷達信號模擬器的設計與實現

摘 "要： 為了滿足某型雷達系統性能檢測的要求，基于AD9910芯片設計了一種高分辨力、寬頻帶、快速頻率轉換的高性能雷達信號模擬器。系統采用分布式控制原理，上位機由嵌入式PC104工控機組成，下位機由FPGA對DDS進行控制在12.5～16 GHz范圍內輸出雷達回波信號。實驗測試結果表明，該雷達信號模擬器輸出波形穩定，各項設計指標均達到系統設計要求。

關鍵詞： DDS; AD9910; 信號模擬器; FPGA

中圖分類號： TN911?34 " " " " " " " " " 文獻標識碼： A " " " " " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2015）06?0041?03

Design and implementation of radar signal simulator based on AD9910

ZHAN Chao1， 2， CAI Xin?ju1， LIU Shuang?qing3

（1. Department of Electronic and Information Engineering， Naval Aeronautical and Astronautical University， Yantai 264001， China;

2. Unit 92515 of PLA， Huludao 125001， China; 3. Unit 91341 of PLA， Donggang 118300， China）

Abstract： In order to meet "performance test requirements of a certain radar system， a high resolution， wide frequency band， fast frequency conversion of high performance radar signal simulator based on the AD9910 chip was designed. The principle of division control is used for the system. The host computer is composed of the embedded PC104 IPC. The lower computer controlled by the FPGA on the DDS outputs radar echo signals in the range of 12.5～16 GHz. The experimental results show that the output waveform of the radar signal simulator is stable， and each design index can satisfy the design requirements of the system.

Keywords： DDS; AD9910; signal simulator; FPGA

0 "引 "言

雷達系統在生產和研制過程中，需要對雷達性能的各項指標參數進行調試，雷達信號模擬器可以模擬不同體制、不同頻率、不同脈沖寬度的雷達信號，而且參數調節靈活，可以方便地為雷達系統性能的驗證提供可靠依據[1]。頻率源是雷達信號模擬器的心臟，當前電子系統中的高性能信號源都是由頻率合成技術來實現的。DDS是一種從相位的概念出發，由不同相位對應不同的電壓幅值，采用數字采樣技術進行頻率合成的新方法。DDS將數字處理技術引入到信號的頻率合成領域之中，讓計算機參與到頻率合成，把輸出的數字信號通過數模轉換器轉變成為所需要的模擬信號。與傳統的的頻率合成方法相比，DDS輸出頻率的帶寬大，頻率的分辨力高，頻率轉換時間快，可以輸出任意形狀的波形，易于編程控制，便于與計算機進行連接[2]。

利用DDS能合成各種復雜波形，通過對外部電路進行控制就能對輸出波形的頻率、相位、幅度等進行精確的。只需對DDS內部某些參數進行設置，就能輸出所需要的波形信號[3]。本文采用FPGA 技術與DDS 技術相結合的方法，通過FPGA對DDS進行控制波形輸出，設計出一個頻段在12.5～16 GHz范圍內，可穩定輸出普通連續波、頻率捷變、線性調頻、脈沖多卜勒等雷達信號的信號模擬器。

1 "DDS工作原理

DDS主要由能夠產生標準頻率的參考頻率源、N位相位累加器、正弦波形存儲表（ROM）、數/模轉換器和低通濾波器五部分組成，如圖1所示。外部控制器送來的頻率控制字K送入頻率寄存器中進行存儲，每來一個時鐘脈沖，N位加法器就將頻率寄存器輸出的頻率控制數據與N位累加寄存器輸出端反饋回來的相位數據相加，相加的結果再送入N位累加寄存器輸入端。頻率控制數據K決定了相位累加器的步進大小，每一個時鐘的作用下，相位累加器中的數值就累加一個步長K;在參考時鐘的重復作用下，加法器不斷地對頻率控制數據進行線性相位累加，相位累加到滿量程時，就會產生一次溢出，這就是DDS的一個周期，因此相位的溢出頻率就是DDS的輸出頻率[4]。

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圖1 DDS組成框圖

DDS輸出信號的頻率為：

[fo=K2Nfc]

DDS的最小輸出頻率，也為其頻率分辨力為：

[fomin=fc2N]

2 "雷達信號模擬器硬件設計方案

2.1 "系統總體結構設計

系統采用高穩定度的恒溫晶振產生100 MHz頻率作為參考輸入時鐘，分別用于鎖相環模塊的頻率參考信號和FPGA模塊的時序控制所需的時鐘。鎖相環模塊根據晶振產生的100 MHz信號進行鎖相，環路穩定后經VOC產生1 GHz輸出信號，最后通過帶通濾波輸入AD9910中作為采樣時鐘。模塊的控制核心和時序電路由DSP（TMS320C2812）和FPGA（XC3S500E）實現，該模塊在晶振100 MHz的時鐘信號觸發下，根據時序與邏輯控制信號，將上位機通過上位機接口送來的控制命令和數據，通過DDS控制接口模塊分別轉換送至AD9910芯片，根據系統要求控制DDS芯片產生需要的線性調頻信號、脈沖多普勒頻移信號、頻率捷變信號等雷達基帶信號。其系統總體組成如圖2所示。AD9910產生的基帶信號在射頻信號模塊中進行混頻合成后，與不同波段的本振信號進行上變頻可以產生不同波段的雷達信號。毫米波信號模塊結構如圖3所示。

2.2 "AD9910簡介

DDS芯片采用Analog公司的AD9910，它集成了14 b數模轉換器（DAC），并且支持高達1 GSPS的采樣速率。AD9910采用ADI公司的高級DDS專利技術，這種技術可顯著地降低功耗而無需犧牲性能。其DDS與DAC組合形成了數字可編程、高頻模擬輸出頻率合成器，能夠產生頻率高達400 MHz頻率靈活的正弦波形。用戶可以訪問三個用于控制DDS的信號控制參數：頻率、相位和幅度。AD9910使用32 b累加器提供快速調頻和頻率調節分辨率。其采樣率為1 GSPS，調節分辨率為0.23 Hz。AD9910支持快速的頻率掃描、相位和幅度切換，可以方便地實現線性調頻、相位編碼信號的合成[5]。

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圖2 系統總體組成框圖

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圖3 射頻信號模塊組構圖

AD9910內部集成1 024 Word[×]32 b的RAM存儲器，通過內部復雜狀態機配合，RAM存儲器可以非常靈活的生成隨時間變化的任意波形。AD9910芯片的優越性能，使其在雷達捷變頻本振頻率合成，雷達和掃描系統線形調頻源，極化調制器、雷達回波模擬等領域得到廣泛的應用。

2.3 "線形調頻信號設計

AD9910中集成了全數字斜坡發生器，可以從編程設定的起點到終點掃描相位、頻率和幅度。將全數字斜坡發生器設置為頻率掃描，即可產生線性調頻輸出信號。數字斜坡發生器的掃描參數可以完全由編程確定，包括斜坡掃描上、下限，正/負斜率掃描步長和掃描步進時間間隔。數字斜坡發生器的內核是參考時鐘為SYNCLK的32 b累加器，其頻率為：

[fSYNCLK=14fSYSCLK]

若DDS系統時鐘（即DAC采樣時鐘）為1 GHz，則數字斜坡發生器的內核參考時鐘為4 ns，也就是說，數字斜坡發生器最短間隔4 ns就可以進行一次掃描步進，這對輸出線性調頻信號的線性度非常有利，即最小掃描步進時間間隔為：

[Δt=4fSYSCLK]

實際工作時，掃描步進時間間隔可以編程控制：

[Δt=4PfSYSCLK]

式中：[P]為保存在掃描步進時間間隔寄存器內數據。

掃描步長[M]確定輸出信號頻率掃描步長：

[ΔF=M232fSYSCLK]

輸出線性調頻信號的斜率為：

[K=ΔFΔt=M232?4P?fSYSCLK2]

斜坡累加器后有限值控制邏輯，可以強制設定數字斜坡累加器的輸出信號頻率的上界和下界，確保輸出信號在期望的頻率范圍內線性掃描。掃描置上限后，可通過編程控制可以強制斜坡累加器清零，強制輸出信號頻率復位置下限頻率。

3 "測試結果

根據硬件設計方案，在完成雷達信號模擬器的硬件電路設計后，進行了系統的調試。通過Aglient公司的頻譜儀E4447A進行測試，測得系統的主要參數有：

輸出頻率范圍：12.5～16 GHz。

分辨力：100 kHz。

相位噪聲：≤-75 dBc/Hz@10 kHz。

頻率轉換時間： ≤10 ms。

測試結果表明，該模擬器輸出信號穩定可靠，各項參數指標均達到系統設計要求。圖4為在測試過程中，當輸出的中心頻率為15 GHz時，利用示波器和頻譜儀觀察到的波形圖。

4 "結 "語

本文介紹了一種基于AD9910的雷達信號模擬器的設計與實現方法，該方法具有良好的適應性和可擴展性，可以根據雷達工作體制和頻率范圍靈活調整信號參數，產生需要的雷達信號。

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圖4 利用示波器和頻譜儀觀察到的波形圖

參考文獻

[1] 王新浪.雷達信號模擬器的設計與分析[J].電子元器件應用，2012（3）：51?52.

[2] 高溪，高成.直接數字頻率合成器DDS及其分析[J].北京航空航天大學學報，2002（4）：35?37.

[3] 席安安，張春榮.DDS在復雜信號產生中的應用研究[J].火控雷達技術，2005（3）：41?44.

[4] 承德寶.雷達原理[M].北京：國防工業出版社，2008.

[5] Analog Device Inc. AD9910 datasheet [R]. USA： Analog Device Inc， 2007.

[6] 牛耕，陳思宇，于繼翔.基于DDS技術的正弦交流信號源的設計[J].現代電子技術，2012，35（3）：52?56.

[7] 李輝祥，黃光明.DDS頻率合成器的方波重影現象研究[J].現代電子技術，2014，37（1）：135?136.