基于AD9914的新型全數字寬帶毫米波相參信號源設計

謝滔等

摘 要： 為滿足寬帶毫米波雷達對信號源的較高需求，設計了一種適用于寬帶毫米波相參雷達的任意波形產生器。該信號源的核心器件為ADI公司最新的AD9914芯片，控制芯片為常用的Spartan3 FGPA芯片。該信號源能產生簡單脈沖信號，幅度、相位、頻率調制信號和線性調頻信號等。測試了信號源的相參性，同時驗證了信號的脈壓性能，測試結果表明，該信號源具有很好的頻率穩定性和相參性能，在加海明窗的情況下，脈沖壓縮的副瓣可達-44 dB。經上變頻，可輸出帶寬為800 MHz，中心頻率為34.15 GHz的毫米波信號。

關鍵詞： AD9914； 直接數字頻率合成； 寬帶毫米波信號源； 相參性能

中圖分類號： TN957?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）11?0050?04

Design of AD9914?based new coherent signal source

for all?digital wideband millimeter?wave

XIE Tao， ZHANG De?ping， LUO Hui， YUAN Nai?chang

（National University of Defense Technology， Changsha 410073， China）

Abstract： Random waveform generator that is applied to wideband millimeter wave （MMW） coherent radar is designed to meet the high requirements of signal source for MMW radar. The core device of the signal source is AD9914 produced latest by ADI company， the control chip is the common FPGA chip Spartan3. The simple pulse signals， amplitude modulation signals， phase modulation signals， frequency modulation signals and linear frequency modulation signals are generated by the signal source. The coherence of the signal source was tested and the pulse pressure performance of the signal was verified. Test results show that the designed signal source has perfect frequency stability and good coherence performance， the side lobe of the pulse pressure is reached to -44 dB with Hamming window. The millimeter?wave signals with the bandwidth of 800 MHz and the center frequency of 34.15 GHz can be output by the referred conversion.

Keywords： AD9914； direct digital frequency synthesis； wideband MMW signal source； coherent performance

0 引 言

毫米波是指30～300 GHz頻域的電磁波，其波長短，應用設備體積小、重量輕，且能提供較高的精度和良好的分辨率。毫米波處于新波段，在雷達反偵察、反干擾中有著天然優勢，因而受到了各國的重視，爭相應用于軍事領域中的雷達探測、雷達成像以及導彈制導與跟蹤等前沿技術。

雷達系統的性能很大程度上取決于信號源的質量。在成像雷達中，回波多普勒相位信號疊加在一起，造成干擾，輕則使分辨率降低，重則無法獲得圖像，因此必須保證系統的相干性，提高空間分辨率。傳統方法使用石英晶體振蕩器和鎖相環等器件，雖然能提供良好的中心頻率穩定度，由于大量使用非線性模擬器件，一是造成電路結構復雜，雜波成分多、頻譜純度低；二是根據鎖相環本身的特性，使得頻率分辨率與頻率轉換時間的矛盾始終難以解決[1]。這些缺點使得傳統方法在雷達系統中靈活度不夠，尤其是很難應用于寬帶系統。

直接數字頻率合成（Direct Digital Synthesis）技術是20世紀70年代發展起來的一種新的頻率合成技術，它將先進的數字處理方法引入到信號合成領域，采用數字采樣技術進行采樣，與傳統頻率合成技術相比具有如下優點：頻率切換時間短，分辨率高，相對帶寬寬，頻譜純凈；高穩定密集調頻特性，相位和頻率調整靈活，輸出的變頻信號相位連續；相位噪聲低；全數字接口，易于編程控制等[2?3]。隨著電子技術水平的提高，尤其是高速Si、GaAs器件的發展，DDS輸出帶寬的限制正在逐漸被克服[4]。DDS技術的這些特點使得它在電子系統領域中得到了越來越廣泛的應用。

基于先進DDS技術設計實現了一個新型多功能全數字寬帶毫米波信號源，適應了現代雷達對信號源的高要求，同時也為新型雷達信號源的進一步研究提供了參考。

1 信號源設計

1.1 器件選擇

根據Nyquist采樣定理，DDS的最大輸出帶寬決定于DDS的最高采樣頻率。同時，DDS輸出的低頻頻率成分的無雜散動態范圍（SFDR）和相位噪聲均優于高頻頻率成分。因此，選擇一款高采樣率的DDS芯片有助于提高雷達系統性能。

目前，ADI公司推出了一款新的DDS芯片AD9914。AD9914是一款帶12位DAC的直接數字頻率合成器（DDS）。它的頻率分辨率達到了271 pHz，最高采樣率高達3.5 GHz，輸出的頻率范圍為[5]DC～1.4 GHz。因此，AD9914滿足絕大多數寬帶毫米波雷達的要求。

信號發生器的另一個關鍵指標是DDS的頻率分辨率和無雜散動態范圍（SFDR）。雜散是DDS本身固有的缺點，相位截斷誤差帶來的雜散分布和雜散大小與頻率控制字、頻率控制字字長、相位截斷長度有關[6]。AD9914的相位累加器位寬為32 b，相位控制字位寬為16 b，同樣滿足毫米波雷達系統對相位控制精度和SFDR的要求。

在設計信號源控制器時選擇了Xilinx公司的Spartan3系列FPGA器件。現場可編程門陣列（FPGA）設計靈活、速度快，使數字電路系統設計十分方便，可大大縮減設計周期且便于維護升級，在數字專用集成電路中應用廣泛。在滿足設計要求的前提下，選擇了這款低功耗、低成本器件降低了系統的復雜度和成本，提高了系統的可行性。

1.2 方案設計與實現

系統中頻部分結構圖如圖1所示。FPGA作為主控器為AD9914芯片提供所需的控制參數，DDS在外部參考時鐘驅動下正常工作，產生多種中頻輸出信號。

AD9914的功能框圖如圖2所示。AD9914支持五種工作模式，即單頻模式，Profile調制模式，線性掃描模式，并行數據端口調制模式，可編程調制模式。不同模式之間可實時快速地進行切換，使得DDS能適應各種不同應用。

AD9914的控制接口包括標準的SPI串行接口和ADI公司自定義的并行控制接口。SPI接口的優點是標準化和電路連接簡單，缺點是控制速度較慢。并行接口的優點是控制速度快，但是電路設計比較復雜。根據實際需求，本文選擇SPI接口作為DDS的參數控制接口。通過SPI接口，合理設置DDS內部寄存器和控制AD9914的專用功能管腳，該DDS芯片能產生簡單脈沖調制信號，頻率、幅度、相位隨機調制信號以及線性調頻信號等，完全滿足寬帶毫米波雷達對信號源的要求。

AD9914的單頻工作模式下，DDS信號控制參數由Profile編程寄存器直接提供。Profile是一個包括DDS信號控制參數的獨立寄存器，AD9914提供8個Profile寄存器。AD9914的輸出頻率[fOUT]由DDS頻率控制輸入的頻率調諧字FTW控制。關系式為：

[fOUT=FTW232fSYSCLK]

其中FTW是介于0～[231-1]之間的32位整數，此范圍包括從DC至Nyquist頻率內的所有頻率。因此對于給定的輸出頻率值，可以通過上述公式得到FTW（其中FTW必須是一個整數）：

[FTW=round232fOUTfSYSCLK]

例如，產生4?FSK信號時只需要將指定的4個頻率值對應的FTW值存入4個獨立的Profile寄存器中，由于每個Profile可獨立訪問，利用三個外部Profile引腳（PS[2：0]）可選擇想要的Profile，實現4?FSK信號輸出。

對于簡單脈沖信號，將非零頻率值[fOUT]對應的FTW存進其中一個Profile寄存器，將其他寄存器都置零，根據簡單脈沖波的脈寬來調節非零寄存器輸出時的有效時間，其余時間使能置零的寄存器，即可實現簡單脈沖調制功能。

對于PSK或ASK調制信號，均可利用三個外部Profile引腳來選擇想要的Profile寄存器，根據Profile寄存器中的指定頻率、相位、幅度參數更新DDS的輸出。據此設計產生了4?PSK信號。

AD9914工作在線性掃描調制模式下，調制的DDS信號控制參數由數字線性掃描發生器（DRG）直接提供。相應的控制參數由串行或并行I/O端口控制。

DRG的線性掃描特性參數可完全編程，包括：線性掃描的上升和下降斜率、上下限值、上升/下降的步長和掃描間隔時間等。線性掃描方向通過DRCTL外部引腳控制，DRG還支持由DRHOLD引腳控制的保持功能。根據上面的描述，設計產生了一個中心頻率為300 MHz、帶寬為100 MHz的線性調頻信號，并測試該線性調頻信號的脈沖壓縮性能。為測試系統寬帶性能，還設計產生了一個中心頻率為500 MHz、帶寬為800 MHz的寬帶線性調頻信號。

2 實際測試結果

DDS輸出的中頻信號經過上變頻，可輸出毫米波信號，圖3是毫米波信號源的組成。

在產生毫米波簡單脈沖調制信號時，在Profile寄存器0中頻率參數設置為400 MHz，相位參數設置為[π2]；而其余寄存器的參數都置零。在FPGA內部產生一個脈寬為50 ns，重頻為1 kHz的矩形脈沖信號。以該信號控制AD9914的Profile寄存器0，即當該脈沖有效時，選擇Profile寄存器0，否則選擇其他Profile寄存器，則可得到簡單脈沖調制信號。經上變頻后可得到毫米波簡單脈沖調制信號，其頻譜如圖4所示。

根據Profile調制原理，該信號源還可以產生各種頻率、相位、幅度調制信號。在測試時，設計產生了一個中心頻率為10 MHz，碼元寬度為0.5 μs的4?PSK偽碼調制信號。調制序列為[m]序列。輸出信號頻譜如圖5所示，其中心頻率為10 MHz，主瓣寬度為4 MHz。

在線性掃描模式中，系統可以產生寬帶線性調頻信號。為了測試該信號源輸出的線性調頻信號的線性度，設計產生了一個下限頻率為250 MHz、上限頻率為350 MHz的線性調頻信號，輸出頻譜如圖6所示。對該調頻信號進行脈沖壓縮，其結果如圖7所示，可見旁瓣電平為-44 dB，說明設計的信號源所產生的線性調頻信號具有很好的調頻線性度。

為了測試系統的寬帶能力，又設計產生了一個下限頻率為100 MHz、上限頻率為900 MHz的寬帶線性調頻信號，對其上變頻后，觀察其信號頻譜，如圖8所示，信號中心頻率為34.15 GHz，帶寬為800 MHz，帶內信號幅度平坦，性能良好。

為了進一步測試驗證該信號源的頻率穩定性能和相參性能，使DDS輸出簡單脈沖調制信號，脈沖重頻為1 kHz，脈沖寬度為10 μs。使用高速示波器對DDS輸出的脈沖串進行連續采集，共采集3 000個脈沖。對采集的3 000個脈沖信號進行頻譜分析，同時取頻譜峰值的相位分析結果如圖9，圖10所示。

從圖9可以看出，頻譜峰值在方位向（慢時間）上成一條直線，說明該DDS具有出色的頻率穩定性。從圖10可以看出，該信號源脈沖間相位誤差在[±3°]之間，說明該信號源脈沖之間具有較低的相位抖動，能滿足毫米波相參雷達對信號源相參性的要求。

3 結 語

從實際需要出發，在現代先進DDS技術基礎上設計實現了一種新型寬帶多功能雷達信號源系統。從實測結果可以看出該系統具有產生脈沖調制，頻率、相位、幅度調制等多種調制信號的功能，它產生的寬帶線性調頻信號帶寬可高達800 MHz，帶內波動小，信號質量高。對系統的頻率穩定性和相位誤差分析發現該系統具有很好的頻率穩定性，很低的相位誤差，完全滿足現代毫米波相參雷達的各項要求，該信號源具有很好的參考價值和廣闊的應用前景。

參考文獻

[1] 張明友.雷達系統[M].2版.北京：電子工業出版社，2006.

[2] 陶益凡.基于DDS的信號發生器研制[D].南京：南京信息工程大學，2004.

[3] 王軼.基于DDS+PLL技術的高性能頻率源研究與實現[D].長沙：國防科技大學，2006.

[4] 惲小華.現代頻率合成技術綜述[J].電子學報，1995（10）：148?151.

[5] Analog Devices. 3.5 GSPS direct digital synthesizer with 12?bit DAC： AD9914 datasheet [R]. USA： Analog Devices， 2012.

[6] 張蕭.微波DDS頻率源技術研究[D].成都：電子科技大學，2013.