基于DDS的雷達(dá)中頻信號(hào)模擬器設(shè)計(jì)

摘？要：信號(hào)模擬器在雷達(dá)、通信等有電子領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。直接數(shù)字合成技術(shù)（DDS）能夠有效的解決模擬頻率合成電路中對(duì)頻率、相位等信號(hào)特征控制復(fù)雜和誤差較大的問題。本文介紹了一種基于DDS技術(shù)的雷達(dá)中頻信號(hào)模擬器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，以ARM嵌入式軟核處理器控制DDS芯片，配合后端電路中濾波、放大、程控衰減等信號(hào)整形手段，最終產(chǎn)生滿足要求的連續(xù)波/脈沖的單頻信號(hào)、線性調(diào)頻信號(hào)和頻率快速捷變信號(hào)等多種雷達(dá)中頻信號(hào)。通過實(shí)際電路測(cè)試給出結(jié)果，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：DDS；GM4940；ARM；STM32；中頻信號(hào)模擬器

引言

雷達(dá)中頻信號(hào)模擬器在雷達(dá)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，可以用作頻率合成器的重要組成部分，還可以作為調(diào)試檢測(cè)時(shí)的模擬雷達(dá)中頻回波信號(hào)的生成。直接數(shù)字合成技術(shù)（Direct Digital Frequency Synthesis）產(chǎn)生于上世紀(jì)七十年代初，與傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)相比，DDS技術(shù)具有高的輸出頻率分辨率、高精度、低相噪、切換頻率時(shí)保持相位連續(xù)等優(yōu)點(diǎn)[1-6]。傳統(tǒng)的直接頻率合成和鎖相頻率合成（PLL）已不能滿足現(xiàn)代雷達(dá)頻率捷變、波形參數(shù)捷變等快速跳頻的需求[7]。DDS技術(shù)是一種全數(shù)字技術(shù)[2-4]，為滿足現(xiàn)在雷達(dá)所需信號(hào)的要求，頻率合成就是用一個(gè)高穩(wěn)定度與高標(biāo)準(zhǔn)度的標(biāo)準(zhǔn)頻率源作為參考，通過對(duì)該頻率進(jìn)行各項(xiàng)運(yùn)算和濾波后得到相同穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的不同的頻率信號(hào)，作為雷達(dá)發(fā)射的基準(zhǔn)頻率。中頻信號(hào)模擬器作為輔助調(diào)試檢測(cè)雷達(dá)使用時(shí)，需要對(duì)雷達(dá)接收到的回波信號(hào)進(jìn)行模擬，產(chǎn)生相同頻率的雷達(dá)回波信號(hào)便于整個(gè)接收通道的檢查，可以輔助雷達(dá)完成距離零位標(biāo)定、角度零位標(biāo)定、相位補(bǔ)償?shù)雀黜?xiàng)工作。

1 DDS基本工作原理

圖1是DDS的工作原理框圖[6]，在DDS內(nèi)核中作為DDS的系統(tǒng)時(shí)鐘，N位全加器對(duì)頻率控制字F和相位寄存器的N位輸出值進(jìn)行疊加運(yùn)算[2][4]，相位寄存器后信號(hào)流向分為兩路，主路與相位控制字P通過加法器再次疊加運(yùn)算后生成D位的ROM表尋址地址碼，通過該尋址碼在ROM查找表中找出當(dāng)前頻率控制字F和相位控制字P所對(duì)應(yīng)離散波形幅度值數(shù)據(jù)；反饋路的信號(hào)等待下一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)與下周期的頻率控制字F繼續(xù)疊加，實(shí)時(shí)更新。當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)鐘周期結(jié)束后，離散的波形幅度值數(shù)據(jù)構(gòu)成了離散輸出信號(hào)的波形，在DDS內(nèi)核外幅度控制字A控制乘法器對(duì)輸出信號(hào)的幅度值進(jìn)行選取，后經(jīng)DAC及低通濾波器組對(duì)信號(hào)進(jìn)行D/A變換和濾波最終得到實(shí)際需要的波形信號(hào)fout。

2 中頻信號(hào)模擬器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 核心器件的選型及主要功能

DDS芯片選用成都振芯公司的GM4940，該芯片包含32位頻率控制字F，16位相位控制字P，10位幅度控制字A，同時(shí)支持單點(diǎn)頻、FSK、PSK、OSK、RAMP、混頻、掃頻等多種操作模式。支持多芯片同步，芯片內(nèi)集成了單線SPI或8線SPI串行接口配置方式。總體滿足高速、高動(dòng)態(tài)、靈活的配置。DDS信號(hào)輸出頻率、相位及幅度如下：

MCU選用ST公司的ARM芯片STM32F407ZGT6。在系統(tǒng)中，MCU主要實(shí)現(xiàn)接收外部指令控制、內(nèi)部邏輯控制、系統(tǒng)內(nèi)外接口控制、電池充放電指示及電量監(jiān)測(cè)、故障檢測(cè)等功能。

2.2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

雷達(dá)中頻信號(hào)模擬器的系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

系統(tǒng)的基準(zhǔn)時(shí)鐘源選用100MHz恒溫超低相噪抗震晶振（OXLN），對(duì)所有芯片的系統(tǒng)時(shí)鐘提供了可靠的時(shí)鐘源并保證整個(gè)系統(tǒng)的相參性。時(shí)鐘源首先經(jīng)過時(shí)鐘分配芯片AD9513將100MHz的基準(zhǔn)時(shí)鐘變?yōu)?5MHz和300MHz兩種系統(tǒng)時(shí)鐘，分別提供給MCU芯片和DDS芯片。

DDS的內(nèi)部寄存器通過SPI串行接口的方式進(jìn)行配置，同時(shí)MCU通過通用I/O接口對(duì)其片選、IO_UPDATE、通道選擇、多芯片同步等進(jìn)行合理設(shè)置后DDS即可輸出所需的信號(hào)波形，后端經(jīng)過差分轉(zhuǎn)單端（巴倫）、阻抗匹配、放大、濾波、數(shù)控衰減等信號(hào)整形手段，最終獲得幅度、頻率、相位、調(diào)制方式等信號(hào)參數(shù)合理的模擬雷達(dá)中頻信號(hào)。

在外圍電路中，MCU使用SW下載接口將程序通過配置項(xiàng)存入外部FLASH中。可編程觸摸電容屏作為唯一的人機(jī)交互接口，可對(duì)模擬雷達(dá)中頻信號(hào)的關(guān)鍵參數(shù)，如：頻率、相位、幅度、多普勒速度、距離等進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)顯示當(dāng)前雷達(dá)中頻信號(hào)模擬器的工作狀態(tài)。內(nèi)部通過RS232串口將信息轉(zhuǎn)發(fā)至MCU中。外部輸入的同步信號(hào)，如：雷達(dá)重復(fù)頻率等通過245芯片驅(qū)動(dòng)后發(fā)至MCU中作為邏輯控制的時(shí)序輸入信號(hào)。此外，DDS的輸出經(jīng)過耦合、檢波、A/D變換后將信號(hào)發(fā)至MCU中，用作負(fù)反饋故障檢測(cè)。

2.3 ARM嵌入式軟件設(shè)計(jì)

雷達(dá)中頻信號(hào)模擬器系統(tǒng)的MCU軟件為ARM芯片嵌入式軟件，主體采用C語(yǔ)言在ST公司的Keil5中進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用了RT-Thread嵌入式操作系統(tǒng)，減少軟件設(shè)計(jì)周期，加強(qiáng)程序運(yùn)行時(shí)的并行處理能力。RTThread嵌入式操作系統(tǒng)是源碼公開的一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）[8-9]，其可靠性、實(shí)時(shí)性、可裁減性、易用性和可確定性均有良好的表現(xiàn)，在近年內(nèi)被廣泛的應(yīng)用于各高精尖的技術(shù)領(lǐng)域[10]。

雷達(dá)中頻信號(hào)模擬器的軟件程序主要通過多個(gè)并行的中斷服務(wù)函數(shù)來完成上電復(fù)位、初始化全局變量、I2C和RS232接口收發(fā)數(shù)據(jù)及解析、DDS信號(hào)生成的控制、負(fù)反饋檢測(cè)等主要功能，軟件流程圖見圖3。

程序開始運(yùn)行后，首先進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)集成電路的上電復(fù)位及初始化全局變量，配置通用I/O接口和默認(rèn)狀態(tài)下的各芯片的寄存器。參數(shù)配置完成后進(jìn)入并行處理，I2C接口主要用于與庫(kù)侖計(jì)芯片之間的通訊，發(fā)送庫(kù)侖計(jì)芯片的配置，接收當(dāng)前電池充/放電狀態(tài)及剩余電量，最終通過程序計(jì)算出百分比電量后經(jīng)RS232串口送觸摸顯示屏顯示輸出。RS232接口主要用于與觸摸屏之間的信息交互，接收人工信號(hào)參數(shù)裝訂，數(shù)據(jù)解析后通過SPI總線對(duì)DDS的各寄存器進(jìn)行配置。有外部時(shí)序輸入時(shí)，對(duì)人工裝訂的距離信息進(jìn)行計(jì)算，內(nèi)部通過TIMER定時(shí)器對(duì)時(shí)序邏輯進(jìn)行合理的規(guī)劃后，生成DDS最終所需的CS（片選）、I/O_UPDATE（波形觸發(fā)）等信號(hào)。此外，DDS的輸出信號(hào)經(jīng)負(fù)反饋電路檢測(cè)，對(duì)其輸出的功率進(jìn)行調(diào)整后作為最終生成的波形信號(hào)。

2.4 測(cè)試結(jié)果分析

以10MHz、101.3MHz的中頻信號(hào)，5MHz至10MHz的線性調(diào)頻信號(hào)為例，對(duì)信號(hào)的連續(xù)波和脈沖兩種波形及相關(guān)信號(hào)參數(shù)的進(jìn)行測(cè)試。其中重點(diǎn)關(guān)注DDS生成信號(hào)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，如：相位噪聲、窄帶雜散、寬帶雜散、頻率穩(wěn)定度、跳頻穩(wěn)定時(shí)間等。所有測(cè)試的試驗(yàn)結(jié)果由R.S公司的相噪分析儀、頻譜儀和Tektronix公司的示波器采樣所得，測(cè)試結(jié)果詳見圖4至圖10。

以本文中所選信號(hào)頻率為例，其信號(hào)特征中寬帶雜散>70dBc，在25KHz頻偏下窄帶雜散>90dBc，相噪>-135dBc@1KHz，頻率穩(wěn)定度>±0.5ppm。在波形測(cè)試中，波形穩(wěn)定、相位連續(xù)無截?cái)啵珼DS芯片更新IO_ UPDATE時(shí)延<2ns，能夠及時(shí)響應(yīng)外部時(shí)序的控制，對(duì)連續(xù)波進(jìn)行截取獲得所需周期和脈寬的脈沖信號(hào)波形。

3 結(jié)語(yǔ)

采用本文中方法設(shè)計(jì)的雷達(dá)中頻信號(hào)模擬器，通過嵌入式軟件和硬件結(jié)合，充分發(fā)揮ARM芯片的高速和穩(wěn)定性，能夠通過低成本的數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)DDS頻率快跳、分辨率高、多種模式等特點(diǎn)。根據(jù)實(shí)際需要可作為雷達(dá)發(fā)射通道中的中頻頻率源使用，亦可作為某特定型號(hào)雷達(dá)的中頻信號(hào)模擬器使用，功能多樣、操作便捷、配置簡(jiǎn)單，滿足工程需要。

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（作者簡(jiǎn)介：馬緒鐸，碩士，工程師，研究方向：雷達(dá)系統(tǒng)信號(hào)處理及數(shù)字電路設(shè)計(jì)；工作單位：西安導(dǎo)航技術(shù)研究所）