基于AD9910的通用雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生器

李 輝 饒睿楠 任亞欣

(西安電子工程研究所 西安 710100)

1 引言

現(xiàn)代雷達(dá)中，通常要求雷達(dá)發(fā)射信號(hào)具有多種形式，如工作時(shí)采用的不同帶寬不同時(shí)寬的線性調(diào)頻信號(hào)、非線性調(diào)頻信號(hào)、單頻信號(hào)、相位編碼信號(hào)，以及為進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試、校正而使用幅度調(diào)制的上述信號(hào)等。這就給雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生器提出了具有多種工作模式的要求［1］。應(yīng)用于某雷達(dá)系統(tǒng)的信號(hào)波形要求如表1所示，表1中的f為多普勒頻移。盡管本系統(tǒng)中對(duì)信號(hào)模式要求不是很多，但是為了實(shí)現(xiàn)通用化這就要求在設(shè)計(jì)的開(kāi)始就以模塊化和通用化的思想從軟件和硬件方面進(jìn)行構(gòu)思設(shè)計(jì)。本文將MATLAB工具軟件和Quartus軟件聯(lián)合使用，通過(guò)MATLAB以參數(shù)化的方法產(chǎn)生mif格式的信號(hào)波形數(shù)據(jù)和DDS寄存器配置數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)作為FPGA中RAM對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)在FPGA開(kāi)發(fā)中直接使用。在FPGA設(shè)計(jì)中采用多層狀態(tài)機(jī)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)AD9910的多模式動(dòng)態(tài)配置［1］。由于采用了參數(shù)化方法使得當(dāng)信號(hào)參數(shù)改變時(shí)，只需在MATLAB中修改信號(hào)相應(yīng)參數(shù)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)替換原來(lái)的數(shù)據(jù)就可以實(shí)現(xiàn)新參數(shù)的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了信號(hào)產(chǎn)生器的通用化，節(jié)省了軟、硬件開(kāi)發(fā)成本。

表1 某雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生器的工作模式

2 AD9910的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

AD9910是ADI公司近年來(lái)推出的一款性?xún)r(jià)比很高的DDS芯片，它與AD9954的功能比較如表2所示，可以認(rèn)為它是AD9954的升級(jí)版，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，由圖1可以看出:它主要由DDS核、14位DAC、線性斜坡發(fā)生器、1024 X 32 bit RAM、時(shí)鐘倍頻電路、時(shí)序控制邏輯、串行控制接口和高速并行數(shù)據(jù)接口等8部分組成。它支持的最高時(shí)鐘頻率達(dá)到1000MHz。其內(nèi)部集成的靜態(tài)RAM從邏輯上劃分為八個(gè)區(qū)，分別由外部引腳Profile0～2進(jìn)行選擇，這八個(gè)區(qū)分別由寄存器 Profilei(i=0，1，2，3，4，5，6，7)控制。該RAM中的數(shù)據(jù)可以作為頻率控制字、也可以作為相位偏移字，還可以作為幅度與相位偏移字用于角度調(diào)制，RAM主要用于預(yù)先定義好的調(diào)制。AD9910主要有4種工作模式:單頻模式、RAM調(diào)制模式、DRG調(diào)制模式和并口調(diào)制模式。在單頻模式下，AD9910輸出連續(xù)波信號(hào)。AD9910共有8個(gè)64位單頻信號(hào)寄存器，可以存儲(chǔ)8個(gè)單一頻率控制字，每個(gè)寄存器中包含了頻率控制參數(shù)、相位控制參數(shù)和幅度控制參數(shù)。利用芯片管腳Profile0～2可以選擇使用哪個(gè)Profile寄存器。在RAM調(diào)制模式下，用戶(hù)可以任意改變DDS信號(hào)控制參數(shù)來(lái)產(chǎn)生各種信號(hào)，典型應(yīng)用如FSK、PSK、ASK以及用戶(hù)可自定義的非線性掃描信號(hào)。這種模式下的RAM寄存器和單點(diǎn)調(diào)制模式下的單頻信號(hào)寄存器復(fù)用同一地址，通過(guò)芯片的功能控制寄存器CFR1、CFR2來(lái)控制選用哪種模式。DRG調(diào)制模式與RAM調(diào)制模式實(shí)現(xiàn)功能相類(lèi)似，不同點(diǎn)是該模式利用累加器對(duì)DDS所需的信號(hào)參數(shù)進(jìn)行調(diào)制。在這種模式下，可以產(chǎn)生較好的線性調(diào)頻信號(hào)。并口調(diào)制模式主要應(yīng)用于需要頻率或者相位極快變化的場(chǎng)合，例如跳頻合成器、高速波形發(fā)生器等。因?yàn)锳D9910提供了更新速率可達(dá)250MHz的l6bit快速編程的并行接口，每隔8ns即可更新一次32bit的頻率控制字。在各個(gè)工作模式下對(duì)芯片的操作只需要選擇相應(yīng)的模式，并寫(xiě)入相應(yīng)的控制字即可。根據(jù)AD9910的功能特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求，在本文中選擇使用的是RAM調(diào)制模式。

表2 AD9910與AD9954主要功能對(duì)比

圖1 AD9910的結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

系統(tǒng)采用FPGA作為控制電路的核心，通過(guò)AD9910的串口對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置來(lái)實(shí)現(xiàn)通用雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生器，其系統(tǒng)框圖如圖2所示。圖2中穩(wěn)壓器對(duì)+5V的電壓進(jìn)行穩(wěn)壓處理，產(chǎn)生+3.3V、+1.2V、+1.8V電壓分別為FPGA和AD9910供電;FPGA根據(jù)外部輸入信號(hào)的變化對(duì)AD9910進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置，在配置完成后根據(jù)外部的輸入脈沖觸發(fā)AD9910輸出一定參數(shù)的復(fù)雜信號(hào);AD9910輸出的信號(hào)通過(guò)Balun實(shí)現(xiàn)差分到單端信號(hào)的轉(zhuǎn)換，再經(jīng)濾波器濾波后由放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大后輸出。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)通用化需要考慮以下幾個(gè)問(wèn)題:一是AD9910的輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘，采用外部直接輸入時(shí)鐘還是通過(guò)內(nèi)置的PLL對(duì)輸入的頻率較低的時(shí)鐘進(jìn)行倍頻而得到最終的頻率較高的時(shí)鐘信號(hào);二是系統(tǒng)中的關(guān)鍵信號(hào)如串口配置時(shí)鐘Sclk、配置數(shù)據(jù)Sdio和同步時(shí)鐘信號(hào)等要按照高速信號(hào)來(lái)處理;三是信號(hào)輸出電路部分的Balun、濾波器和放大器的選擇要考慮到輸出信號(hào)中心頻率、帶寬變化的影響。在本方案中對(duì)輸入的頻率較低的時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)內(nèi)置的PLL進(jìn)行倍頻，考慮到不同倍頻次數(shù)和環(huán)路參數(shù)對(duì)最終輸出相位噪聲的影響，需要特別注意外接環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)，在印制板設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)外接的電容和電阻按照并聯(lián)和串聯(lián)方式多布置幾個(gè)封裝位置以便于調(diào)整環(huán)路參數(shù)、優(yōu)化輸出信號(hào)的相位噪聲。對(duì)于系統(tǒng)中的關(guān)鍵信號(hào)按照高速信號(hào)設(shè)計(jì)規(guī)則進(jìn)行布線，以保證信號(hào)的完整性。對(duì)于輸出Balun和放大器采用頻響滿足AD9910最大Nyquist帶寬的型號(hào)，而對(duì)于濾波器則選用標(biāo)準(zhǔn)封裝的成品濾波器，當(dāng)輸出信號(hào)中心頻率和帶寬變化時(shí)，直接更換即可。

圖2 系統(tǒng)框圖

3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件的設(shè)計(jì)涉及三個(gè)方面，一是波形和配置數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，二個(gè)是根據(jù)外部輸入信號(hào)的變化對(duì)AD9910進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置;三是配置完成以后的運(yùn)行控制。本方案中，波形和配置數(shù)據(jù)利用MATLAB工具以參數(shù)化的方法產(chǎn)生Quartus軟件能夠直接使用的mif格式的數(shù)據(jù)文件，當(dāng)信號(hào)參數(shù)改變時(shí)，只要在MATLAB中對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改生成新的數(shù)據(jù)文件來(lái)代替舊的數(shù)據(jù)文件就可以完成新參數(shù)信號(hào)的產(chǎn)生。動(dòng)態(tài)配置的問(wèn)題可以采用多層次狀態(tài)機(jī)［1］來(lái)解決。配置完成后的控制運(yùn)行要依據(jù)雷達(dá)工作的特點(diǎn)，以Prf脈沖的前沿作為觸發(fā)，根據(jù)脈寬等參數(shù)的變化來(lái)改變Profile0～2信號(hào)，從而使AD9910輸出一定參數(shù)的復(fù)雜信號(hào)。圖3為FPGA內(nèi)部的框圖，主要由三部分組成:邏輯控制模塊、RAM和并串轉(zhuǎn)換模塊，邏輯控制模塊負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的邏輯產(chǎn)生包括對(duì)RAM的讀控制、并串轉(zhuǎn)換模塊的啟動(dòng)和與AD9910連接的信號(hào)的邏輯控制。在FPGA設(shè)計(jì)時(shí)要保證關(guān)鍵信號(hào)的建立時(shí)間和保持時(shí)間滿足AD9910數(shù)據(jù)手冊(cè)的要求。

圖3 FPGA內(nèi)部框圖

圖4為AD9910串口配置的時(shí)序要求。串口的操作要在CS信號(hào)為低電平的情況下先寫(xiě)入一個(gè)命令字節(jié)，通過(guò)命令字節(jié)指明是進(jìn)行讀操作還是寫(xiě)操作，同時(shí)指明操作寄存器的地址。接下來(lái)的字節(jié)是數(shù)據(jù)字節(jié)也就是寫(xiě)入寄存器的數(shù)據(jù)或者從寄存器中讀出的數(shù)據(jù)。圖5是用Quartus軟件進(jìn)行FPGA設(shè)計(jì)，仿真出的時(shí)序圖。從仿真圖可以看出，在進(jìn)行串口寫(xiě)操作前先在io-reset端口形成一個(gè)脈沖來(lái)進(jìn)行串口的同步操作，在寫(xiě)完一個(gè)寄存器后在io-update端口上形成一個(gè)脈沖使寫(xiě)入的數(shù)據(jù)從緩存區(qū)轉(zhuǎn)移到寄存器中，從而完成一個(gè)寄存器的寫(xiě)操作。

4 測(cè)試結(jié)果

圖6～9是測(cè)試不同模式下的信號(hào)頻譜圖，圖10～11是測(cè)試不同初始相位情況下的信號(hào)時(shí)域圖。其中，圖6為脈內(nèi)跳頻的線性調(diào)頻脈沖信號(hào)的頻譜圖，圖8為線性調(diào)頻脈沖信號(hào)的頻譜圖，圖7和圖9分別為圖6和圖8對(duì)應(yīng)信號(hào)加多普勒偏移后的信號(hào)頻譜圖，為了便于觀測(cè)，將多普勒頻率設(shè)置為1MHz。

圖6 脈內(nèi)跳頻線性調(diào)頻信號(hào)未加多普勒偏移

5 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)AD9910的性能特點(diǎn)，通過(guò)FPGA對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置形成通用雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生器。對(duì)實(shí)現(xiàn)該方案應(yīng)注意的問(wèn)題和解決方法進(jìn)行了具體的介紹。最后利用頻譜儀測(cè)試了輸出信號(hào)的頻譜，利用示波器測(cè)試了線性調(diào)頻脈沖信號(hào)的時(shí)域圖，符合設(shè)計(jì)要求。需要指出的是:由于受AD9910最高參考時(shí)鐘頻率以及其內(nèi)部集成RAM容量的限制，該方案在產(chǎn)生大時(shí)寬、大帶寬的線性調(diào)頻脈沖信號(hào)或非線性調(diào)頻脈沖信號(hào)時(shí)受到了限制。

［1］李輝.基于AD9954的多模式雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生器［J］.火控雷達(dá)技術(shù)，2008，(4).

［2］AD9910 DATA SHEET.Analog Devices，Inc.2007.

［3］夏宇聞.VERILOG數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)教程［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

［4］田廣錕，范如東.高速電路PCB設(shè)計(jì)與EMC技術(shù)分析［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008.