基于AD9957的多波形雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生器

O 引言
    自1971年J．Tierney和C．M．Tader等人首次提出了DDS的概念，作為一種先進(jìn)的信號(hào)產(chǎn)生技術(shù)，經(jīng)過(guò)近40年的發(fā)展已經(jīng)廣泛應(yīng)用于信號(hào)源儀器、測(cè)量分析儀器、通訊、數(shù)字信號(hào)處理、工業(yè)控制，軟件無(wú)線電等領(lǐng)域。目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生研究的報(bào)道很多，國(guó)外的研究做得比較全面：多采用軟硬件相結(jié)合的設(shè)計(jì)方式，系統(tǒng)靈活，并滿足信號(hào)實(shí)時(shí)輸出的要求；設(shè)計(jì)上采用微處理器和DSP技術(shù)提高了系統(tǒng)的性能；采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的總線結(jié)構(gòu)以及模塊化設(shè)計(jì)使系統(tǒng)具有良好的通用性、兼容性和可擴(kuò)充性。
    本文討論的基于AD9957的多波形雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生器實(shí)現(xiàn)方案，融合了RS 232串口通信、FPGA和DDS等多種技術(shù)，具有數(shù)字化、多功能和可編程的特點(diǎn)，并在模塊化設(shè)計(jì)方面做了一些探索和嘗試性研究。

1 整體方案設(shè)計(jì)
    圖1為多波形雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生器的總體結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)主要由PC軟件，波形控制和波形產(chǎn)生三部分構(gòu)成。圖1中各部分電路簡(jiǎn)介如下。

    (1)PC軟件編程。應(yīng)用VC編寫人機(jī)交互界面，并用其調(diào)用Matlab產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。
    (2)復(fù)位電路。波形產(chǎn)生器的上電復(fù)位或手動(dòng)復(fù)位電路，對(duì)波形產(chǎn)生器進(jìn)行上電初始化或手動(dòng)初始化。
    (3)波形數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)存RAM。波形數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)存存儲(chǔ)項(xiàng)目要求的所有波形數(shù)據(jù)，為波形發(fā)生器提供需要的波形數(shù)據(jù)。
    (4)UART收發(fā)器。完成PC與FPGA之間的通信。
    (5)電源電路。為波形產(chǎn)生器、波形控制模塊提供需要的電源。
    (6)波形控制模塊。波形控制模塊接收從接口電路輸入的控制信號(hào)，按照系統(tǒng)的要求，完成對(duì)波形發(fā)生器的波形數(shù)據(jù)配置，輸出需要的波形信號(hào)。
    (7)波形發(fā)生器。波形發(fā)生器是信號(hào)產(chǎn)生器的波形信號(hào)源。
    (8)FPGA器件配置與編程電路。FPGA器件配置與編程完成對(duì)FPGA器件的數(shù)據(jù)編程與配置。
    (9)時(shí)鐘電路。為波形產(chǎn)生器和FPGA提供工作時(shí)鐘。

2 主要功能模塊介紹
2．1 數(shù)字正交上變頻芯片AD9957介紹
    AD9957是美國(guó)AD公司(Analog Devices Inc．)生產(chǎn)的具有18位I，Q數(shù)據(jù)和通路，內(nèi)置14位數(shù)／模轉(zhuǎn)換器的數(shù)字正交上變頻集成電路。AD9 957具有32位相位累加器；內(nèi)置1 024×32 b RAM，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部調(diào)制功能；內(nèi)部采用1．8 V和3．3 V供電，超低功耗；內(nèi)置的低噪聲參考時(shí)鐘倍頻器允許用低成本、低頻外部時(shí)鐘作為系統(tǒng)時(shí)鐘，同時(shí)仍可提供優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能。AD9957有3種工作模式：正交調(diào)制模式、單頻輸出模式、插值DAC模式。
2．2 UART收發(fā)器設(shè)計(jì)
    本文中PC與FPGA內(nèi)部RAM間的通信是通過(guò)UART收發(fā)器完成的。圖2為通過(guò)FPGA設(shè)計(jì)的UART收發(fā)器的頂層原理圖，主要由uartrx(接收模塊)和uarttx(發(fā)射模塊)兩部分構(gòu)成。在完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)還可以通過(guò)集成到Matlab人機(jī)界面中的串口調(diào)試程序查看FPGA接收到的數(shù)據(jù)的正確性，可以簡(jiǎn)化程序調(diào)試過(guò)程。

2．3 波形控制模塊
    目前波形控制器通常采用單片機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列器件和DSP三種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)?；谙到y(tǒng)時(shí)序控制要求、電路改動(dòng)與運(yùn)行可靠性、開發(fā)成本及周期等多個(gè)方面綜合考慮，在設(shè)計(jì)中選擇FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)波形控制電路。FPGA不僅可以解決電子系統(tǒng)小型化、低功耗、高可靠性等問(wèn)題，而且其開發(fā)周期短、開發(fā)軟件投入少、可重復(fù)編程使用。圖3為AD9957的波形控制模塊。其中M1和MO是模式控制碼，F(xiàn)[2．．O]是工作區(qū)選擇碼，S_CLK為串口時(shí)鐘，S_DATA為串口數(shù)據(jù)。圖4為AD9957控制模塊仿真時(shí)序圖，從圖中可以看出S_DATA和S_CLK是一一對(duì)應(yīng)的。

3 軟件模塊化設(shè)計(jì)
3．1 設(shè)計(jì)流程
    圖5所示為目前大多采用的DDS設(shè)計(jì)流程，首先要根據(jù)系統(tǒng)要求進(jìn)行波形數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)，并將其以某種格式儲(chǔ)存成文件，隨后用FPGA設(shè)計(jì)軟件(Quartus等)進(jìn)行RAM設(shè)計(jì)，RAM的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)指定為設(shè)計(jì)的波形數(shù)據(jù)文件，最后利用邏輯將數(shù)據(jù)配置到DDS中。如若需要修改波形數(shù)據(jù)，就需要將上述步驟進(jìn)行一次，如若多次修改，是比較繁瑣的。

    圖6所示為本設(shè)計(jì)中采用的基帶波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生流程，通過(guò)在軟件界面中輸入波形參數(shù)，采樣率等數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件算法，產(chǎn)生數(shù)據(jù)并將據(jù)送入FPGA內(nèi)置的RAM中，在FPGA輸入控制信號(hào)的控制下，將采樣數(shù)據(jù)送入DDS芯片中。
3．2 PC軟件
    PC機(jī)應(yīng)用軟件完成所有與波形數(shù)據(jù)相關(guān)的運(yùn)算以及與硬件的數(shù)據(jù)通信功能，如圖7所示為基于Matlab GUI的應(yīng)用軟件界面界面部分，其包含以下一些功能：

    (1)波形數(shù)據(jù)的產(chǎn)生。對(duì)指定的波形形式、脈寬、帶寬等參數(shù)的信號(hào)進(jìn)行仿真，包括時(shí)域波形數(shù)據(jù)的運(yùn)算和頻譜分析、顯示，并保存數(shù)據(jù)。目前可生成LFM，NFLM，相位編碼和三角波的信號(hào)形式，如需要可添加任意波形。
    (2)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信。通過(guò)計(jì)算機(jī)串行口連接系統(tǒng)主板以實(shí)現(xiàn)基于RS 232接口的異步串行數(shù)據(jù)通信，接口簡(jiǎn)單，配置方便。目的是實(shí)現(xiàn)所需波形數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)到波形產(chǎn)生硬件存儲(chǔ)器的下載、校驗(yàn)。
    (3)用戶軟件界面。該界面可完成波形選擇；時(shí)寬、帶寬、采樣率、中頻頻率設(shè)定；信號(hào)時(shí)域波形、頻率一時(shí)間關(guān)系顯示；基帶采樣數(shù)據(jù)生成、下載等功能。
    (4)可移植性?；贛atlab編譯的人機(jī)界面的M文件可經(jīng)Matlab編譯器(cornpiler)轉(zhuǎn)換為C或C++等不同類型的源代碼，并再次基礎(chǔ)上根據(jù)需要生成可獨(dú)立運(yùn)行的應(yīng)用程序文件，不需要Matlab環(huán)境的支持，大大擴(kuò)展了程序的應(yīng)用范圍。同時(shí)對(duì)M文件編譯后，運(yùn)行速度大大提高。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    圖8為AD9957工作在單頻輸出模式下，系統(tǒng)時(shí)鐘1 GHz，0 dBm，輸出185 MHz點(diǎn)頻頻譜，其雜散優(yōu)于-70 dBc。圖9為AD9957工作在正交調(diào)制模式下，帶寬10 MHz，時(shí)寬20μs非線型調(diào)頻信號(hào)頻譜。由于篇幅所限，線性調(diào)頻、相位編碼等信號(hào)不在此一一列出。

5 結(jié)語(yǔ)
    該設(shè)計(jì)主要討論一種基于DDS的雷達(dá)信號(hào)的實(shí)現(xiàn)方法，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將軟件與硬件相結(jié)合，操作簡(jiǎn)便、靈活，并使軟件具有一定的可移植性。Matlab的編程界面使得操作者能夠方便快捷地修改數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了基于AD9957的多波形雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生器實(shí)現(xiàn)方法的正確性。由于異步通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡退俾屎虵PGA內(nèi)置ROM容量的有限性，因此如果在PC與RAM間要求更高速度的數(shù)據(jù)傳輸，可以考慮換用PCI總線或計(jì)算機(jī)網(wǎng)口傳輸；當(dāng)需要大時(shí)寬信號(hào)或采樣數(shù)據(jù)量很大，超出單片F(xiàn)PGA內(nèi)部存儲(chǔ)器容量，可換用大容量的芯片或外加存儲(chǔ)設(shè)備。