應(yīng)用于數(shù)字陣列的多通道波形產(chǎn)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【導(dǎo)讀】數(shù)字陣列雷達(dá)(Digital Array Radar，DAR)在接收和發(fā)射模式下均采用數(shù)字波束形成(Digital Beam Forming，DBF)，實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)功率在空域靈活分配與接收，獲得優(yōu)良的收發(fā)波束特性，從而提升了雷達(dá)系統(tǒng)的多項(xiàng)性能，是雷達(dá)重要發(fā)展趨勢(shì)之一。在數(shù)字陣列雷達(dá)中，直接數(shù)字頻率合成(Direct Digital Synthesizer，DDS)是實(shí)現(xiàn)雷達(dá)波形產(chǎn)生與發(fā)射波束控制的

摘要：  數(shù)字陣列雷達(dá)(Digital Array Radar，DAR)在接收和發(fā)射模式下均采用數(shù)字波束形成(Digital Beam Forming，DBF)，實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)功率在空域靈活分配與接收，獲得優(yōu)良的收發(fā)波束特性，從而提升了雷達(dá)系統(tǒng)的多項(xiàng)性能，是雷達(dá)重要發(fā)展趨勢(shì)之一。在數(shù)字陣列雷達(dá)中，直接數(shù)字頻率合成(Direct Digital Synthesizer，DDS)是實(shí)現(xiàn)雷達(dá)波形產(chǎn)生與發(fā)射波束控制的最常用的方案之一。

關(guān)鍵字：  數(shù)字波形，雷達(dá)波形，存儲(chǔ)器，系統(tǒng)設(shè)計(jì)，多通道，數(shù)字陣列

　　數(shù)字陣列雷達(dá)(Digital Array Radar，DAR)在接收和發(fā)射模式下均采用數(shù)字波束形成(Digital Beam Forming，DBF)，實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)功率在空域靈活分配與接收，獲得優(yōu)良的收發(fā)波束特性，從而提升了雷達(dá)系統(tǒng)的多項(xiàng)性能，是雷達(dá)重要發(fā)展趨勢(shì)之一。在數(shù)字陣列雷達(dá)中，直接數(shù)字頻率合成(Direct Digital Synthesizer，DDS)是實(shí)現(xiàn)雷達(dá)波形產(chǎn)生與發(fā)射波束控制的最常用的方案之一?；贒DS技術(shù)的多通道波形產(chǎn)生系統(tǒng)不僅可以方便地產(chǎn)生各種雷達(dá)波形，還可以在數(shù)字域靈活地對(duì)陣列天線進(jìn)行相位和幅度加權(quán)，實(shí)現(xiàn)發(fā)射波束的快速、高精度控制，從而實(shí)現(xiàn)雷達(dá)波形產(chǎn)生、波形捷變與幅相控制的一體化設(shè)計(jì)。

　　1995年，Adrian Garrod提出了數(shù)字T/R組件的基本概念，研制了13單元收發(fā)全DBF相控陣?yán)走_(dá)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用DDS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了波形產(chǎn)生系統(tǒng)，其信號(hào)樣式為線性調(diào)頻，瞬時(shí)帶寬小于1 MHz;林肯實(shí)驗(yàn)室于2003年完成了一個(gè)S波段寬帶數(shù)字陣列試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用DDS技術(shù)產(chǎn)生線性調(diào)頻信號(hào)，擁有寬帶(500 MHz)和窄帶(10 MHz)兩種工作方式;文獻(xiàn)也介紹了多種采用DDS技術(shù)實(shí)現(xiàn)波形產(chǎn)生與發(fā)射DBF控制的數(shù)字陣列系統(tǒng)。上述文獻(xiàn)介紹的大都是應(yīng)用于DAR實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)中的波形產(chǎn)生系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，系統(tǒng)集成度較低，成本較高;而數(shù)字陣列雷達(dá)發(fā)展尤其是大規(guī)模數(shù)字陣列的興起，對(duì)陣列單元的集成度、體積、成本和功能多樣化等方面提出了進(jìn)一步的要求。本文介紹了一種基于DDS技術(shù)的多通道、小型化、低成本的波形產(chǎn)生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)在25 cm×12 cm的PCB板上實(shí)現(xiàn)了16通道波形產(chǎn)生、波形捷變與幅相控制的一體化設(shè)計(jì)，能同時(shí)產(chǎn)生16路頻率、幅度和相位獨(dú)立控制的中頻雷達(dá)信號(hào)，信號(hào)帶寬1～120 MHz可變，通道隔離度大于60 dBc，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某數(shù)字陣列雷達(dá)。

　　1 數(shù)字波形產(chǎn)生原理與幅相控制方法

　　應(yīng)用于雷達(dá)波形產(chǎn)生的DDS技術(shù)主要分為基于存儲(chǔ)器的直接數(shù)字波形合成(Direct Digital WaveformSynthesizer，DDWS)和基于累加器的直接數(shù)字頻率合成(Direct Digital Frequency Synthesizer，DDFS)兩類。DDWS技術(shù)是根據(jù)高速采樣時(shí)鐘，直接讀取預(yù)先存儲(chǔ)在高速存儲(chǔ)器中的數(shù)字波形，進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換獲得所需模擬波形，其特點(diǎn)是簡(jiǎn)單靈活，只要存儲(chǔ)器時(shí)鐘足夠高，叮以獲得超寬帶LFM信號(hào)，不足之處在于需要大容量存儲(chǔ)器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。DDFS技術(shù)是通過相位累加器得到當(dāng)前相位值，然后利用該值尋址ROM查找表，讀出相應(yīng)的信號(hào)幅值，最后經(jīng)數(shù)/模變換獲得模擬波形，其特點(diǎn)是頻率分辨率高、波形參數(shù)控制靈活，不足之處在于限于DDS器件的水平其時(shí)鐘頻率不夠高，難以產(chǎn)生超寬帶波形。

　　對(duì)于大規(guī)模數(shù)字陣列，高集成度、小型化、低成本是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之一。隨著數(shù)字集成電路的發(fā)展，DDFS芯片集成度和時(shí)鐘頻率進(jìn)一步提高，尤其是單芯片多通道DDFS芯片的出現(xiàn)，給實(shí)現(xiàn)高集成度、小型化、低成本的陣列雷達(dá)多通道波形產(chǎn)生系統(tǒng)提供了便利。針對(duì)實(shí)際數(shù)字陣列系統(tǒng)指標(biāo)要求產(chǎn)生中心頻率為140 MHz，帶寬為1～120 MHz的線性調(diào)頻，設(shè)計(jì)中采用DDFS技術(shù)實(shí)現(xiàn)多通道波形產(chǎn)生是最優(yōu)的方案。

　　圖1給出了一種適用于數(shù)字陣列雷達(dá)基于DDFS技術(shù)的雷達(dá)波形產(chǎn)生系統(tǒng)原理框圖，DDS核中的相位累加器完成調(diào)相功能，而頻率累加器和相位累加器兩級(jí)串聯(lián)結(jié)構(gòu)完成調(diào)頻功能，正弦查找表后的乘法器則完成對(duì)波形信號(hào)幅度的控制，于是實(shí)現(xiàn)了陣列雷達(dá)的波形產(chǎn)生、波形捷變和幅相控制的一體化設(shè)計(jì)。

　　

　　2 多通道波形產(chǎn)生的實(shí)現(xiàn)

　　2.1 多通道波形產(chǎn)生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與硬件設(shè)計(jì)

　　根據(jù)上文的分析，采用DDFS技術(shù)來實(shí)現(xiàn)該多通道波形產(chǎn)生系統(tǒng)，考慮到系統(tǒng)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)和成本要求，選用ADI公司的四通道高集成度DDS芯片AD9959作為系統(tǒng)的核心芯片，該芯片最高時(shí)鐘頻率達(dá)到500 MHz，包含了四路頻率、相位和幅度獨(dú)立可控的DDS核，DDS核的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與圖1所示的原理框圖一致。設(shè)計(jì)中采用了4片AD9959芯片，配以外圍邏輯電路、轉(zhuǎn)換電路，在單塊PCB板上實(shí)現(xiàn)了16通道獨(dú)立可控的中頻雷達(dá)信號(hào)的系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。AD9959時(shí)鐘頻率選為480 MHz，F(xiàn)PGA的同步時(shí)鐘為60 MHz;采用三片F(xiàn)PGA組成邏輯控制電路，完成對(duì)AD9959的初始化配置，對(duì)波形控制系統(tǒng)送來的控制碼進(jìn)行譯碼，并行計(jì)算十六路DDS通道波形的頻率、幅度、相位等控制參數(shù)，轉(zhuǎn)化為DDS寄存器控制碼，完成對(duì)16個(gè)通道相應(yīng)寄存器的讀寫操作。這樣，利用AD9959的頻率和幅相控制功能，在完成數(shù)字波形信號(hào)產(chǎn)生的同時(shí)，對(duì)數(shù)字陣列的每個(gè)發(fā)射單元波形的頻率、相位和幅度進(jìn)行獨(dú)立控制，該數(shù)字信號(hào)經(jīng)D/A變換成模擬中頻信號(hào)，然后由線性上變頻通道完成發(fā)射頻率擴(kuò)展形成射頻信號(hào)，最后射頻信號(hào)經(jīng)天線輻射單元實(shí)現(xiàn)發(fā)射DBF。

　　

　　2.2 多通道波形產(chǎn)生系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　在數(shù)字陣列雷達(dá)中，波束控制系統(tǒng)根據(jù)雷達(dá)整機(jī)發(fā)射信號(hào)的要求，計(jì)算低副瓣幅度加權(quán)、波束掃描相位加權(quán)以及幅相誤差校正所需的幅相加權(quán)因子，確定每個(gè)發(fā)射通道波形的控制碼，波形產(chǎn)生系統(tǒng)通過接口電路獲得波形控制碼，在FPGA中完成對(duì)波形控制碼的譯碼，確定頻率、幅相控制字，控制AD9959每個(gè)通道的波形樣式。AD9959的相位累加器為32位，調(diào)頻數(shù)據(jù)累加器為32位，相位偏移累加器為14位，幅度系數(shù)乘法器為10位。計(jì)算公式如下：[!--empirenews.page--]

　　

　　式中：FTW為頻率控制字;fs為系統(tǒng)時(shí)鐘率;POW為相位偏移字;AW為幅度調(diào)節(jié)字。

　　對(duì)AD9959的內(nèi)部寄存器的配置是通過串口實(shí)現(xiàn)的。其中管腳SCLK是串行時(shí)鐘腳，用于同步AD9959的數(shù)據(jù)。CS管腳是片選腳，只有CS腳處于低電平時(shí)，芯片才進(jìn)入通信周期。SD1O管腳是串行數(shù)據(jù)腳。串口操作有三種操作模式：?jiǎn)伪忍卮心Ｊ健?比特串行模式和4比特串行模式。其中單比特模式只需要一根數(shù)據(jù)線，可以盡量減小線間信號(hào)串?dāng)_，因此設(shè)計(jì)中采用該模式完成對(duì)AD9959的讀寫操作。對(duì)AD9959的控制流程如下：在主復(fù)位信號(hào)后，提供通道使能位與頻率調(diào)節(jié)字FTW的地址(Reglster 0x04)和相位偏移調(diào)節(jié)字POW的地址(Register 0x05)相結(jié)合，這樣，頻率調(diào)節(jié)字和/或相位偏移字就可在四個(gè)通道間獨(dú)立編程。圖3給出了程序設(shè)計(jì)流程圖。

　　

　　2.3 系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)中包含4片AD9959芯片、3片高速FPGA以及多片時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路、變壓器、濾波器電路，是一個(gè)復(fù)雜的數(shù)/模混合電路系統(tǒng)，尤其是要在單塊PCB板上完成了16路波形通道的系統(tǒng)集成，電磁兼容設(shè)計(jì)是必須充分考慮的問題。在電路設(shè)計(jì)中選取合適的電路結(jié)構(gòu)，注意各功能模塊之間的阻抗匹配、電平匹配;在PCB設(shè)計(jì)中，首先根據(jù)電源電壓高低、數(shù)字器件或模擬器件、高速器件或低速器件以及電流大小等特點(diǎn)，將電路劃成不同的功能組：電源部分、接口部分、數(shù)字部分(包括AD9959數(shù)字控制入口、FPGA及附屬電路)、模擬部分(包括AD9959模擬輸出、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)、匹配電路、濾波電路等)，然后根據(jù)PCB的尺寸、安裝要求對(duì)電路的全部元件進(jìn)行綜合的合理布局。每個(gè)功能組的元器件緊湊地放置在一起以得到最短信號(hào)路徑以減小反射，尤其是時(shí)鐘線和AD9959輸出信號(hào)線應(yīng)盡量短，設(shè)計(jì)中采取差分傳輸?shù)姆绞?。其次，須仔?xì)考慮多層PCB板的層設(shè)置，根據(jù)電源、地的種類、信號(hào)線的密集程度、信號(hào)頻率等確定合適的PCB板層，層排列則依據(jù)一些基本原則：關(guān)鍵電源平面與其對(duì)應(yīng)的地平面相鄰;相鄰層的關(guān)鍵信號(hào)不能跨分割區(qū);時(shí)鐘等關(guān)鍵信號(hào)有一相鄰地平面等。

　　3 測(cè)試結(jié)果

　　通過細(xì)致的工程設(shè)計(jì)，本文所設(shè)計(jì)的16通道波形產(chǎn)生系統(tǒng)滿足數(shù)字陣列雷達(dá)系統(tǒng)要求，實(shí)現(xiàn)的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。圖4(a)給出了該系統(tǒng)產(chǎn)生的LFM信號(hào)的頻譜圖，其中心頻率為140 MHz，帶寬120 MHz;圖4(b)顯示了該LFM信號(hào)的脈內(nèi)頻譜，其脈內(nèi)信噪比優(yōu)于65 dBc;系統(tǒng)的實(shí)物圖如4(c)所示。

　　

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　文中介紹了基于DDFS技術(shù)的波形產(chǎn)生基本原理及幅相控制方法，給出了一種采用四通道DDS芯片AD9959作為核心芯片的多通道波形產(chǎn)生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，介紹了該系統(tǒng)的硬什設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)在25 cm×12 cm的PCB板上實(shí)現(xiàn)了波形產(chǎn)生、波形捷變與幅相控制的一體化設(shè)計(jì)，能同時(shí)產(chǎn)生16路頻率、幅度和相位獨(dú)立控制的中頻雷達(dá)信號(hào)，滿足數(shù)字陣列雷達(dá)對(duì)收發(fā)陣列單元的高集成度、小型化、低成本和多功能的要求;系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要技術(shù)指標(biāo)為：信號(hào)帶寬1～120 MHz可變，通道隔離度大于60 dBc，窄帶脈內(nèi)信噪比大于65 dBc，滿足數(shù)字陣列雷達(dá)技術(shù)指標(biāo)的要求。隨著全數(shù)字DBF技術(shù)的發(fā)展.基于DDFS的多通道波形產(chǎn)生技術(shù)將越來越多的應(yīng)用于數(shù)字陣列系統(tǒng)，在工程設(shè)計(jì)中進(jìn)一步提高系統(tǒng)集成度、減小系統(tǒng)體積、降低系統(tǒng)成本仍然是今后研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。