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摘 要:生产工艺的不断进步,使得采用全数字电路设计的高品质LFM技术日趋成熟。采用AD9854设计的高品质LFM已在我部某新型高精度雷达中得到应用。在此详细阐述了采用直接数字频率合成与正交调制融合方法实现LFM的设计方案。测试结果表明,该LFM频率精度、稳定度、带内杂散抑制等各项技术指标优良,能够满足新一代高精度测量雷达的应用需求。[JP]
关键词:LFM;AD9854;正交调制;雷达 DDS
中图分类号:TP368.1
随着雷达技术的发展,线性调频信号已经广泛应用于高分辨率雷达领域。过去获得线性调频信号主要借助模拟方法。其中,包括VCO方法和声表面波方法。这两种脉冲电压信号的产生方法因其一些固有缺陷,如对环境温度比较敏感,信号波形比较单一,信号产生的重复性差,线性度及信号间的相关性不理想等,制约了雷达整机性能的提高。目前,VCO方法和声表面波方法已渐渐被数字方法所取代。直接数字频率合成方法具有传统方法所不具备的许多突出优点,如频率分辨率和切换速度高,频率切换时相位可保持连续,超宽的频率范围,能实现各种调制波和任意波形的产生以及易于实现全数字化设计等。然而,其全数字化的工作原理也给它带来了两个缺点:一是输出杂散较大;二是输出带宽将受到限制。但是,这一缺陷随着新工艺和新算法的出现正在逐渐得到改善。
1 AD9854功能简介
1.1 AD9854基本功能
(1)所有功能可以在内置寄存器中灵活设置;
(2)系统时钟:300 MHz,可单端输入,亦可差分输入;
(3)双48位可编程频率控制寄存器(一路为频率控制字,另一路为步进频率控制字),其相位累加器的有效输出位数为17位,波形存储器数据总线位数为12位,保证了极好的数字自由杂散动态范围;
(4)频率分辨率可达到1.066 μHz;
[JP2](5)输出频率可从零频开始到120 MHz,能产生两路正交、高稳定的频率、相位、幅度可编程控制的信号;[JP]
(6)具有反辛格包络滤波功能;
(7)14位数控调相或相移键控(PSK);
(8)具有扫频(Chirp)功能;
(9)频移键控(FSK)功能;
(10)三种控制和配置方式:并行端口、两线串口控制、三线串口控制。
(11)单+3.3 V电源工作。
1.2 AD9854组成框图
图1是AD9854的功能结构框图。AD9854主要包括了四大部分:频率累加器(ACC1)实现调频信号时频率随时间变化引起的相位值累加;相位累加器的(ACC2)实现将频率转换字和频率累加器相加的值累加,同时将有效输出位数截为17位;相位幅度转换输出正交的两路12位信号;D/A转换将12位的数字信号转换成模拟的电流信号。AD9854支持多种模式的信号输出,芯片的编程和控制设置都是通过串口或并口实现的。除此之外,还有以下功能:在确保系统时钟不超过300 MHz时,可以对参考频率进行4~20倍频,作为系统时钟;Q路的输出直流可以通过一个专门12位寄存器进行控制。由于DDS的固有结构使得 DDS产生的I/Q信号,当LFM脉冲休止期,Q路信号输出为直流最大值,而工程上要求输出无直流,可以通过这一功能实现在脉冲休止期对Q路输出进行控制。
2 LFM方案设计
2.1 硬件组成
利用AD9854直接频率合成器与正交调制器、可编程器件和其他匹配电路构成一个通用的信号产生平台,通过改变可编程器件设计,可以产生不同的信号形式,其组成如图2所示。
2.2 产生线性调频信号CPLD设计
CPLD设计要求:上电后根据控制码设置DDS内部寄存器,并由主触发信号的上升沿和下降沿产生两个更新时钟,在两个更新时钟之间置寄存器1F(H)的D6(CLR ACC2)位为高电平,在两个更新时钟之外置寄存器1F(H)的D6(CLR ACC2)位为低电平,DDS工作时序如图3所示,其输出对应脉冲线性调频信号。图4给出CPLD设计的仿真结果。
2.3 其他设计
由于正交调制器对镜像和本振泄漏抑制较大,所以波形产生的上混频采用正交调制技术。但是DDS的固有结构使得 DDS产生的I/Q信号,当LFM脉冲休止期,Q路信号输出为一直流最大值,此时正交调制输出会有强的本振泄漏,所以工程上要求输出无直流。Q路的输出直流可以通过一个专门12位寄存器进行控制。在工程设计时,运用此功能实现了对Q路输出直流的控制,但是导致Q路与I路有一定的时延,在一定程度上减小了本振泄漏,但镜像抑制受到影响。此次设计中为了改善这种缺陷,采取了新的方法,即I,Q两路信号经变压器耦合去掉直流,并根据正交调制器的要求进行直流偏值和最佳电平的设计。调制后的信号经过窄带带通滤波器对镜像和本振泄漏可获得更好的抑制。同时利用了正交调制器的开关功能,抑制工作时段外的本振泄漏及噪声电平,实现了脉冲休止期无杂散输出。
2.4 注意事项
DDS参考时钟一般都是由频合器直接提供的单端信号,最好用巴伦或单端转差分IC将其变成差分信号,这样可以在印制板布线时布成差分线即可,否则300 MHz的频率已进入微波频段,如使用单端信号印制线,需按微带线或带状线设计,增加印制板的设计难度和制造成本。
设计不良的电源退耦会影响DDS输出信号质量。为了充分发挥AD9854的性能,以获得更好的效果,PCB应该采用多层板,而且电源和地应该分别作为独立层来处理。电源必须使用适当的去耦技术,在电源的输入端使用一个高质量的钽电容,通过大面积、低阻抗的接地面进行去耦,将低频噪声旁路,同时使用小的铁氧体磁珠可以减少电路其他部分的高频噪声。在器件的电源管脚和地管脚之间就近使用表面贴装的片状陶瓷电容进行滤波,因为这种电容的寄生电感很小。
在AD9854的55管脚与模拟电源之间串联一个0.01 μF,可以提高无杂散动态范围。输出电流可以设计在5~20 mA范围内,当输出电流为10 mA时,可以获得最好的无杂散动态范围。
设计时,可通过调节负载获得不同幅度,但峰值不能超过1 V。
AD9854工作时发热较大,应在芯片底部设有整块散热铜箔,并通过多个过孔与印制板的底层(接地层)铜箔相连,以加强导热能力,最好在其顶部粘结散热器。
3 试验结果
目前,已研制出该波形产生器,其体积为140 mm×60 mm×20 mm,输出频率为L波段,本振抑制小于等于-60 dBc,镜像抑制小于等于-65 dBc,当重复频率为3 kHz时,谱线间相噪小于-90 dBc/Hz,脉冲休止期无杂散。从测试结果可以看出,该波形产生综合指标较好。该波形产生器在某部新一代高精度雷达系统中应用,效果良好。
AD9854是AD公司生产的直接频率合成器,AD8349是AD公司生产的正交调制器。实验结果表明,利用AD9854 和AD8349产生的线性调频信号性能优良,能够满足高精度雷达系统的指标要求。
4 结 语
该方案采用的DDS能够产生两路正交的宽带差分信号,相位误差最大为1°。由于信号经过滤波器和变压器与正交调制器相连接,使得输入正交调制器的宽带差分信号IB,IP,QB,QP,其正交性、幅度一致性都很难控制。为此,可以在方案设计时采用两片DDS,分别产生I,Q两路信号,以分别控制输出幅度和相位,从而获得更好的载频抑制和镜像抑制。
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作者简介 李增有 男,1976年出生,山东胶南人,硕士研究生,工程师 。主要研究方向为电子电路设计与无线电应用。
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