李增有 盧長海 韋俞鋒

摘 要:生產(chǎn)工藝的不斷進(jìn)步,使得采用全數(shù)字電路設(shè)計(jì)的高品質(zhì)LFM技術(shù)日趨成熟。采用AD9854設(shè)計(jì)的高品質(zhì)LFM已在我部某新型高精度雷達(dá)中得到應(yīng)用。在此詳細(xì)闡述了采用直接數(shù)字頻率合成與正交調(diào)制融合方法實(shí)現(xiàn)LFM的設(shè)計(jì)方案。測試結(jié)果表明,該LFM頻率精度、穩(wěn)定度、帶內(nèi)雜散抑制等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)優(yōu)良,能夠滿足新一代高精度測量雷達(dá)的應(yīng)用需求。[JP]

關(guān)鍵詞:LFM;AD9854;正交調(diào)制;雷達(dá) DDS

中圖分類號:TP368.1

隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展,線性調(diào)頻信號已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高分辨率雷達(dá)領(lǐng)域。過去獲得線性調(diào)頻信號主要借助模擬方法。其中,包括VCO方法和聲表面波方法。這兩種脈沖電壓信號的產(chǎn)生方法因其一些固有缺陷,如對環(huán)境溫度比較敏感,信號波形比較單一,信號產(chǎn)生的重復(fù)性差,線性度及信號間的相關(guān)性不理想等,制約了雷達(dá)整機(jī)性能的提高。目前,VCO方法和聲表面波方法已漸漸被數(shù)字方法所取代。直接數(shù)字頻率合成方法具有傳統(tǒng)方法所不具備的許多突出優(yōu)點(diǎn),如頻率分辨率和切換速度高,頻率切換時相位可保持連續(xù),超寬的頻率范圍,能實(shí)現(xiàn)各種調(diào)制波和任意波形的產(chǎn)生以及易于實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化設(shè)計(jì)等。然而,其全數(shù)字化的工作原理也給它帶來了兩個缺點(diǎn):一是輸出雜散較大;二是輸出帶寬將受到限制。但是,這一缺陷隨著新工藝和新算法的出現(xiàn)正在逐漸得到改善。

1 AD9854功能簡介

1.1 AD9854基本功能

(1)所有功能可以在內(nèi)置寄存器中靈活設(shè)置;

(2)系統(tǒng)時鐘:300 MHz,可單端輸入,亦可差分輸入;

(3)雙48位可編程頻率控制寄存器(一路為頻率控制字,另一路為步進(jìn)頻率控制字),其相位累加器的有效輸出位數(shù)為17位,波形存儲器數(shù)據(jù)總線位數(shù)為12位,保證了極好的數(shù)字自由雜散動態(tài)范圍;

(4)頻率分辨率可達(dá)到1.066 μHz;

[JP2](5)輸出頻率可從零頻開始到120 MHz,能產(chǎn)生┝鉸藩正交、高穩(wěn)定的頻率、相位、幅度可編程控制的信號;[JP]

(6)具有反辛格包絡(luò)濾波功能;

(7)14位數(shù)控調(diào)相或相移鍵控(PSK);

(8)具有掃頻(Chirp)功能;

(9)頻移鍵控(FSK)功能;

(10)三種控制和配置方式:并行端口、兩線串口控制、三線串口控制。

(11)單+3.3 V電源工作。

1.2 AD9854組成框圖

圖1是AD9854的功能結(jié)構(gòu)框圖。AD9854主要包括了四大部分:頻率累加器(ACC1)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻信號時頻率隨時間變化引起的相位值累加;相位累加器的(ACC2)實(shí)現(xiàn)將頻率轉(zhuǎn)換字和頻率累加器相加的值累加,同時將有效輸出位數(shù)截為17位;相位幅度轉(zhuǎn)換輸出正交的兩路12位信號;D/A轉(zhuǎn)換將12位的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬的電流信號。AD9854支持多種模式的信號輸出,芯片的編程和控制設(shè)置都是通過串口或并口實(shí)現(xiàn)的。除此之外,還有以下功能:在確保系統(tǒng)時鐘不超過300 MHz時,可以對參考頻率進(jìn)行4~20倍頻,作為系統(tǒng)時鐘;Q路的輸出直流可以通過一個專門12位寄存器進(jìn)行控制。由于DDS的固有結(jié)構(gòu)使得 DDS產(chǎn)生的I/Q信號,當(dāng)LFM脈沖休止期,Q路信號輸出為直流最大值,而工程上要求輸出無直流,可以通過這一功能實(shí)現(xiàn)在脈沖休止期對Q路輸出進(jìn)行控制。

2 LFM方案設(shè)計(jì)

2.1 硬件組成

利用AD9854直接頻率合成器與正交調(diào)制器、可編程器件和其他匹配電路構(gòu)成一個通用的信號產(chǎn)生平臺,通過改變可編程器件設(shè)計(jì),可以產(chǎn)生不同的信號形式,其組成如圖2所示。

2.2 產(chǎn)生線性調(diào)頻信號CPLD設(shè)計(jì)

CPLD設(shè)計(jì)要求:上電后根據(jù)控制碼設(shè)置DDS內(nèi)部寄存器,并由主觸發(fā)信號的上升沿和下降沿產(chǎn)生兩個更新時鐘,在兩個更新時鐘之間置寄存器1F(H)的〥6(CLR ACC2)位為高電平,在兩個更新時鐘之外置寄存器1F(H)的D6(CLR ACC2)位為低電平,DDS工作時序如圖3所示,其輸出對應(yīng)脈沖線性調(diào)頻信號。┩4給出CPLD設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果。

2.3 其他設(shè)計(jì)

由于正交調(diào)制器對鏡像和本振泄漏抑制較大,所以波形產(chǎn)生的上混頻采用正交調(diào)制技術(shù)。但是DDS的固有結(jié)構(gòu)使得 DDS產(chǎn)生的I/Q信號,當(dāng)LFM脈沖休止期,Q路信號輸出為一直流最大值,此時正交調(diào)制輸出會有強(qiáng)的本振泄漏,所以工程上要求輸出無直流。Q路的輸出直流可以通過一個專門12位寄存器進(jìn)行控制。在工程設(shè)計(jì)時,運(yùn)用此功能實(shí)現(xiàn)了對Q路輸出直流的控制,但是導(dǎo)致Q路與I路有一定的時延,在一定程度上減小了本振泄漏,但鏡像抑制受到影響。此次設(shè)計(jì)中為了改善這種缺陷,采取了新的方法,即I,Q兩路信號經(jīng)變壓器耦合去掉直流,并根據(jù)正交調(diào)制器的要求進(jìn)行直流偏值和最佳電平的設(shè)計(jì)。調(diào)制后的信號經(jīng)過窄帶帶通濾波器對鏡像和本振泄漏可獲得更好的抑制。同時利用了正交調(diào)制器的開關(guān)功能,抑制工作時段外的本振泄漏及噪聲電平,實(shí)現(xiàn)了脈沖休止期無雜散輸出。

2.4 注意事項(xiàng)

DDS參考時鐘一般都是由頻合器直接提供的單端信號,最好用巴倫或單端轉(zhuǎn)差分IC將其變成差分信號,這樣可以在印制板布線時布成差分線即可,否則300 MHz的頻率已進(jìn)入微波頻段,如使用單端信號印制線,需按微帶線或帶狀線設(shè)計(jì),增加印制板的設(shè)計(jì)難度和制造成本。

設(shè)計(jì)不良的電源退耦會影響DDS輸出信號質(zhì)量。為了充分發(fā)揮AD9854的性能,以獲得更好的效果,PCB應(yīng)該采用多層板,而且電源和地應(yīng)該分別作為獨(dú)立層來處理。電源必須使用適當(dāng)?shù)娜ヱ罴夹g(shù),在電源的輸入端使用一個高質(zhì)量的鉭電容,通過大面積、低阻抗的接地面進(jìn)行去耦,將低頻噪聲旁路,同時使用小的鐵氧體磁珠可以減少電路其他部分的高頻噪聲。在器件的電源管腳和地管腳之間就近使用表面貼裝的片狀陶瓷電容進(jìn)行濾波,因?yàn)檫@種電容的寄生電感很小。

在AD9854的55管腳與模擬電源之間串聯(lián)一個0.01 μF,可以提高無雜散動態(tài)范圍。輸出電流可以設(shè)計(jì)在5~20 mA范圍內(nèi),當(dāng)輸出電流為10 mA時,可以獲得最好的無雜散動態(tài)范圍。

設(shè)計(jì)時,可通過調(diào)節(jié)負(fù)載獲得不同幅度,但峰值不能超過1 V。

AD9854工作時發(fā)熱較大,應(yīng)在芯片底部設(shè)有整塊散熱銅箔,并通過多個過孔與印制板的底層(接地層)銅箔相連,以加強(qiáng)導(dǎo)熱能力,最好在其頂部粘結(jié)散熱器。

3 試驗(yàn)結(jié)果

目前,已研制出該波形產(chǎn)生器,其體積為140 mm×60 mm×20 mm,輸出頻率為L波段,本振抑制小于等于-60 dBc,鏡像抑制小于等于-65 dBc,當(dāng)重復(fù)頻率為3 kHz時,譜線間相噪小于-90 dBc/Hz,脈沖休止期無雜散。從測試結(jié)果可以看出,該波形產(chǎn)生綜合指標(biāo)較好。該波形產(chǎn)生器在某部新一代高精度雷達(dá)系統(tǒng)中應(yīng)用,效果良好。

AD9854是AD公司生產(chǎn)的直接頻率合成器,AD8349是AD公司生產(chǎn)的正交調(diào)制器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,利用AD9854 和AD8349產(chǎn)生的線性調(diào)頻信號性能優(yōu)良,能夠滿足高精度雷達(dá)系統(tǒng)的指標(biāo)要求。

4 結(jié) 語

該方案采用的DDS能夠產(chǎn)生兩路正交的寬帶差分信號,相位誤差最大為1°。由于信號經(jīng)過濾波器和變壓器與正交調(diào)制器相連接,使得輸入正交調(diào)制器的寬帶差分信號IB,IP,QB,QP,其正交性、幅度一致性都很難控制。為此,可以在方案設(shè)計(jì)時采用兩片DDS,分別產(chǎn)生I,Q兩路信號,以分別控制輸出幅度和相位,從而獲得更好的載頻抑制和鏡像抑制。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡介 李增有 男,1976年出生,山東膠南人,碩士研究生,工程師 。主要研究方向?yàn)殡娮与娐吩O(shè)計(jì)與無線電應(yīng)用。