隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展,，出現(xiàn)了多種體制的雷達(dá)，比如脈沖多普勒雷達(dá),、SAR,、相控陣?yán)走_(dá)先進(jìn)，雖然這些雷達(dá)的功能不同,，但是為了提作用距離和距離向上的分辨率,，都彩了大時(shí)寬積信號(hào)。
在雷達(dá)信號(hào)源設(shè)計(jì)領(lǐng)域，DDS技術(shù)和器件已經(jīng)得到了很大的發(fā)展,，相應(yīng)的出現(xiàn)了很多性能優(yōu)異的DDS器件,，本文旨在介紹一種基于ADI公司的AD9959設(shè)計(jì)的新型多體制的雷達(dá)信號(hào)源設(shè)計(jì)方法，該器件具有穩(wěn)定度高,，相位,、頻率和幅度調(diào)整靈活，能夠同時(shí)產(chǎn)生4路相關(guān)信號(hào),，信號(hào)形式可以任意設(shè)定的特點(diǎn),，這些優(yōu)異的性能在雷達(dá)信號(hào)源的研制方面都表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)的多體制雷達(dá)信號(hào)源是以ADI公司的AD9959為核心,，結(jié)合FPGA控制電路,、信號(hào)放大電路構(gòu)成的。信號(hào)參數(shù)由主控計(jì)算機(jī)通過(guò)串口進(jìn)行發(fā)送,，并同F(xiàn)PGA進(jìn)行接收，從而控制AD9959完成相應(yīng)的信號(hào)輸出,。由于在雷達(dá)的實(shí)際發(fā)射過(guò)程中,，大部分采用的是大時(shí)寬帶寬的脈沖信號(hào)，因此在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的架構(gòu)中,，F(xiàn)PGA還完成了一定的脈沖輸出功能,，對(duì)AD9959輸出的連續(xù)波信號(hào)進(jìn)行脈沖調(diào)制，從而達(dá)到輸出雷達(dá)脈沖信號(hào)的能力,，而輸出的中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)混頻電路就可以達(dá)到雷達(dá)發(fā)射所需要的頻段,。
2.1 AD9959芯片簡(jiǎn)介
AD9959是一款性能優(yōu)異的DDS芯片，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
4路同步輸出通道,；
各個(gè)通道有獨(dú)立的頻率/相位/幅度控制功能,；
超強(qiáng)的通道之間隔離度(>65 dB)；
線性頻率/相位/幅度掃描能力,；
能夠達(dá)到16級(jí)的頻率/相位/幅度調(diào)制能力,；
可通過(guò)硬件/軟件控制節(jié)電模式。
AD9959通過(guò)串行I/O提供了多種配置功能,，基于這種串行I/O提供的一種SPI模式,，同以往的ADI的DDS器件是兼容的。同時(shí),，器件采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù),，使器件不僅具有優(yōu)異的性能，而且又具有低功耗的特點(diǎn),。器件集成了具有突出的寬帶和窄帶SFDR特性的4路高速10位DACs,。每一個(gè)通道，都具有32位頻率控制字,，14位相位控制字,，10位輸出幅度控制字,。REF CLK最高可以達(dá)到500 M/s，PLL倍頻器可以通過(guò)軟件編程在4～20之間設(shè)定,。正因?yàn)锳D9959具有能夠輸出多通道相關(guān)信號(hào)的能力,，所以AD9959可以廣泛地應(yīng)用于各種場(chǎng)合。
2.2 系統(tǒng)構(gòu)成
用戶(hù)通過(guò)計(jì)算機(jī)將所產(chǎn)生信號(hào)的參數(shù)傳送給FPGA,，F(xiàn)PGA接收到相應(yīng)的參數(shù)后,，控制AD9959輸出相應(yīng)的雷達(dá)信號(hào)，由于AD9959輸出信號(hào)是差分電流信號(hào),，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),，采用1：1傳輸變壓器將差分的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為單端的電壓信號(hào)，同時(shí)為了提高系統(tǒng)的輸出驅(qū)動(dòng)能力,，在變壓器后面進(jìn)行了信號(hào)放大,，系統(tǒng)框圖如圖1所示。
2.3 系統(tǒng)通信接口及協(xié)議
系統(tǒng)主要是由FPGA向AD9959發(fā)送命令,，從而輸出相應(yīng)的信號(hào),，對(duì)于AD9959的控制主要是通過(guò)串行總線SCLK和SDIO來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其中SCLK的最大時(shí)鐘速度可以達(dá)到200 MHz,，AD9959可以通過(guò)SDIO的4根數(shù)據(jù)線(SDIO 0～SDIO 3)同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,，從而可以使數(shù)據(jù)吞吐量變?yōu)?00 Mb/s，以前ADI公司的DDS產(chǎn)品有并行和串行兩種控制模式,，比如AD9850,，而AD9959這種SPI控制模式，無(wú)疑是更加簡(jiǎn)潔,，對(duì)于用戶(hù)控制而言也更加方便,。AD9959有4種串行控制傳輸模式，分別是Single-Bit Serial(2 and 3-wire)Modes,，2-Bit Serial Mode,，4-Bit SerialMode。AD9959四個(gè)輸出通道共享寄存器0x03～0x18,，這種寄存器地址共享模式,，能夠使4個(gè)通道同時(shí)寫(xiě)入控制字。例如要使AD9959的4個(gè)通道都輸出某個(gè)頻率,，只需要通過(guò)串行總線向AD9959寫(xiě)入一次即可,。如果使4個(gè)通道互相獨(dú)立操作，可以通過(guò)通道選擇寄存器(CSR)進(jìn)行選擇,。
AD9959的串行工作模式都工作于寄存器級(jí)傳輸,，而不是字節(jié)級(jí)傳輸。但是AD9959提供的SYNC I/O功能可以中斷I/O操作，這種模式可以使寄存器的某個(gè)字節(jié)進(jìn)行設(shè)置,，從而減少了設(shè)置時(shí)間,。所有指令都是在SCLK的上升沿寫(xiě)入，而在SCLK的下降沿讀出的,。在本文所設(shè)計(jì)的雷達(dá)信號(hào)源中,，對(duì)于AD9959的控制模式采用了Single--Bit Serial 2-wire Mode，在這種工作模式下,，AD9959使用SDIO 0作為數(shù)據(jù)傳輸管腳,，要使AD9959工作于這種模式，可以將CSR寄存器中的CSR<2：1>設(shè)置為00即可,。在Single-Bit Serial 2-wire Mode傳輸模式下,，支持MSB優(yōu)先和LSB優(yōu)先兩種模式。
系統(tǒng)通過(guò)FPGA對(duì)AD9959進(jìn)行操作,，主要分為兩個(gè)階段,，第一個(gè)階段為指令周期，在這個(gè)階段把指令寫(xiě)入到AD9959中,，在SCLK的每個(gè)上升沿寫(xiě)入一個(gè)比特,，并且這個(gè)指令字節(jié)規(guī)定了將要進(jìn)行的傳輸?shù)降资亲x操作還是寫(xiě)操作，同時(shí)包含了寄存器地址,；第二個(gè)階段為數(shù)據(jù)傳送周期，主要傳送波形參數(shù)的控制字,。
圖中完成的時(shí)序邏輯控制主要由FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn),，具體的信號(hào)參數(shù)是通過(guò)上位機(jī)通過(guò)串口發(fā)送給FPGA，因此FPGA還完成了串口收發(fā)功能,，通過(guò)串口,，系統(tǒng)主控制器(FPGA)不僅可以完成對(duì)上位機(jī)命令參數(shù)的接收，將信號(hào)各項(xiàng)參數(shù)寫(xiě)入到AD9959中,，同時(shí)還可以將AD9959內(nèi)部狀態(tài)信息讀出并且通過(guò)串口上傳到計(jì)算機(jī),。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 FPGA程序設(shè)計(jì)
在本文所設(shè)計(jì)的雷達(dá)信號(hào)源中，采用了XINUNXSpartan-3系列FPGA,，型號(hào)為XC23S1000,，他具有106個(gè)邏輯門(mén)，Distributed RAM共120 kb,，Block RAM共432 kb,，還具有4個(gè)DCM單元，最大可用I/O391個(gè),。由于系統(tǒng)采用FPGA作為核心控制器件,，因此具有很好的擴(kuò)展性，當(dāng)對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生改變時(shí)，只需要對(duì)FPGA內(nèi)部程序加以修改即可,。而不用進(jìn)行硬件的改動(dòng),，正因?yàn)镕P-GA具有這樣的優(yōu)勢(shì)，因此使本系統(tǒng)具有很好的靈活性,。
通過(guò)對(duì)FPGA編程,，主要完成了對(duì)AD9959控制功能和串口收發(fā)功能。AD9959內(nèi)部集成了4個(gè)DDS內(nèi)核,，每個(gè)DDS內(nèi)核都集成了32-b的相位累加器和相位一幅度轉(zhuǎn)換器,。每路DDS輸出的信號(hào)頻率可以通過(guò)下式來(lái)計(jì)算：
其中，fs表示系統(tǒng)采樣時(shí)鐘,，F(xiàn)TW表示頻率控制字,，fo表示DDS輸出信號(hào)頻率。由于在雷達(dá)信號(hào)源中,，線性調(diào)頻信號(hào)是常用的信號(hào)形式,，因此這里主要以線形調(diào)頻信號(hào)作參考。FPGA可以向AD9959發(fā)送控制字,，從而可以控制輸出信號(hào)的起始頻率,、調(diào)頻斜率系數(shù)、截止頻率等,。FPGA控制AD9959寫(xiě)入指令的時(shí)序邏輯圖如圖2所示,。
FPGA在系統(tǒng)中不僅完成了控制AD9959的功能，同時(shí)還完成符合RS232協(xié)議的串口數(shù)據(jù)的傳送功能,，UART功能都采用Verilog HDL語(yǔ)言描述,，這樣使系統(tǒng)更加緊湊、小巧,。
3．2 PC機(jī)程序設(shè)計(jì)
PC機(jī)軟件主要完成用戶(hù)參數(shù)的輸入并且將數(shù)據(jù)通過(guò)RS232串口發(fā)送到FPGA,，程序采用C編寫(xiě)，界面上可以輸入生成雷達(dá)信號(hào)的各種參數(shù),，比如信號(hào)頻率,、起始頻率、截止頻率,、調(diào)頻斜率,，由于AD9959可以生成FSK，PSK,，ASK多種體制信號(hào),，用戶(hù)還可通過(guò)下拉列表選擇信號(hào)樣式。系統(tǒng)控制軟件界百如圖3所示,。
軟件中利Visual Studio.NET中提供的串行通信控件Activex來(lái)實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)通信功能,，軟件的程序流程如圖4所示,。
4 結(jié) 語(yǔ)
系統(tǒng)采用FPGA作為核心控制器，不僅完成了對(duì)AD9959的控制功能,，同時(shí)還完成了串行數(shù)據(jù)傳輸功能,，使電路設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔并具有很好的擴(kuò)展性，在系統(tǒng)升級(jí)過(guò)程中,，不必改動(dòng)硬件設(shè)計(jì),，只需要將FPGA內(nèi)部程序進(jìn)行修改即可完成新的功能。
本文所設(shè)計(jì)的雷達(dá)信號(hào)源已經(jīng)在實(shí)際工作中得到很好的應(yīng)用,，系統(tǒng)可以同時(shí)輸出4路相參的信號(hào),，頻率范圍為10～150 MHz，每路輸出可以單獨(dú)控制也可以整體控制,，用戶(hù)可以通過(guò)PC機(jī)對(duì)系統(tǒng)輸出的信號(hào)參數(shù),、樣式進(jìn)行沒(méi)定，從而可以很方便地輸出相應(yīng)的雷達(dá)信號(hào),。系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實(shí)用性,、靈活性和可擴(kuò)展性，在實(shí)際工作中取得了很好的效果,，具有良好的應(yīng)用前景,。