基于AD9910的雷达信号模拟器的设计与实现

摘 要： 为了满足某型雷达系统性能检测的要求，基于AD9910芯片设计了一种高分辨力、宽频带、快速频率转换的高性能雷达信号模拟器。系统采用分布式控制原理，上位机由嵌入式PC104工控机组成，下位机由FPGA对DDS进行控制在12.5～16 GHz范围内输出雷达回波信号。实验测试结果表明，该雷达信号模拟器输出波形稳定，各项设计指标均达到系统设计要求。

关键词： DDS; AD9910; 信号模拟器; FPGA

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）06?0041?03

Design and implementation of radar signal simulator based on AD9910

ZHAN Chao1， 2， CAI Xin?ju1， LIU Shuang?qing3

（1. Department of Electronic and Information Engineering， Naval Aeronautical and Astronautical University， Yantai 264001， China;

2. Unit 92515 of PLA， Huludao 125001， China; 3. Unit 91341 of PLA， Donggang 118300， China）

Abstract： In order to meet performance test requirements of a certain radar system， a high resolution， wide frequency band， fast frequency conversion of high performance radar signal simulator based on the AD9910 chip was designed. The principle of division control is used for the system. The host computer is composed of the embedded PC104 IPC. The lower computer controlled by the FPGA on the DDS outputs radar echo signals in the range of 12.5～16 GHz. The experimental results show that the output waveform of the radar signal simulator is stable， and each design index can satisfy the design requirements of the system.

Keywords： DDS; AD9910; signal simulator; FPGA

0 引 言

雷达系统在生产和研制过程中，需要对雷达性能的各项指标参数进行调试，雷达信号模拟器可以模拟不同体制、不同频率、不同脉冲宽度的雷达信号，而且参数调节灵活，可以方便地为雷达系统性能的验证提供可靠依据[1]。频率源是雷达信号模拟器的心脏，当前电子系统中的高性能信号源都是由频率合成技术来实现的。DDS是一种从相位的概念出发，由不同相位对应不同的电压幅值，采用数字采样技术进行频率合成的新方法。DDS将数字处理技术引入到信号的频率合成领域之中，让计算机参与到频率合成，把输出的数字信号通过数模转换器转变成为所需要的模拟信号。与传统的的频率合成方法相比，DDS输出频率的带宽大，频率的分辨力高，频率转换时间快，可以输出任意形状的波形，易于编程控制，便于与计算机进行连接[2]。

利用DDS能合成各种复杂波形，通过对外部电路进行控制就能对输出波形的频率、相位、幅度等进行精确的。只需对DDS内部某些参数进行设置，就能输出所需要的波形信号[3]。本文采用FPGA 技术与DDS 技术相结合的方法，通过FPGA对DDS进行控制波形输出，设计出一个频段在12.5～16 GHz范围内，可稳定输出普通连续波、频率捷变、线性调频、脉冲多卜勒等雷达信号的信号模拟器。

1 DDS工作原理

DDS主要由能够产生标准频率的参考频率源、N位相位累加器、正弦波形存储表（ROM）、数/模转换器和低通滤波器五部分组成，如图1所示。外部控制器送来的频率控制字K送入频率寄存器中进行存储，每来一个时钟脉冲，N位加法器就将频率寄存器输出的频率控制数据与N位累加寄存器输出端反馈回来的相位数据相加，相加的结果再送入N位累加寄存器输入端。频率控制数据K决定了相位累加器的步进大小，每一个时钟的作用下，相位累加器中的数值就累加一个步长K;在参考时钟的重复作用下，加法器不断地对频率控制数据进行线性相位累加，相位累加到满量程时，就会产生一次溢出，这就是DDS的一个周期，因此相位的溢出频率就是DDS的输出频率[4]。

<E：＼王芳＼现代电子技术201506＼现代电子技术15年38卷第6期＼Image＼06t1.tif>

图1 DDS组成框图

DDS输出信号的频率为：

[fo=K2Nfc]

DDS的最小输出频率，也为其频率分辨力为：

[fomin=fc2N]

2 雷达信号模拟器硬件设计方案

2.1 系统总体结构设计

系统采用高稳定度的恒温晶振产生100 MHz频率作为参考输入时钟，分别用于锁相环模块的频率参考信号和FPGA模块的时序控制所需的时钟。锁相环模块根据晶振产生的100 MHz信号进行锁相，环路稳定后经VOC产生1 GHz输出信号，最后通过带通滤波输入AD9910中作为采样时钟。模块的控制核心和时序电路由DSP（TMS320C2812）和FPGA（XC3S500E）实现，该模块在晶振100 MHz的时钟信号触发下，根据时序与逻辑控制信号，将上位机通过上位机接口送来的控制命令和数据，通过DDS控制接口模块分别转换送至AD9910芯片，根据系统要求控制DDS芯片产生需要的线性调频信号、脉冲多普勒频移信号、频率捷变信号等雷达基带信号。其系统总体组成如图2所示。AD9910产生的基带信号在射频信号模块中进行混频合成后，与不同波段的本振信号进行上变频可以产生不同波段的雷达信号。毫米波信号模块结构如图3所示。

2.2 AD9910简介

DDS芯片采用Analog公司的AD9910，它集成了14 b数模转换器（DAC），并且支持高达1 GSPS的采样速率。AD9910采用ADI公司的高级DDS专利技术，这种技术可显著地降低功耗而无需牺牲性能。其DDS与DAC组合形成了数字可编程、高频模拟输出频率合成器，能够产生频率高达400 MHz频率灵活的正弦波形。用户可以访问三个用于控制DDS的信号控制参数：频率、相位和幅度。AD9910使用32 b累加器提供快速调频和频率调节分辨率。其采样率为1 GSPS，调节分辨率为0.23 Hz。AD9910支持快速的频率扫描、相位和幅度切换，可以方便地实现线性调频、相位编码信号的合成[5]。

<E：＼王芳＼现代电子技术201506＼现代电子技术15年38卷第6期＼Image＼06t2.tif>

图2 系统总体组成框图

<E：＼王芳＼现代电子技术201506＼现代电子技术15年38卷第6期＼Image＼06t3.tif>

图3 射频信号模块组构图

AD9910内部集成1 024 Word[×]32 b的RAM存储器，通过内部复杂状态机配合，RAM存储器可以非常灵活的生成随时间变化的任意波形。AD9910芯片的优越性能，使其在雷达捷变频本振频率合成，雷达和扫描系统线形调频源，极化调制器、雷达回波模拟等领域得到广泛的应用。

2.3 线形调频信号设计

AD9910中集成了全数字斜坡发生器，可以从编程设定的起点到终点扫描相位、频率和幅度。将全数字斜坡发生器设置为频率扫描，即可产生线性调频输出信号。数字斜坡发生器的扫描参数可以完全由编程确定，包括斜坡扫描上、下限，正/负斜率扫描步长和扫描步进时间间隔。数字斜坡发生器的内核是参考时钟为SYNCLK的32 b累加器，其频率为：

[fSYNCLK=14fSYSCLK]

若DDS系统时钟（即DAC采样时钟）为1 GHz，则数字斜坡发生器的内核参考时钟为4 ns，也就是说，数字斜坡发生器最短间隔4 ns就可以进行一次扫描步进，这对输出线性调频信号的线性度非常有利，即最小扫描步进时间间隔为：

[Δt=4fSYSCLK]

实际工作时，扫描步进时间间隔可以编程控制：

[Δt=4PfSYSCLK]

式中：[P]为保存在扫描步进时间间隔寄存器内数据。

扫描步长[M]确定输出信号频率扫描步长：

[ΔF=M232fSYSCLK]

输出线性调频信号的斜率为：

[K=ΔFΔt=M232?4P?fSYSCLK2]

斜坡累加器后有限值控制逻辑，可以强制设定数字斜坡累加器的输出信号频率的上界和下界，确保输出信号在期望的频率范围内线性扫描。扫描置上限后，可通过编程控制可以强制斜坡累加器清零，强制输出信号频率复位置下限频率。

3 测试结果

根据硬件设计方案，在完成雷达信号模拟器的硬件电路设计后，进行了系统的调试。通过Aglient公司的频谱仪E4447A进行测试，测得系统的主要参数有：

输出频率范围：12.5～16 GHz。

分辨力：100 kHz。

相位噪声：≤-75 dBc/Hz@10 kHz。

频率转换时间： ≤10 ms。

测试结果表明，该模拟器输出信号稳定可靠，各项参数指标均达到系统设计要求。图4为在测试过程中，当输出的中心频率为15 GHz时，利用示波器和频谱仪观察到的波形图。

4 结 语

本文介绍了一种基于AD9910的雷达信号模拟器的设计与实现方法，该方法具有良好的适应性和可扩展性，可以根据雷达工作体制和频率范围灵活调整信号参数，产生需要的雷达信号。

<E：＼王芳＼现代电子技术201506＼现代电子技术15年38卷第6期＼Image＼06t4.tif>

图4 利用示波器和频谱仪观察到的波形图

参考文献

[1] 王新浪.雷达信号模拟器的设计与分析[J].电子元器件应用，2012（3）：51?52.

[2] 高溪，高成.直接数字频率合成器DDS及其分析[J].北京航空航天大学学报，2002（4）：35?37.

[3] 席安安，张春荣.DDS在复杂信号产生中的应用研究[J].火控雷达技术，2005（3）：41?44.

[4] 承德宝.雷达原理[M].北京：国防工业出版社，2008.

[5] Analog Device Inc. AD9910 datasheet [R]. USA： Analog Device Inc， 2007.

[6] 牛耕，陈思宇，于继翔.基于DDS技术的正弦交流信号源的设计[J].现代电子技术，2012，35（3）：52?56.

[7] 李辉祥，黄光明.DDS频率合成器的方波重影现象研究[J].现代电子技术，2014，37（1）：135?136.