一种基于DDS的雷达中频模拟器

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摘 要:介绍一种基于dds芯片AD9854的雷达中频目标模拟器,以ADSP-BF532处理器为核心,以AD9854ASQ频率合成芯片为基本目标信号产生器,产生一组和、差模拟中频回波信号,可产生常规脉冲、相位编码、线性调频等多种不同调制方式的雷达中频回波,输出一组和、差两路模拟中频回波信号,可用于多种新体制跟踪雷达的调试和训练。

关键词:DDS;雷达中频模拟器; AD9854; FPGA

中图分类号:TN95 文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)13-0060-03

Radar Intermediate Frequency Simulator Based on DDS

LI Shu-jing

(Research Institute of ECM, Xidian University, Xi’an 710071, China)

Abstract: A radar intermediate frequency simulator based on DDS chip AD9854 is introduced. The simulator uses the ADSP-BF532 processor as the core, the AD9854ASQ frequency synthesis chip as target signal generator, and generates a group of analog intermediate frequency echo. The simulator can produce different modulation modes of radar intermediate frequency echo, suchas general pulse, phasecoding and LFM, and output a team of adder, subtract return wave. It can be applied to debugging and training of multi-kinds of new system tracking radar.

Keywords: DDS; radar intermediate simulator; AD9854; FPGA

0 引 言

直接数字频率合成技术(Direct Digital Synthesis,DDS)是20世纪80年代初发展起来的一种新的波形产生方法,具有体积小、功耗低、频率分辨率高、易于编程控制等优点,被广泛应用于电子对抗、雷达、通信等领域。基于DDS的雷达目标模拟器,近年来得到越来越多的研究和应用[1-5],为雷达研制、算法验证、故障检测和模拟训练等方面提供了很大的便利。本文介绍一种基于DDS芯片AD9854的雷达中频目标模拟器设计,可产生常规脉冲、相位编码、线性调频等多种不同的雷达调制方式,输出一组和、差两路模拟中频回波信号,可用于多种新体制跟踪雷达[6]的调试和训练,并已装备部分雷达,取得了不错的效果。

1 雷达中频回波模拟器总体结构

模拟器采用DSP+FPGA+DDS系统结构[7],以ADSP-BF532处理器为核心,以AD9854ASQ频率合成芯片为基本目标/杂波信号产生器,产生一组和、差模拟中频回波信号,模拟动目标参数,供数字信号处理分机故障检测和再现模拟训练使用,基本组成如图1所示。

图1 中频回波模拟器原理框图

系统复位后,DSP利用UART串口,接收上位机送来的目标参数,将模拟目标的距离、方位、速度等换算成相应的控制字,传送给FPGA,并对DDS进行初始化。雷达信号处理机将收发控制信号TR送给FPGA,作为脉冲延时电路的时间基准,脉冲延时电路根据TR模拟目标的距离信息。天线当前波位信息通过UART串口实时传送给DSP,DSP将模拟目标的方位与当前波位进行比较,当目标在雷达波束内时,打开脉冲产生电路,产生目标回波,当目标不在雷达波束内时,关闭脉冲产生电路,不产生目标回波,模拟出目标的方位。DSP根据目标的速度,计算出相应的多普勒频率,对DDS的频率控制字进行修改,使DDS输出为中频+fd,从而使得回波脉冲具有速度信息。和差模拟电路根据天线的方向图,产生一组和差中频信号,供雷达精确测向和跟踪使用。

2 脉冲信号的产生

在使用DDS的雷达模拟器中,有一种常用的脉冲调制方法是在DDS输出端增加1个模拟开关或数控衰减器[8]。工作时,DDS始终输出信号,模拟开关打开时,DDS输出信号送到后级电路;当开关关闭时,DDS输出信号被隔断,从而产生所需要的脉冲。这种方法控制简单,易于实现,所获得脉冲相位连续。缺点是增加了硬件,而且开关的隔离度、响应时间和开关速度也影响产生脉冲的质量。另一个被使用过的脉冲调制方法是采用控制DDS内部相位累加器的办法来获得脉冲信号[3],即在信号产生起始时刻配置DDS内部寄存器,使相位累加器工作,从而产生出期望频率的信号;在信号结束时,重新配置DDS内部寄存器,中止相位累加器的工作,使输出保持在0相位上,而A/D输出则变成0电平,从而产生出期望的脉冲信号。这种方法虽然克服了方法一的缺点,但是这种方法产生的脉冲相位不连续,需要进行相位连续性控制,不但增加了编程的难度,而且增加了配置DDS的时间开销,不利于产生高重频、短脉冲回波信号。本模拟器使用异于以上两种方法的第三种方法,由于AD9854芯片内部在I,Q两路D/A输出之前分别有一个数字乘法器,所以可以将此乘法器作为脉冲调制的开关使用。工作时,相位累加器始终工作,需要产生脉冲时,乘数不为零,当脉冲结束时,配置乘数为零。所得脉冲具有相位连续性,且编程简单,无需增加电路[3]。

3 脉内调制

借助ADSP-BF532芯片强大的运算处理能力以及AD9854灵活的信号生成模式,不但可以同时产生多个波形,还能产生多种形式的波形,包括脉冲调制信号、相位编码信号、线性调频信号和非线性调频信号[2]。具体实现方法如下:

(1) 固定中频:选择AD9854的Single-Tone模式只需设置相应的频率和相位控制字,即可产生所需的中频信号[9]。在距离延迟同步脉冲的启动下,经过脉冲调制,即可生成未经压缩的脉冲调制信号。

(2) 线性调频:选择AD9854的RampdeFSK模式,设置线性调频的起始频率控制字和结束频率控制字,并根据调频斜率设置步进频率和步进值,在距离延迟同步脉冲的作用下,即可产生所需要的线性调频信号[9]。

(3) 非线性调频:同样选择AD9854的RampdeFSK模式,不同的是步进频率和步进值需要根据非线性调频规律来设置。在系统实现中,是将脉宽时间T内的信号均匀分为若干段,分段调整DDS的频率和相位参数,从而近似生成非线性调频信号。

(4) 相位编码:选择AD9854的BPSK模式,同时需要DSP提供相位编码序列表。

4 和差波束产生

为了简化设计,将和波束做成矩形方向图,差波束根据测好的和差波束比值进行幅度调制,形成一组和差波束。如图2所示,对2路频率合成器的输出的同相信号S1,S2进行求和、驱动,形成和路信号输出;根据FPGA输出的差信号方向A1,A2和偏差角C1,C2,选择AD9854输出的同相Si或反相信号/Si,经过与偏差角对应的幅度调制形成一路差信号。4路差信号经过合成、驱动,构成差路信号输出。

图2 和、差波束产生电路

5 多目标模拟

多目标模拟分为独立和非独立2种多目标模拟。由于单个DDS无法同时产生2个在时间上部分或全部重叠的脉冲,因此就无法同时产生两个方位相同、距离上很近的目标,目标之间的最小径向距离必须大于脉冲宽度,因此称为非独立目标。相应地,可以任意设置的多目标称为独立目标。1个DDS可以产生多个非独立目标,但是只能产生1个独立的目标。因此若想模拟┒喔霆独立的目标,必须增加相应数量的DDS及控制电路。本方案采用两套DDS电路,可模拟产生2个独立目标。

6 程序设计

程序设计包括DSP的程序设计和FPGA的设计两方面,DDS的配置全部由FPGA完成。DSP主要担任模拟器的主控,包括利用UART异步串行接口接受异步通信数据,并执行相应的控制命令;根据接收到的模拟对象的参数,计算出各个模拟对象所对应的距离、方位、速度和多普勒等参数,并将这些参数配置到FPGA中;根据接收到的模拟对象的参数,计算出模拟信号受天线方向图调制的参数,实现对和、差信号的相位和幅度控制。主程序流程如图3所示,串口子程序接收上位机送来的控制命令和数据,计算FPGA所需参数和执行控制命令操作。定时子程序实时刷新参数值,完成运动目标模拟。

图3 DSP主程序流程图

FPGA主要包括地址译码、时钟产生、数据锁存以及脉冲产生等模块。脉冲产生模块是FPGA设计的核心,负责对DDS的配置及脉冲的生成,如图4所示。

图4 FPGA顶层程序设计框图

7 结 语

基于DDS的雷达中频模拟器,使用新颖的和差波束生成方式、独特的FPGA设计,给模拟器的控制和扩

展提供了便利。若增加独立目标的数量和用于有俯仰角测角能力的雷达,都可以很方便地升级。

参考文献

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[2]石雄.基于DDS技术的雷达中频回波信号模拟器[J].武汉工业学院学报,2008,27(1):35-38.

[3]江涛,崔秀丽,张勇.基于DDS的宽带雷达中频信号模拟器实现[J].信息化技术与控制,2007,17(1):87-88.

[4]杨俊岭,李纲.DDS芯片及其在雷达回波生成系统中的应用[J].现代雷达,2003,25(8):47-50.

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[8]Analog Devices Inc. CMOS 300 MSPS quadratrue complete DDS AD9854[ M] . [ S.l.] : Analog Devices Inc., 2001.

[9]杨俊岭,苏令华,万建伟.基于DDS的雷达中频回波模拟器的设计与实现[ J] .现代雷达,2006,28(9):1299-1302,1306.

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