基于AD9854的雷达信号源设计与实现

摘 要：使用AD9854芯片和FPGA，基于DDS理论设计并实现了多模式多波形雷达信号源。它可模拟LFM、NLFM、单频、相位编码等多种脉冲信号波形，能有效验证脉冲压缩与信号处理单元的工作性能。测试结果表明，该系统能满足设计要求。

关键词：直接数字合成； AD9854； FPGA； 雷达信号

中图分类号：TN958.3-34 文献标识码：A文章编号：1004-373X(2011)21-0023-05

Design and Implementation of Radar Signal Generator Based on AD9854

YUAN Hui1, LI Yan-xiang2

(1.School of Information Engineering, Shaanxi Polytechnic Institute, Xianyang 712000, China;

2.Xianyang Normal University, Xianyang 712000，China)

Abstract： A multi-mode and multi-waveform radar signal generator based on DDS was designed with AD9854 and FPGA, which can be used to simulate various pulse signal waveforms such as LFM, NLFM, single frequency and phase code with wide Doppler modulation and long time delay adjustment. The performance of pulse compression and signal processing unit can be verified effectively. The testing result shows that the system can satisfy the requirement.

Keywords： direct digital synthesis; AD9854; FPGA; radar signal

0 引 言

雷达信号源的设计在雷达测试中有着非常重要的作用。本文设计的雷达信号源要求实现三个功能：

(1) 要求该系统能产生多种波形信号，包括：线性调频信号，非线性调频信号等［1］。要求信号的指标都能够达到要求。

(2) 要求能模拟雷达回波，能够对信号进行延时，使信号能够在距离波门内，来满足信号处理机的要求［2］；并且能够在信号中加入多普勒频移，使信号处理机可以测试测速模块的性能。要求该信号源能有效地验证脉冲压缩与信号处理单元的工作性能，评估系统的分辨力［3-4］。

(3) 与外部通信。该信号源与整个雷达系统是相参的，使用同一个时钟，保证该模块与整个系统是同步工作的。该模块受外部控制，主要是从RS 422接口接收由定时板发送过来的差分信号；当接收到触发信号时，就开始产生信号；当接收脉冲选择信号的时候，进行模式转换，能产生8种模式的信号。

DDS在相对带宽、频率转换时间、相位连续性、正交输出、高分辨力以及集成化等方面都远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平，为系统提供了优于模拟信号源的性能。

FPGA具有集成度高、通用性好、设计灵活、编程方便等诸多优点，因此采用AD9854和FPGA来设计雷达信号源。

1 系统方案概述

根据雷达信号源系统设计的要求，总体框图如图1所示。

图1 系统原理框图

该系统主要由FPGA时序控制部分、AD9854频率合成部分、波形存储三部分组成。在此重点阐述FPGA设计和AD9854硬件设计两部分。

系统的主体部分主要由高速数字逻辑时序控制模块(FPGA)和DDS芯片AD9854构成，还包括放大模块、滤波模块、存储模块、时钟模块、电源模块。该部分通过FPGA对整个电路的数字部分进行时序控制，包括给AD9854发送数据、地址、时钟以及控制信号。AD9854是DDS芯片，能产生所需要的信号。存储部分采用了FLASH和SRAM；FLASH主要用来存储波形文件，而SRAM主要是在开机时暂存数据文件［5］。

通过控制面板发送触发信号和模式选择信号对系统信号产生进行控制。当FPGA接收到触发信号时，FPGA才开始工作，并且给AD9854发送数据以产生信号。模式选择信号是3位的二进制数，可以产生8种状态。控制面板和FPGA通过RS 422电平相连，通过差分数据线来传输数据。

PC机应用软件完成所需各种软件的波形数据的计算，包括起始频率FTW，频率分辨率DFW，时间分辨率RRC等数据，然后将所得的数据转化成.dat格式。PC通过串口与系统主板进行数据通信，通过MAX3232进行电平转化。数据最后存储到主板的存储器中(FLASH和SRAM)；当系统工作时，FPGA从FLASH中读取波形文件来产生信号。

2 AD9854模块

2.1 AD9854芯片介绍

数字频率合成芯片AD9854是用于高端DDS技术的一款芯片，该芯片带有两个高速、高性能的正交D/A转换器，可以同时输出I/Q两路正交信号［6-7］。当参考时钟源很精确时，AD9854能够产生高稳定度的，频率、相位、幅度均可编程的正弦和余弦曲线，被广泛地应用于通信、雷达、仪器等应用领域。AD9854的高速DDS内核能够提供48 B的相位累加器和频率累加器(在300 MHz的系统时钟下，可达1 μHz的频率分辨率)；其中17 B的相位-幅度映射位数能够确保该芯片优良的无杂散动态范围(SFDR)性能。

2.2 AD9854芯片工作模式

AD9854具有5种可编程操作模式，通过改变控制寄存器(并行寻址方式下的地址为1FH)的控制位即可以选择相应的模式。根据本方案，主要对单频(SingleTone)模式和调频(Chirp)模式进行探讨。5种模式的选择表如表1所示。

2.2.1 单频模式

系统上电或硬件复位时，AD9854自动进入该默认模式,此时芯片输出的信号是直流信号。当对频率控制字进行设定后，即可输出单频信号。

2.2.2 调频模式

此处的调频模式即为常见的脉冲调频模式。AD9854同时支持线性和非线性这两种调频模式。该雷达信号源要求既能产生线性调频信号，也能产生非线性调频信号，所以AD9854完全能满足要求。脉冲调频信号的时宽主要是由update clock来决定。当第一个update clock信号到来时，AD9854把I/O缓存中的FTW，DFW，RRC以及其他的控制字都送到可编程寄存器中，AD9854开始工作。当脉冲调频信号结束时，通过FPGA再发送一个update clock信号，然后就把I/O缓存中的清零数据送入了可编程寄存器中。

3 系统硬件实现

3.1 电源和时钟设计

在该系统中，采用线性电源LT1764进行电平转换，把5 V转成3.3 V和1.5 V，为FPGA和AD9854等芯片提供电源。滤波电容分为旁路电容和去耦电容。旁路电容把前级携带的高频杂波滤去，还可以有效地旁路地和电源上的地弹噪声。旁路电容一般容值都比较小，根据谐振频率一般是0.1 μF和0.01 μF。去耦电容也称退耦电容，是把输出信号的干扰作为滤除的对象。去耦电容一般比较大，取值为47 μF和10 μF。如图2所示。