一種基于DDS的雷達中頻模擬器

摘 要:介紹一種基于DDS芯片AD9854的雷達中頻目標模擬器，以ADSP-BF532處理器為核心，以AD9854ASQ頻率合成芯片為基本目標信號產生器，產生一組和、差模擬中頻回波信號，可產生常規脈沖、相位編碼、線性調頻等多種不同調制方式的雷達中頻回波，輸出一組和、差兩路模擬中頻回波信號，可用于多種新體制跟蹤雷達的調試和訓練。

關鍵詞:DDS;雷達中頻模擬器; AD9854; FPGA

中圖分類號:TN95 文獻標識碼:A

文章編號: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

直接數字頻率合成技術(Direct Digital Synthesis，DDS)是20世紀80年代初發展起來的一種新的波形產生方法，具有體積小、功耗低、頻率分辨率高、易于編程控制等優點，被廣泛應用于電子對抗、雷達、通信等領域。基于DDS的雷達目標模擬器，近年來得到越來越多的研究和應用[1-5]，為雷達研制、算法驗證、故障檢測和模擬訓練等方面提供了很大的便利。本文介紹一種基于DDS芯片AD9854的雷達中頻目標模擬器設計，可產生常規脈沖、相位編碼、線性調頻等多種不同的雷達調制方式，輸出一組和、差兩路模擬中頻回波信號，可用于多種新體制跟蹤雷達[6]的調試和訓練，并已裝備部分雷達，取得了不錯的效果。

1 雷達中頻回波模擬器總體結構

模擬器采用DSP+FPGA+DDS系統結構[7]，以ADSP-BF532處理器為核心，以AD9854ASQ頻率合成芯片為基本目標/雜波信號產生器，產生一組和、差模擬中頻回波信號，模擬動目標參數，供數字信號處理分機故障檢測和再現模擬訓練使用，基本組成如圖1所示。

圖1 中頻回波模擬器原理框圖

系統復位后，DSP利用UART串口，接收上位機送來的目標參數，將模擬目標的距離、方位、速度等換算成相應的控制字，傳送給FPGA，并對DDS進行初始化。雷達信號處理機將收發控制信號TR送給FPGA，作為脈沖延時電路的時間基準，脈沖延時電路根據TR模擬目標的距離信息。天線當前波位信息通過UART串口實時傳送給DSP，DSP將模擬目標的方位與當前波位進行比較，當目標在雷達波束內時，打開脈沖產生電路，產生目標回波，當目標不在雷達波束內時，關閉脈沖產生電路，不產生目標回波，模擬出目標的方位。DSP根據目標的速度，計算出相應的多普勒頻率，對DDS的頻率控制字進行修改，使DDS輸出為中頻+fd，從而使得回波脈沖具有速度信息。和差模擬電路根據天線的方向圖，產生一組和差中頻信號，供雷達精確測向和跟蹤使用。

2 脈沖信號的產生

在使用DDS的雷達模擬器中，有一種常用的脈沖調制方法是在DDS輸出端增加1個模擬開關或數控衰減器[8]。工作時，DDS始終輸出信號，模擬開關打開時，DDS輸出信號送到后級電路;當開關關閉時，DDS輸出信號被隔斷，從而產生所需要的脈沖。這種方法控制簡單，易于實現，所獲得脈沖相位連續。缺點是增加了硬件，而且開關的隔離度、響應時間和開關速度也影響產生脈沖的質量。另一個被使用過的脈沖調制方法是采用控制DDS內部相位累加器的辦法來獲得脈沖信號[3]，即在信號產生起始時刻配置DDS內部寄存器，使相位累加器工作，從而產生出期望頻率的信號;在信號結束時，重新配置DDS內部寄存器，中止相位累加器的工作，使輸出保持在0相位上，而A/D輸出則變成0電平，從而產生出期望的脈沖信號。這種方法雖然克服了方法一的缺點，但是這種方法產生的脈沖相位不連續，需要進行相位連續性控制，不但增加了編程的難度，而且增加了配置DDS的時間開銷，不利于產生高重頻、短脈沖回波信號。本模擬器使用異于以上兩種方法的第三種方法，由于AD9854芯片內部在I，Q兩路D/A輸出之前分別有一個數字乘法器，所以可以將此乘法器作為脈沖調制的開關使用。工作時，相位累加器始終工作，需要產生脈沖時，乘數不為零，當脈沖結束時，配置乘數為零。所得脈沖具有相位連續性，且編程簡單，無需增加外圍電路[3]。

3 脈內調制

借助ADSP-BF532芯片強大的運算處理能力以及AD9854靈活的信號生成模式，不但可以同時產生多個波形，還能產生多種形式的波形，包括脈沖調制信號、相位編碼信號、線性調頻信號和非線性調頻信號[2]。具體實現方法如下:

(1) 固定中頻:選擇AD9854的Single-Tone模式只需設置相應的頻率和相位控制字，即可產生所需的中頻信號[9]。在距離延遲同步脈沖的啟動下，經過脈沖調制，即可生成未經壓縮的脈沖調制信號。

(2) 線性調頻:選擇AD9854的RampdeFSK模式，設置線性調頻的起始頻率控制字和結束頻率控制字，并根據調頻斜率設置步進頻率和步進值，在距離延遲同步脈沖的作用下，即可產生所需要的線性調頻信號[9]。

(3) 非線性調頻:同樣選擇AD9854的RampdeFSK模式，不同的是步進頻率和步進值需要根據非線性調頻規律來設置。在系統實現中，是將脈寬時間T內的信號均勻分為若干段，分段調整DDS的頻率和相位參數，從而近似生成非線性調頻信號。

(4) 相位編碼:選擇AD9854的BPSK模式，同時需要DSP提供相位編碼序列表。

4 和差波束產生

為了簡化設計，將和波束做成矩形方向圖，差波束根據測好的和差波束比值進行幅度調制，形成一組和差波束。如圖2所示，對2路頻率合成器的輸出的同相信號S1，S2進行求和、驅動，形成和路信號輸出;根據FPGA輸出的差信號方向A1，A2和偏差角C1，C2，選擇AD9854輸出的同相Si或反相信號/Si，經過與偏差角對應的幅度調制形成一路差信號。4路差信號經過合成、驅動，構成差路信號輸出。

圖2 和、差波束產生電路

5 多目標模擬

多目標模擬分為獨立和非獨立2種多目標模擬。由于單個DDS無法同時產生2個在時間上部分或全部重疊的脈沖，因此就無法同時產生兩個方位相同、距離上很近的目標，目標之間的最小徑向距離必須大于脈沖寬度，因此稱為非獨立目標。相應地，可以任意設置的多目標稱為獨立目標。1個DDS可以產生多個非獨立目標，但是只能產生1個獨立的目標。因此若想模擬多個獨立的目標，必須增加相應數量的DDS及控制電路。本方案采用兩套DDS電路，可模擬產生2個獨立目標。

6 程序設計

程序設計包括DSP的程序設計和FPGA的設計兩方面，DDS的配置全部由FPGA完成。DSP主要擔任模擬器的主控，包括利用UART異步串行接口接受異步通信數據，并執行相應的控制命令;根據接收到的模擬對象的參數，計算出各個模擬對象所對應的距離、方位、速度和多普勒等參數，并將這些參數配置到FPGA中;根據接收到的模擬對象的參數，計算出模擬信號受天線方向圖調制的參數，實現對和、差信號的相位和幅度控制。主程序流程如圖3所示，串口子程序接收上位機送來的控制命令和數據，計算FPGA所需參數和執行控制命令操作。定時子程序實時刷新參數值，完成運動目標模擬。

圖3 DSP主程序流程圖

FPGA主要包括地址譯碼、時鐘產生、數據鎖存以及脈沖產生等模塊。脈沖產生模塊是FPGA設計的核心，負責對DDS的配置及脈沖的生成，如圖4所示。

圖4 FPGA頂層程序設計框圖

7 結 語

基于DDS的雷達中頻模擬器，使用新穎的和差波束生成方式、獨特的FPGA設計，給模擬器的控制和擴

展提供了便利。若增加獨立目標的數量和用于有俯仰角測角能力的雷達，都可以很方便地升級。

參考文獻

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