高频脉冲雷达信号源的设计与实现

朱正平,李宁丽,陈 锟,蓝加平

(中南民族大学电子信息工程学院,武汉430074)

高频脉冲雷达信号源的设计与实现

朱正平,李宁丽,陈 锟,蓝加平

(中南民族大学电子信息工程学院,武汉430074)

采用直接数字频率合成(DDS)技术,设计实现了一种基于单片机控制,以DDS芯片AD9959为核心的高频脉冲雷达射频信号源.系统由C8051单片机对输入控制字进行处理,从而执行对AD9959芯片串行控制编程,产生所需的频率、相位和幅度精准的4路高频脉冲雷达信号源,并在其输出级设计了4路低通滤波器以减少串扰和杂散波,保证输出信号的频谱纯净度.该信号源已应用在电离层高频脉冲雷达探测系统中,现场实验结果表明,该信号源系统产生的高频信号频率稳定度高,扫频转换时间短,相位调制精确,且适合于多种编码方式,完全满足高频脉冲雷达对信号源的性能指标和技术要求.

直接数字频率合成;芯片AD9959;高频脉冲雷达;低通滤波器

在高频脉冲雷达系统中,信号源的设计与实现是关键技术之一.传统的信号源设计方式存在一些固有的缺点,比如模拟锁相环式 (PLL)间接频率合成方法,主要使用正弦鉴相器,虽然频率合成杂散性能和系统相位噪声性能较好,但这种方法电路复杂,体积较大,成本较高;再如数字锁相环方法,采用在锁相环内插入数字分频器和数字鉴相器的方法,虽然结构简单,频率也可以达到很高,但其也具有模拟锁相环的缺点,即频率转换时间长、环路抗干扰能力差等[1]

,都无法满足目前高性能高频脉冲雷达对信号源的技术要求.直接数字频率合成技术(DDS)是20世纪70年代发展起来的一种新的频率合成技术,它具有频率分辨率高、输出信号稳定、相位和频率调整灵活、输出的变频信号相位连续、相位噪声低等优点,它是全数字接口,易于编程控制,且体积小,价格低,有助于提高系统的整体性价比,是当前产生高频脉冲雷达信号源的主流趋势.作者选用美国AD公司的4通道DDS芯片AD9959[2],成功地完成了高频脉冲雷达信号源的设计工作.本文便是这项设计与实现的总结,文中给出了系统硬件设计与详细地软件设计流程.

1 芯片AD9959工作原理

AD9959具有4个DDS内核,共同使用同一时钟作为参考源,这样,4路信号可以很好地关联匹配.AD9959的内部结构主要由3部分组成:相位累加器,相位幅度转换,数模转换器(DAC),如图1 所示.

图1 DDS结构图Fig.1 Structure diagram of DDS

一个正弦波,它的幅度不是线性的,但是它的相位却是线性增加的.DDS正是利用了这一特点来产生正弦信号.如图1,根据DDS的频率控制字的位数N,相位累加器把360°平均分成了2N等份.如果系统时钟为Fc,输出频率为Fou.t每次转动一个角度360°/2N,则可以产生一个频率为Fc/2N的正弦波的相位递增量.那么只要选择恰当的频率控制字M,使得Fout/Fc=M2N,就可以得到所需要的输出频率Fout,Fout=Fc×M/2N,通过相位累加器,得到合成Fout频率所对应的相位信息,然后相位幅度转换器把0～360°的相位转换成相应相位的幅度值.比如当DDS选择为VP-P的输出时,45°对应的幅度值为0.707 V,这个数值以二进制的形式被送入DAC.这个相位到幅度的转换是通过查表完成的.代表幅度的二进制数字信号被送入DAC中,并转换成为模拟信号输出[3-4].

2 系统硬件设计与实现

2.1 总体结构

系统结构如图2所示,包括电源电路、微控制处理器、直接数字频率合成器、信号调理电路4个部分.硬件电路主要由AD9959、C8051F930这2个主要芯片,以及外围电路组成.电源电路给C8051和AD9959供电,C8051单片机为主控制处理器,AD9959为核心功能芯片,系统由C8051控制AD9959产生4路频率信号,再经过信号调理电路,最后输出.

由图2可知,微处理器C8051为整个系统的控制核心,负责给AD9959发送控制字序列,通过改变C8051 I/O口输出的串行指令数据,从而改变AD9959输出波形信号的参数.AD9959根据SP I口输入的控制字完成频率合成任务,初步输出所需信号.信号调理电路负责对AD9959输出的4路频率信号进行滤波和放大,得到频率相位精准的高频扫描信号供雷达发射和雷达接收机混频解调使用.

图2 系统结构图Fig.2 Schematic diagram of system structure

2.2 系统控制电路

AD9959采用SP I串行接口与C8051单片机进行通信.C8051单片机是一款高性能、低功耗的单片机,它可以工作在0.9～3.6V的宽电压下,I/O驱动能力强,电流可以达到25mA,能够满足在3.3V电压下和AD9959通信的要求.C8051采用精简指令集,32个8位通用工作寄存器,工作于25 M Hz时性能高达25M IPS,内部有仅需2个时钟周期的硬件乘法器,完成相乘和累加功能,能较方便地进行程序控制设计[5].单片机与AD9959的硬件连接如图3所示.

因系统控制需要,除了片选、时钟、数据输入输出信号引脚外,还需其它控制引脚,本设计共引出8条控制线,分别与单片机P1口的8位输入输出线相连,按照AD9959芯片工作的时序图,给SP I口依次写控制字,实现由单片机控制AD9959产生所需要的4路频率信号波形的功能.

2.3 信号调理电路

4路低通滤波器,其中2路为高频低通滤波,2路为中频低通滤波,均采用7阶巴特沃斯最大平坦低通滤波,图4所示为所设计的截止频率1 M Hz的低通滤波器电路原理图,图5所示为所设计的截止频率31M Hz的低通滤波器电路原理图.

实际测试结果表明,1.0M Hz低通滤波器在0～1.0M Hz衰减低于3 dB,3 M Hz的衰减大于30 dB,具有很好的通带平坦与阻带陡降特性;31M Hz低通滤波器的频谱特性在0～31M Hz衰减低于5 dB,50M Hz的衰减大于40 dB,均达到了较好的滤波效果[6].其实际测试数据生成的表图如图6、图7所示.

图4 1.0MHz低通滤波器Fig.4 Low-pass filter of 1MHz HF signal

图5 31MHz低通滤波器Fig.5 Low-pass filter of 31MHz signal

图6 1MHz低通滤波器幅频特性图表Fig.6 Amplitude-frequency characteristics chart of 1MHz low-pass filter

图7 31MHz低通滤波器幅频特性图表Fig.7 Amplitude-frequency characteristics chart of 31MHz low-pass filter

3 系统软件设计与实现

本系统软件设计与调试使用的是Keil UV 3 v6.08软件,在此软件开发环境下,通过对C8051单片机的C语言编程,控制AD9959产生4路频率信号.本设计的目标是:生成4路频率信号源.其中,2路高频信号,2路中频信号.第1路,频率1～30M Hz,步进0.1 M Hz,初相位为0°;第2 路,频率1.768M Hz～ 30.768 M Hz,初相位为0°;第3 路,频率768 kHz,初相位为0°;第4路,频率768 kHz,初相位为90°.4路频率信号的幅度无要求,均设置为1 Vpp即可.

AD9959共有4个输出通道,其中,第1路频率信号由通道2输出,第2路频率信号由通道3输出,第3路频率信号由通道1输出,第4路频率信号由通道0输出.AD9959的串行通信方式有4种:分别是一位两线模式,一位三线模式,两位串行模式,四位串行模式.本设计采用的是一位两线模式.SD IO -0为双向数据引脚,为片选端,SCL K为串行时钟,当片选信号置低,在串行时钟SCL K(最大时钟速度可达200 M Hz)的每个上升沿,往串行数据引脚SD IO -0写入控制字,数据被送入DDS的命令寄存器.AD9959控制软件流图如图8所示.

图8 AD9959软件控制流程Fig.8 Software flow chart of AD9959

部分关键程序代码如下:

void send byte (uchara) //发送单字节数据子程序

{

uchari;

for(i=7;i＞0;i--)

{

DDS_SCLK= 0;

DDS0=(((a)&(0x01＜＜(i)))==0?0:1);//将要发送的字节数据从第0位到第6位逐位写入到单片机串行数据口

DDS-SCLK=1;

}

DDS _SCLK=0;

DDS _SDIO _0=((a&0x01)==0?0:1);//将要发送的字节数据的第7位写入到单片机串行数据口SCLK=0;

DDS_ SCLK= 1;

}

void send_ cmd(uchar add,uchara[],ucharnum)//写寄存器命令程序

{

ucharj;

DDS_SCLK=0;

DDS _SDIO _3= 0;

add&=0x7f;//将要发送的数据最高位强制置0,执行写寄存器操作

send _byte (add) ; //写入寄存器的地址DDS _SCLK=0;

delay(2);

for(j=0;j＜num;j++)//给所选地址的寄存器写数据,数据字节数为1～4字节send _byte (a[j]) ;

send_SCLK=0;

DDS _SDIO _3=1;

}

4 部分实验测试结果

两路扫频高频信号频率不停地在变化,没法在一瞬间把波形捕捉下来,下面给出了两路定频的中频信号测试结果图,图9所示为频率为768 kHz,相位相差90°的两路中频信号,由于此信号是经过放大的,所以波形有些变形.图10为高频脉冲雷达系统编码调制时巴克码相位变化瞬间图,由图10可见,AD9959实现了精准的180°相位切换.

图9 两路相差90°的中频信号Fig.9 Two orthogonal signals of m id-frequency

图10 180°相位切换图Fig.10 Transition diagram of 180°phase

5 结语

文中设计的信号源采用DDS芯片结合C8051控制技术,使得整机结构简单,性能良好.产生的4路频率信号源用于高频脉冲雷达系统,第1路产生步进0.1 M Hz的1～30 M Hz高频信号,经过相位编码调制后用于发射;第2路产生的高频本振信号,用于雷达接收机与高频回波信号下变频;第3路和第4路是产生2路相互正交的中频信号,用于中频信号进行同相解调与正交解调.上述所输出的4路信号的幅度和相位都可任意改变.本系统经过现场测试,所产生的4路信号频率稳定度高,相位和幅度连续可调,频率转换时间短,完全满足高频脉冲雷达的技术要求,达到了设计目的.

[1] 曹新星.短波接收机高精度本振信号源的设计与实现[D].武汉:武汉理工大学,2009.

[2] 任季中,冯小平.高性能DDS芯片AD9959及其应用[J].电子元器件应用,2007,9(6):1-2.

[3] 李 毅.基于DDS和PLL的扫频信号源设计[D].南京:南京理工大学,2005.

[4] 陈嘉佳,潘志浩,王天麟.一种基于DDS芯片AD9959的高精度信号发生器[J].自动化仪表,2007,28(4):1-2.

[5] 刘大成,黄 引.基于AD9959的高精度三相正弦信号源的设计[J].电子元器件应用,2008,10(12):3-3.

[6] 曹文剑,陆 珉,徐建国.用于探地雷达的DDS步进频率设计[J].现代雷达,2008,30(6):2-4.

Design and Realize of RF Signal Sources in High-Frequency Pulse Radar

Zhu Zhengp ing,L i N ing li,Chen K un,L an J iap ing
(College of Electronics and Information Engineering,South-CentralU niversity for N ationalities,W uhan 430074,China)

A ccording to the technical demand of direct digital synthesizer(DDS),in this paper we designed and realized four signal sources for high-frequency pulse radar based on the core chip AD9959,which is controlled by C8051 m icrocomputer.The C8051M CU is adopted to process the input controlword and then program AD9959 to produce the desired four signal sources w ith high precision of frequency,phase and amplitude in high-frequency pulsed radar.In addition,four low-pass filterswere designed to reduce crosstalk and clutter,ensuring the output signal of good spectral purity.The signal sources have been applied in the Ionosonde of high-frequency pulse radar,and the exper imental results showed that the RF signal sources had several advantages such as high frequency stability,fast scan sw itching speed,precise modulation of phase,and suitable for a variety of encoding,which fully meet the techinical requirements and performance index of the signal sources in high-frequency pulse radar.

direct digital synthesizer;AD9959;high-frequency pulse radar;low-pass filter

N 945

A

1672-4321(2011)01-0075-05

2011-01-05

朱正平(1968-),男,博士,副教授,研究方向:电离层无线电波传播,信号检测与信息处理,电离层垂直探测设备的研究与开发,无线电探测新观测模式研究等,E-mail:zpzhu2007@sina.com

湖北省自然科学基金重点资助项目(2010CDA 062);国家科技基础性专项重点资助项目(2008FY120100)