基于AD9959的高精度多通道雷达信号源设计

宋 征，许国宏，李 星

（中国电波传播研究所 山东 青岛 266107）

为使相控阵雷达发射信号达到最佳的空间功率合成效果、实现空间波束扫描，要求雷达信号源输出的多通道雷达信号幅度相位一致并且幅度相位精确可控，同时需要监校处理系统能够对天线阵列中各单元的幅度与相位一致性进行诊断和校准。目前信号源的实现方法主要有锁相环技术 （PLL）和DDS技术，在自由设定频率、相位和幅值的要求下，DDS方法是我们的首选。文中根据某型相控阵雷达的需要设计了高精度32通道的信号源，它以DDS芯片AD9959为核心，采用CPCI总线和FPGA进行控制，能够输出正弦波、线性调频以及相位编码等多种波形，信号频率、幅度和相位精确可控。作为系统平台，本信号源系统框图如图1所示[1]。

1 系统概述

本设计要求可以同时输出32路射频信号，考虑到单板实现32个通道输出比较困难，将32路射频信号分为4块板卡来产生，每块板卡可以产生8路的射频信号，同时为了输出32路相参射频信号，设计时序板和幅相检测板，功能分别是给各板块传输时钟和检测各射频信号的幅度相位一致性。分立的6块板卡需要一个系统总线平台支撑以实现多板卡之间的协同操作。设计选择CPCI总线结构，用CPCI工控机

图1 多通道雷达信号源系统框图Fig．1 Multi-channel radar signal source system block diagram

2 系统软硬件

2.1 系统硬件实现

AD9959是ADI公司推出的首款多通道DDS芯片，它内部集成了4个DDS核，可对每个通道的频率、相位和幅度进行独立控制。所有通道共享一个公共的系统时钟，内部具有固有的同步性，从根本上消除了存在于两个分立器件之间的个体差异和温度特性[2]。

图2 八通道信号产生板硬件组成图Fig．2 Eight-channel signal generator board hardware figure

设计的八通道信号产生板采用两片AD9959和FPGA实现，硬件组成如图2所示。 FPGA是主控芯片，主要实现DDS的控制、CPCI总线接口的控制、数据的缓存等功能，它通过串行I/O接口与AD9959连接，通过改写AD9959内部寄存器值来实现对AD9959内控制参数的读写操作。寄存器是AD9959的控制核心，控制寄存器主要完成通道选择，多设备同步及相位累加器清零等功能；通道控制寄存器主要完成各通道功能的选择，频率、相位、幅度的设置[3]。为了同步多片AD9959，时序板上的AD9959芯片产生同步信号SYNC-OUT并传送给各个从AD9959芯片进行自动同步；高稳铷原子钟经时钟分配输出10MHz频率等距离地送给两片AD9959，作为DDS的参考时钟，并通过内部的倍频器，倍频到150 MHz作为DDS的系统时钟。

幅相检测板的如图3所示，DDS也选用AD9959输出参考信号，待测信号分别输入两片AD8302并与参考信号进行比较，之所以用两片AD8302是为了保证与待测信号比较时参考信号的相位连续性。AD8302输出的相位差和幅度差进入AD数模转换芯片，在单片机中运算成待测信号之间的幅度差和相位差，为了判断相位差的二值性，DDS输出相位转移90后的参考信号再进行一次检测。由于采取了若干提高检测精度的措施，实际测量幅相检测板的相位检测精度可达到 0．2°，幅度检测精度可达到 0．1 dB，而且幅度和相位检测电路简单、测量精度高、系统可靠性高、成本低，具有十分良好的应用前景[4]。

图3 幅相检测板框图Fig．3 Magnitude and phasemeasuring board diagram

2.2 系统软件控制

系统控制软件是本设计的重点之一，软件的编译环境为Visaul C++6．0，在windowsXP操作系统上运行。软件流程如图4所示。软件启动后查找、打开相关板卡并进行初始化，然后根据用户输入的工作参数和本机保存的通道校准信息计算出各通道所需工作参数，配置好板卡即可正常开始工作[5]。

图4 软件控制活动图Fig．4 Software control of the activity diagram

3 多通道信号源同步设计

相控阵雷达最重要的信息就是阵元之间的相位关系信息，所以通道的同步是本设计中的关键，同步设计主要是为了保证各通道信号的频率、幅值的一致性，并保证各通道信号具有精确的相位关系。

3.1 频率一致性

信号源输出频率的一致性主要由参考时钟来保障，因为参考时钟直接影响着信号输出信号的频率稳定性、频率准确性、相位噪声和杂散等性能指标，设计雷达信号源采用高稳定低相噪的铷原子钟作为系统的参考时钟，能够充分保证了雷达信号源各通道的频率一致性。

3.2 幅度同步

幅度同步即要求输出信号的幅度一致，由于DDS芯片的DAC输出是显阶梯状波形，在频域上表示为Sinc效应，输出信号幅度会随着频率增加而减小，另外由于通道放大器和滤波器的个体差别，也会对幅度造成影响，所以很难保证各通道频带内输出的幅度平坦度。实现幅度同步主要措施有幅值调整和软件修正两个方法，幅度调整方法是通过改变电阻值来调整AD9959的DAC电流，进而实现输出幅度的调节；软件修正是通过幅值检测对每个通道输出幅度进行测量，把各通道幅度差值直接校准到DDS的幅度寄存器中。设计的多通道雷达信号源通过进行幅度同步后能够实现输出射频信号频带内幅度平坦度0．2 dB。

3.3 相位同步

为了使相控阵雷达发射信号能够在一定的方向上达到最大的辐射功率，达到最好空间功率合成效果，雷达信号源的相位同步设计至关重要，因为相控阵雷达发射系统是通过控制每个射频信号相位来实现整个天线阵列的波束指向，通过改变射频信号的相位来实现整个天线阵列的波束扫描[6]。

理论上，雷达信号源相位同步包括单片AD9959各通道之间的同步以及多片AD9959芯片之间的同步。其中，单片AD9959四通道之间相位的同步可由芯片本身特性保证，设计的主要任务在于实现多片DDS芯片之间的同步。在硬件电路设计，选择AD9959的自动同步模式并在时序板上产生SYNC_OUT同步信号，通过同步分配电路分配给四个信号产生板，实现整个雷达信号源的同步。但由于元器件的存在个体差异，很难保证实现很高的相位同步精度。雷达信号源通过幅相检测板对不同频率下每个通道之间的相位一致性进行测量，并将所需要调整的相位存储下来，在相控阵雷达波束扫描时，将存储下来的相位初值补到各通道的相位关系中，实现高精度的阵元相位关系，实际测量显示设计的多通道雷达信号源相位精度可达0．5℃[7]。

4 结束语

文中设计的高精度多通道信号源已经在实际工程中得到了应用，使用结果表明该信号源可靠性高、使用方便，能获得多种低噪声、低杂散、高纯频谱雷达信号，具有广泛的应用价值。

[1]齐彩利，宋鹏，齐建中．基于FPGA的多路信号源设计与实现[J]．无线电工程，2010，40（4）：19-21．

QICai-li，SONGPeng，QIJian-zhong．Designand implementation of multi-channel signal source based on FPGA[J]．Radio Engineering，2010，40（4）：19-21．

[2]Analog Devices Inc．4-Channel 500 MSPSDDSwith 10-Bit DACs[EB/OL]．（2005）[2012]．http：//www．analog．com．

[3]徐建国，曹文剑，陆珉，等．AD9959在雷达步进频率源中的应用[J]．电子测量技术，2007，30（9）：162-164．

XU Jian-guo，CAO Wen-jian，LU Min，et al．Applications of AD9959 in Stepped-frequency source of radar[J]．Electronic Measurement Technology，2007，30（9）：162-164．

[4]李星，许国宏，王耀磊．高精度幅相检测系统的设计[J]．电子设计工程，2012，20（1）：123-125．

LI Xing，XU Guo-hong，WANG Yao-lei．Design of highprecision magnitude and phase measuring system[J]．Electronic Design Engineering，2012，20（1）：123-125．

[5]郭忠海，杨文革．线性调频雷达信号源的软件设计[J]．战术导弹技术，2007（4）：92-96

GUO Zhong-hai，YANG Wen-ge．Software design of linear frequency modulated signal source of radar[J]．Tactical Missile Technology，2007（4）：92-96．

[6]蒋德富．相控阵雷达系统设计的研究[J]．现代雷达，1998，6（3）：1-7．

JIANG De-fu．The study of system design of phased array radar[J]．Modern Radar，1998，6（3）：1-7．

[7]沙占友，刘阿芳．基于AD8302的单片宽频带相位差测量系统的设计[J]．电子设计工程，2006（1）：57-60．

SHA Zhan-you，LIU A-fang．Design of single-chip broad band phase bias measure system based on AD8302[J]．Electronic Design Engineering，2006（1）：57-60．