宽带低杂散LFM信号的产生方法与系统设计

沈锐龙，潘明海

(南京航空航天大学电子信息工程学院， 南京210016)

0 引言

现代雷达技术的重要发展方向是宽带、高分辨率和数字化(或软件化)。这就要求对目标进行成像分析和识别［1］，而不仅是完成对目标位置、运动速度等信息的提取。产生符合系统要求的宽带雷达发射信号是高分辨雷达的关键技术之一。随着数字技术的发展，采用数字方法产生复杂的宽带雷达信号的技术已日趋成熟。本文采用FPGA电路和宽带DAC电路直接产生50 MHz～550 MHz的线性调频中频信号，将中频信号上变频到2 GHz～2.5 GHz的射频频段，再经过2倍频获得4 GHz～5 GHz的宽频带线性调频(LFM)信号。为进一步提高射频输出信号的幅度/相位特性，采用幅/相预失真校准方法，并精心设计信号产生系统的中频电路和射频电路，进行了实验研究与分析。对实际系统的测试结果表明，系统产生LFM信号的带外杂散优于-55 dB，带内起伏小于 ±2 dB，且系统稳定、可靠。该信号源系统结构简单，具有较高的频谱纯度和低杂散特征。

1 宽带信号的产生方法

宽带低杂散射频LFM信号的产生系统采用数字技术产生中频LFM信号，经过混频/倍频得到所需的射频LFM信号。

利用数字技术产生LFM信号的方法主要有两种:直接数字合成法(DDS)和波形存储直读法(DDWS)［2］。由于DDS法存在相位截断，会引入大量的杂散频谱分量，使得产生的信号杂散抑制性能较差。对基于数字技术的波形产生系统，DDS法和DDWS法的输出信号都不可避免的存在时域、频域的误差和失真，此时DDWS法具有进行信号波形或频谱修正的优势。因此，在对信号波形要求越来越严格的雷达系统中，DDWS法的频谱质量优于DDS法。

为了得到所需中心频率和带宽的射频信号，需要采用混频/倍频技术。由于零中频信号采样正交调制必然带来信号的非严格正交、幅相不一致、载波泄露大等缺陷［3］，因而采用直接数字中频技术产生单路中频信号，然后通过混频/倍频得到系统要求的宽带LFM信号，避免正交调制器带来的频谱质量恶化，同时简化系统结构。

按照上述方案，宽带射频LFM信号的直接产生系统主要由数字中频电路和混频、放大、倍频电路组成，如图1所示。其中，数字中频电路采用DDWS法产生50 MHz～550 MHz中频LFM信号，经过预失真调整后送入混频、放大、倍频电路，完成对LFM信号的上变频和带宽扩展，得到所需的中心频率为4.5 GHz、带宽为1 GHz的宽带LFM信号。

图1 系统设计方案框图

2 宽带信号产生系统的关键技术

2.1 中频LFM信号的产生系统

数字中频电路采用DDWS法产生单路数字中频LFM信号。其原理是:根据预定的采样频率和所需的信号带宽、时宽等参数，由信号的数学表达式计算出信号各点的采样值，并按采样顺序存储在高速存储器中。信号产生时，通过对采样时钟计数产生地址并高速寻址存储器，依次读出波形数据，在D/A转换后经过适当滤波产生所需中频模拟信号。高速波形存储、D/A转换、时序控制逻辑是DDWS技术实现信号源的3个关键，与之对应的器件选择和电路设计决定了信号源的主要性能指标。本文选择的主要器件为XC5VLX50 T高速大容量FPGA和AD973614-Bit，1 200 MSPS DAC。

图2 数字中频电路硬件原理图

由于采用了数字技术，先构成离散信号再由DAC变换成模拟信号输出，因而噪声和杂散是不可避免的。产生噪声和杂散的主要因素是DAC的量化误差以及阶梯重构引起的镜像残余和孔径效应［4］。DAC的量化误差主要取决于量化位数和采样率，假设量化位数为N，采样率为L倍奈奎斯特采样率，则可以近似认为量化引起的信噪比SNRdB与量化位数N、过采样率L的关系为:SNRdB≈6.02N+1.76+10 lgL。显然，增加量化位数和提高采样率都有助于减小信号失真，但提高采样率同时会带来硬件实现上的困难，因此，折中考虑波形质量及对硬件的要求，选取14位量化DAC和1倍奈奎斯特采样是比较合适的。

DAC芯片采用双沿数据传送模式(DDR)，工作时钟速率为1.2 GSPS。由于FPGA的工作频率限制，其内部的地址生成、系统控制和ROM的普通I/O无法以如此高的频率输出，因此，在FPGA的数据发送端采用并串转换技术，通过OSERDES将内部的6路200 MHz低速并行数据转化成1路1 200 MHz高速串行数据送入DAC数据接收端。中频电路硬件原理如图2所示。

由DAC阶梯重构引起的镜像残余和孔径效应将使得输出信号的频谱存在镜像分量和包络SINC函数调制。为了得到接近理想的LFM中频信号，需要对送入DAC的数据进行反SINC函数预失真，并对输出信号进行滤波。系统工作于奈奎斯特采样方式，所以对滤波器的性能要求非常严苛。必须要满足过渡带衰减迅速、带内起伏小、带外抑制大的性能要求，以保证系统的谐波杂散指标。50 MHz～550 MHz带通滤波器被用于滤除DAC输出信号的谐波与镜像分量，中心频率300 MHz、带宽500 MHz、阻带650 MHz处衰减超过40 dB。通过多次实验最终采用11阶切比雪夫滤波器，由于中心频率较低，采用集总元件的贴片电感、电容构建滤波器，并用微带线实现部分小电容，保证滤波器设计的精度。通过频谱仪测量的幅度频率特性曲线如图3所示，中频输出信号频谱如图4所示。

图3 50 MHz～550 MHz带通滤波器幅度频率图

图4 中频LFM信号频谱

2.2 射频电路的设计与实现

2.2.1 混频器电路设计

混频器电路采用二极管双平衡器芯片实现，其变频损耗约为8 dB，配合2 GHz～2.5 GHz带通滤波器滤除混频器输出信号的谐波与镜像分量。2 GHz～2.5 GHz带通滤波器用于滤除混频器输出信号的谐波与镜像分量，中心频率2.25 GHz，带宽500 MHz，采用7阶发夹型微带滤波器，并加入四分之一波长开路线来抑制寄生通带。由于滤波器的插入损耗和混频器的变频损耗，射频链路中加入了20 dB增益放大器，保证倍频器输入信号有足够的功率，经混频后系统输出的信号频谱如图5所示。

图5 混频后系统输出信号频谱

2.2.2 倍频器电路设计

倍频器是一种用于产生输入信号谐波分量的非线性电路［5］，采用倍频器完成对LFM信号的带宽扩展，设计输入功率10 dBm、频率2 GHz～2.5 GHz的信号，得到输出功率0 dBm、频率4 GHz～5 GHz的信号。采用ATF53189增强型场效应管设计倍频电路，由场效应管倍频器工作原理可知，当漏极电压Vd一定时，通过调整栅极电压Vg使得所需的谐波电流最大［6］。由于倍频器电路对稳定性、驻波比、带内幅度平坦度、倍频损耗、非二次谐波抑制性能均有较高要求，为了得到较小的带内起伏，可以适当牺牲倍频损耗等其他性能指标，以减小系统幅度失真补偿的难度。通过合理地设计直流偏置电路和输入输出匹配电路，得到满足要求的2倍频电路，通过频谱仪测试其输出幅度频率特性曲线，如图6所示。

图6 2倍频器输出幅度频率图

2.3 幅相误差的补偿

由于整个系统涉及到滤波、混频、放大等诸多环节，必然存在一定的幅相失真。可以根据测量得到的系统幅相失真，校正数字部分的波形，达到补偿失真的目的。理想的LFM信号表达式为

式中:T为信号脉冲宽度;K为线性调频率。根据线性调频信号的时频对应关系，在线性调频信号的时带积远大于1时，其时域幅相误差与频域误差成比例［7-8］，采用频谱仪记录幅度误差，映射到时域补偿失真的技术来完成幅度误差补偿。由式(2)可知，时域上脉冲的初始时刻t=0对应线性调频信号起始频率f0，时域上脉冲的结束时刻t=T对应线性调频信号截止频率f0+KT，所以频域上的幅度失真和时域上的幅度失真有一一对应的关系。为了校正系统幅度误差，可以采用以下步骤:(1)ROM中写入未校正的LFM信号s(t)=rect( t/T)ej2π(f0t+Kt2/2)的数据;(2)采用频谱仪记录系统输出信号的带内幅度起伏M(f)，并导入计算机;(3)补偿函数为A(f)=-M(f)-max(-M(f))，其线性插值得到对应的时域补偿函数A(t);(4)将校正后信号s0(t)=A(t)·rect( t/T)ej2π(f0t+Kt2/2)的数据写入 ROM，完成幅度误差的补偿。

3 系统测试与分析

采用微波信号源E8257D提供系统时钟和本振信号，用频谱仪E4440A测试各个模块的输出信号频谱。中频LFM信号经过50 MHz～550 MHz抗混叠带通滤波器输出频谱，如图4所示。通过滤波，DAC的镜像分量和谐波分量得到有效抑制。混频后2 GHz～2.5 GHz射频LFM信号未经过系统幅度校正时的频谱如图7所示，带内起伏较大。经过校正混频输出信号，频带内起伏细节如图8所示，带内起伏得到明显改善。

图7 未校正的混频后系统输出信号频谱

图8 经校正的混频输出信号带内起伏

经校正后最终输出的信号频谱如图9所示，系统输出信号的中心频率和带宽分别达到了4.5 GHz和1 GHz，带外谐波和杂散抑制均低于-55 dB。但同信号质量出现了劣化，主要表现为带内起伏和噪声台阶。这主要是由于系统实现过程中引入了混频、滤波、增益放大等诸多环节，势必会造成纹波起伏、相位劣化等失真。虽然这些是不可避免的，但可以通过反复调整来减小其影响。

图9 中心频率4.5 GHz、带宽1 GHz的LFM信号

4 结束语

本文研究了带宽1 GHz线性调频信号的产生方法和系统实现技术，详细讨论了系统的设计方案及其关键技术的解决途径。测试结果表明，通过直接数字中频和混频/倍频技术产生的LFM信号可获得较高的技术性能指标，输出信号带宽达到1 GHz，带外杂散优于-55 dB，带内起伏小于±2 dB。该技术达到了系统的设计要求，为宽带雷达线性调频信号源的研发提供了一条有效的途径。

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