摘要：給出一套寬帶雷達(dá)信號源的設(shè)計(jì)方案，它由基帶信號源和倍頻鏈組成，產(chǎn)生中心頻率為1 GHz，帶寬為800 MHz的線性調(diào)頻信號?；鶐盘栐催x用了AD公司高性能數(shù)字頻率合成芯片AD9858，由FPGA實(shí)現(xiàn)加載DDS控制字，產(chǎn)生(200+50)MHz的基帶信號。倍頻鏈將基帶信號進(jìn)行上變頻和倍頻，可輸出1 GHz±400 MHz的寬帶雷達(dá)信號。經(jīng)示波器和頻譜儀測試顯示，所設(shè)計(jì)的寬帶雷達(dá)信號源滿足設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：寬帶雷達(dá)信號源；數(shù)字頻率合成；線性調(diào)頻信號；基帶信號源；倍頻鏈；AD9858

0 引言
    和窄帶雷達(dá)相比，寬帶雷達(dá)具有高的距離分辨率，可以獲取更多、更詳細(xì)的目標(biāo)信息，從而更好的完成目標(biāo)成像和識別。寬帶雷達(dá)主要應(yīng)用在合成孔徑或逆合成孔徑雷達(dá)成像中，寬帶雷達(dá)信號處理理論和技術(shù)還不成熟。在寬帶雷達(dá)背景下，目標(biāo)在徑向可分為多個距離單元，表現(xiàn)為多散射點(diǎn)模型?；夭ń?jīng)過匹配濾波處理后形成一維距離像，對于運(yùn)動目標(biāo)而言，窄帶雷達(dá)可以采用相參積累或非相參積累來提高信噪比，而寬帶雷達(dá)在積累時間內(nèi)多周期回波存在跨距離單元走動，在速度很高時，甚至在相鄰周期內(nèi)目標(biāo)的運(yùn)動都會跨越一個距離單元，這大大影響了積累的效果。在寬帶雷達(dá)條件下，海雜波幅度概率密度函數(shù)有較長的尾部，偏離瑞利特性，常用對數(shù)正態(tài)分布、韋布爾分布和K分布來描述。
    隨著現(xiàn)代電子技術(shù)與雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，特別是脈沖壓縮技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對雷達(dá)信號源的要求在質(zhì)量、頻帶寬度、頻率捷變速度等方面上有了極大的提高。數(shù)字直接合成技術(shù)(Direct Digital Synthesis，DDS)和鎖相環(huán)技術(shù)(Phase Locked Loop，PLL)是現(xiàn)代雷達(dá)信號合成采用的主要技術(shù)。數(shù)字直接合成技術(shù)雖然有全數(shù)字化結(jié)構(gòu)、頻率轉(zhuǎn)換時間短、分辨率高、相位噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，但仍存在著一些不足，主要是它的合成頻率相對較低，這一點(diǎn)限制了其在應(yīng)用上的范圍。鎖相環(huán)技術(shù)則具有頻帶寬、工作頻率高、頻譜質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，但是PLL在頻率分辨率、建立時間等方面遠(yuǎn)不如DDS。
    研究寬帶雷達(dá)信號處理中存在的問題具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。對寬帶雷達(dá)進(jìn)行建模仿真，可以驗(yàn)證寬帶雷達(dá)信號處理算法，但實(shí)測的寬帶雷達(dá)回波數(shù)據(jù)更能直接體現(xiàn)、驗(yàn)證、證明其算法的正確性、有效性。由于美國AD公司(Analog Devices Inc)新推出的AD9858芯片是一款高性能DDS芯片，具有很寬的工作頻帶，輸出頻率范圍可到400 MHz，完全滿足雷達(dá)設(shè)計(jì)要求，因此在設(shè)計(jì)中采用AD9858芯片。
    本文給出了產(chǎn)生中心頻率為1 GHz，帶寬為800 MHz的線性調(diào)頻信號的雷達(dá)信號源的設(shè)計(jì)方案。

1 DDS性能分析
    在現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展過程中，頻率合成大致經(jīng)歷了從直接模擬頻率合成，到基于PLL的鎖相式頻率合成，再到DDS的三代發(fā)展。
    直接模擬頻率合成技術(shù)指的是通過能夠?qū)崿F(xiàn)混頻、分頻、倍頻、差頻等數(shù)學(xué)運(yùn)算的模擬電路，使得一個或多個既有的參考頻率合成所需要的頻率。但是這項(xiàng)技術(shù)所需設(shè)備體積和功耗都比較大，盡管其頻率轉(zhuǎn)換時間快，因此在目前的電子技術(shù)發(fā)展趨勢下，直接模擬頻率合成已基本不被采用。
    目前技術(shù)發(fā)展成熟，集成度較高，能夠廣泛運(yùn)用于各種電路的設(shè)計(jì)中的是基于PLL的鎖相式頻率合成技術(shù)。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于具有很寬的輸出頻率范圍，且抑制寄生輸出噪聲的能力很強(qiáng)，因而輸出頻譜的純度很高，但它也存在頻率切換的時間較長的缺點(diǎn)。
    近十幾年來，DDS技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，它具有如下優(yōu)點(diǎn)：相對帶寬較寬；頻率轉(zhuǎn)換時間較短；頻率分辨率較高；能夠產(chǎn)生相位連續(xù)信號；可產(chǎn)生寬帶正交信號及其他多種調(diào)制信號；可編程和全數(shù)字化、控制靈活方便；具有極高的性價比等。目前最常用的DDS實(shí)現(xiàn)方案有以下三種：高性能DDS芯片方案、低頻正弦波DDS芯片方案、基于FPGA芯片方案。本文采用的是高性能DDS芯片AD9858方案。

2 寬帶雷達(dá)信號源設(shè)計(jì)
    微型寬帶雷達(dá)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)射1 GHz+400 MHz的線性調(diào)頻信號，要求信號帶外抑制不小于55 dB，雜散抑制不小于35 dBc。
    本文采用DDS技術(shù)加上變頻和倍頻鏈方案產(chǎn)生發(fā)射信號，這樣可以使倍頻次數(shù)盡量減少，從而減少倍頻引入的雜散。寬帶信號源由基帶信號源、上變頻和倍頻鏈組成，上變頻采用改進(jìn)型折疊吉爾伯特結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換增益約為8．5dB；倍頻鏈采用三級倍頻，輸出功率大于等于13dBm。寬帶信號源的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    DDS是第三代頻率合成技術(shù)，具有相對帶寬寬、頻率轉(zhuǎn)換時間短、頻率分辨率高、輸出相位連續(xù)、高性價比等優(yōu)點(diǎn)。隨著現(xiàn)代集成電路的發(fā)展，高性能DDS芯片的工作時鐘越來越高，輸出帶寬越來越寬。AD9858直接數(shù)字頻率合成器的應(yīng)用非常廣泛靈活。它是由一個高效率的DDS核，一個32位的相位累加器，一個14位的相位偏移調(diào)整器，一個頻率為109次采樣的10位數(shù)膜轉(zhuǎn)換器四部分組成。并且高性能DDS芯片AD9858增加了自動掃頻的功能，提供了頻率達(dá)2 GHz的混頻器，一個相位頻率檢測器以及一個可編程的帶有高級快鎖功能的電荷泵。AD9858提供了串行和并行控制接口，通過這兩個控制接口可以寫數(shù)據(jù)到片內(nèi)數(shù)字寄存器控制所有操作，很容易配置AD9858。四組用戶頻率相位控制字(profi les)能由片外的兩個腳選定。這些用戶可以單獨(dú)選擇設(shè)定頻率轉(zhuǎn)換字和相位偏移字。AD9858可以進(jìn)行單音模式和掃頻模式的切換。為了省電，還能使AD9858工作在可編程的全睡眠模式，這種模式下多數(shù)器件功率降低從而減小電流。
    基帶信號源產(chǎn)生(200+50)MHz的基帶線性調(diào)頻信號，以AD公司高性能AD9858芯片和Altera公司的CycloneⅡ系列FPGA芯片為核心，由AD98 58芯片、FPGA芯片、帶通濾波器、射頻放大器和電源組成。
    AD9858芯片工作時鐘達(dá)到1 GHz，輸出帶寬達(dá)到400 MHz，內(nèi)置10位的A／D，并提供1／8頻率的工作時鐘給FPGA芯片，F(xiàn)PGA部分完成AD98 58控制字的加載，使其工作于掃頻模式，并產(chǎn)生整個系統(tǒng)收發(fā)開關(guān)的調(diào)制信號和基帶信號源的時序控制信號?；鶐盘栐吹慕Y(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

    AD9858有三種工作模式：掃頻模式、單音模式和休眠模式。AD9858工作模式的確定由功能控制字控制，包括起始頻率控制字(FTW)、步進(jìn)頻率控制字(DFTW)、步進(jìn)頻率斜率控制字(DFRRW)和工作模式控制字(CFR)?？刂谱諪TW，DFTW和DFRRW分別由以下公式確定：
    FTW=(fs×232)／SYSCLK      (1)
    DFTW=(△f×231)／SYSCLK    (2)
    DFRRW=(△t×SYSCLK)／8     (3)
    fF=fs+T×△f／△t          (4)
    式中：SYSCLK為系統(tǒng)時鐘；fs為起始頻率；△f為步進(jìn)頻率；△t為步進(jìn)時間；fF為終止頻率；T為掃頻時間。基帶信號源產(chǎn)生中心頻率為200 MHz、帶寬為100 MHz的線性調(diào)頻信號，起始頻率為150 MHz，終止頻率為250 MHz，脈沖寬度為4μs，參考時鐘為1 GHz。

3 寬帶雷達(dá)信號源的測試
    寬帶雷達(dá)信號源由基帶信號源和倍頻鏈組成，基帶信號源產(chǎn)生(200+50)MHz的線性調(diào)頻基帶信號，然后經(jīng)倍頻鏈上變頻和倍頻，輸出1 GHz±400 MHz的線性調(diào)頻激勵信號。寬帶示波器(Agilent MS09064A型)和頻譜分析儀(Agilent E4440A型)分別測試基帶信號和激勵信號，檢驗(yàn)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
3．1 信號時域測試
    基帶信號源產(chǎn)生時寬為4μs，重頻為2 kHz的線性調(diào)頻脈沖串。寬帶示波器測試基帶信號如圖3，圖4所示，基帶信號時寬為4μs，脈沖串重復(fù)周期為500μs，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但是所產(chǎn)生的基帶信號幅度上存在調(diào)制，這是因?yàn)閷?shí)際電路中存在阻抗不匹配和濾波器的非理想幅度響應(yīng)。

    基帶信號由倍頻鏈上變頻和倍頻輸出激勵信號，其時寬亦為4μs，重頻為2 kHz。寬帶示波器測試激勵信號如圖5，圖6所示，激勵信號的時寬為4μs，脈沖串周期為500μs，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。由于倍頻鏈中包括帶通濾波器使得激勵信號相對于基帶信號在幅度上有所改善。
3．2 信號頻域測試
    寬帶信號源產(chǎn)生激勵信號頻譜是否達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，一定程度上影響寬帶雷達(dá)的性能。頻譜分析儀分別測試基帶信號源產(chǎn)生的線性調(diào)頻基帶信號和經(jīng)過倍頻鏈輸出的線性調(diào)頻激勵信號。頻譜分析儀測試所產(chǎn)生的線性調(diào)頻基帶信號的帶寬和雜散抑制，分別如圖7，圖8所示。

    頻譜分析儀測試基帶信號，其帶寬達(dá)到100 MHz，帶外抑制不小于35 dB，雜散抑制不小于65 dBc。從圖7可以看出，其基帶信號的頻譜帶內(nèi)幅度存在調(diào)制，這和寬帶示波器測試結(jié)果一致，都是因?yàn)殡娐分凶杩共黄ヅ浜蜑V波器非理想幅度響應(yīng)曲線造成的。
    基帶信號經(jīng)過倍頻鏈上變頻和倍頻輸出激勵信號，頻譜分析儀測試激勵信號的帶寬和雜散抑制分別如圖9，圖10所示。

    頻譜分析儀測試激勵信號，其信號帶寬為800 MHz，帶外抑制不小于55 dB，雜散抑制不小于35 dBc。激勵信號經(jīng)過倍頻后，其中心頻率搬移到1 GHz，帶寬為800 MHz。和寬帶示波器測試激勵信號一樣，由于倍頻鏈中帶通濾波器存在，激勵信號的幅度響應(yīng)曲線相對于基帶信號有所改善。

4 結(jié)語
    寬帶信號源產(chǎn)生激勵信號的好壞，在一定程度上決定寬帶雷達(dá)性能。本文給出的寬帶雷達(dá)信號源設(shè)計(jì)方案，由基帶信號源和倍頻鏈組成?；鶐?strong>信號源選用高性能的AD9858芯片，產(chǎn)生線性調(diào)頻基帶信號，經(jīng)過倍頻鏈的上變頻和倍頻，輸出激勵信號。所產(chǎn)生的基帶信號和激勵信號經(jīng)過寬帶示波器和頻譜分析儀測試，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，這對寬帶雷達(dá)設(shè)計(jì)有一定意義。