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一种基于DDS的阵列雷达P波段本振源设计 |
| 时间：2014-1-12 17:02:30 来源： 点击：1837 |
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摘要：阐述了一种阵列雷达P波段本振源的设计方案，通过新型的高达2.5GHz时钟的直接数字频率合成技术（Direct Digital Frequency Synthesizer），可以实现远优于传统方案的本振源设计。在复杂雷达电子环境中，其在密集跳频步进、相位噪声、杂散抑制等关键指标都较常规方案表现突出。在P波段实现指标优于-115dBc/Hz@1KHz，杂散优于-65dB，工作带宽大于300MHz。
关键词：直接数字频率合成；相位噪声；杂散抑制
1．引言
所有的超外差接收都是用一个或几个本振在解调之前把输入频率变换到中频。理想的接收，这些频率变换不会使输入信号产生畸变，所有的信息都能被恢复出来。实际情况是混频器和本振都会使信号质量恶化，实际接收机会通过优化设计使其影响最小；而本振对信号的恶化，主要是随机相位抖动即相位噪声，这只能通过本振自身来改善。对于复杂电磁环境的雷达接收系统来说，为了抑制强杂波的干扰，常用的做法是将本振频率密集切换，通过很窄的通道滤波来实现对强干扰的抑制。这通常需要本振以很小的步进在通带区域内切换，而常规的本振在同时实现低噪声和密集跳频的手段较少。比较通用的做法是采用直接数字频率合成器(Direct Digital Synthesizer,DDS)与变频本振相结合的办法来实现。
根据直接数字频率合成的原理可知,其输出频段是受其D/A时钟的限制。目前使用最多的直接数字频率合成器(DDS)芯片是ADI公司的AD9858,其时钟频率为1 GHz，工程上其可用的输出频率带宽为400MHz，由于输出信号带宽太窄严重限制了DDS在雷达上应用。
本文通过介绍一种基于2.5GHz高速D/A时钟的直接数字频率合成（DDS），产生低相位噪声本振的方式。可以产生高达1.2GHz的输出信号，同时也可以产生切换时钟高达1us步进跳频本振。
2．DDS工作原理
DDS一般包括相位累加器、Rom查找表、DAC数模变换器以及低通滤波器。其工作原理的核心是相位累加器，相位累加器以频率控制字为步长，在参考时钟的作用下，每个参考时钟周期进行一起累加。其输出用作正弦查找表的地址，他反应了输出信号的瞬时相位。正弦查找表存储了一个周期的以等时间间隔T采样的正弦离散信号。假设一个周期有M个取样值，相位累加器的长度为N比特，频率控制字为K，则读出的一个周期的信号需要有2N/K个参考时钟，相应的所合成信号的频率为：
fout=fclk×(k/2N)
从上式中我们可以看到，在参考时钟一定的情况下，输出信号的频率与频率控制字K成正比关系。而最小的K取值K=1，则反应了DDS输出信号的频率分辨率。对于2.5GHz的时钟信号和32bit的相位累加器而言，相应的频率分辨率达到0.58Hz。
DDS技术应用于阵列雷达频率合成相较于其他合成技术而言，优势明显。（1）频率分辨率高。在现有的器件工艺水平上，A=32或48，所以DDS 具有比较高的频率分辨率，可以达到（mHz级），这个指标上常规的AD9858和本文使用的高速DDS芯片性能相仿；（2）跳频时间快，其跳频时间取决于频率控制字传递到相位累加器的时间和以D/A后低通平滑滤波为主的延时时间。AD9858内部频率更新时钟最高时钟为125M，其跳频时间约为0.3μs，本文使用的高速DDS由于提高了内部更新时钟可达到20ns。(3)输出相位连续。原理上DDS通过改变信号的相位增长速率来变化其输出频率,因此输出信号的相位本身是连续的；(4)可以方便地产生多种复杂相位信号,通过直接的信号相位控制可以产生各种线性调频，非线性调频等信号。通过周期的脉冲指令还可以实现脉内的本振信号初相一致，这在阵列雷达的脉冲合成时尤为重要。
但同时DDS技术的不足也很明显：（1）杂散稍大。由于D/A变换误差以及幅度量化误差等不可避免的因素，DDS合成的杂散比其他技术手段稍差。相位截断和量化误差等受工艺限制不能无限提高，主流的AD9858芯片，其杂散优于50dB，本文使用的高速DDS由于采用高速D/A显著优化了杂散指标到60dB；（2）输出频率范围受限。根据Nyquist定理，DDS输出频率fo最高可达二分之一的时钟频率，但当fo接近二分之一的时钟频率时,其镜像频率也接近fo,其幅值趋于相等,这时很难设计出能滤除镜像的低通滤波器。因此一般DDS的最大输出频率取为40% 时钟频率 ,此时最大杂散频率为60%时钟频率。
通过以上的分析，传统的P波段本振的产生需要采用DDS和频率搬移，由于杂发的分布特性需要才采用分段的窄带滤波等手段来保证信号的低杂散。频带搬移过程也会引入干扰噪声。本文采用的新型高速DDS芯片通过大幅提高时钟到2.5GHz，可在P波段直接实现低杂散信号的产生。
3．设计方案及原理
高时钟频率DDS频率源系统由4个部分组成控制电路、时钟产生电路、直接数字频率合成、匹配滤波。
控制电路部分选用ALTERA公司FLEX10K系列的经典FPGA，该系列芯片成本低廉，IO口丰富，较高的端口数据速率。而数据率直接关系到跳频时间，通过32bit的并口数据传输，可以直接更新频率控制字，来改变输出频率。
时钟产生部分对系统的信号质量影响较大。由于产生频率直接作为DDS芯片核心的D/A时钟，其信号噪声及杂散特性会直接代入到输出频率。2.5GHz时钟可以通过直接合成或者锁相等间接合成方式产生。直接合成的优点是相位噪声好，通过将晶振输出的100MHz信号直接倍频可以产生高质量的2.5GHz时钟信号。恒温晶振的相位噪声为- 155dBc/Hz @1KHz，经过25倍倍频后理论相位噪声恶化值为20lg25≈28dB，即理论上能达到-127dBc/Hz @1KHz。这种方式缺点在于调试复杂，设备量大。另一种方式就是用数字锁相加高Q值的介质振荡器合成，这种方式的优点在于体积功耗可控，杂波抑制高。通过窄带有源运放的滤波可以提供较高质量的时钟源。DDS自身噪底的原因，2种时钟产生方式结构差距不大。所以方案选择了锁相的方式实现了低噪声了频率合成，相位噪声为- 120dBc/Hz @1KHz。
DDS芯片时钟工作频率最高可达2.5GHz，具有32位频率控制字、13位ROM相位分辨率、11位DAC分辨率，理论最高输出信号为1250 MHz。该芯片的驱动时钟可单端或差分输入,接口电平高于250mV即可稳定工作。其输出为双端差分输出，可通过上拉转单端输出，好的匹配电路能够优化输出信号的共轭杂波。
匹配滤波部分是针对DDS输出P波段频带，滤除带外杂波，保证本振信号的频谱纯洁。
因为P波段雷达频率较低，收干扰较严重。通用的接收抗干扰做法是采用窄带接收加宽带扫描的方式，变本振不变中频。本振源的设计指标覆盖500MHz-600MHz，匹配滤波器覆盖100 MHz带内，设计采用5级的Butterworth滤波器，带内插损为4dB，±200 MHz带外抑制≥40dB。优于阵列雷达的多通道相参特性，希望本振信号的相位较为稳定，滤波器的选择需要避免声表面波工艺等群延时较高的方式，实际设计选用LC方式实现，保证群延时在宽温范围内优于孔径内信号的抖动幅度。
4．工程设计关键点及实验结果
新型DDS最显著特色是高时钟频率，这也是设计的关键点和难点。通过ADS仿真设计采用良好的50欧母匹配线匹配DDS芯片射频接口，同时避开控制线和其他低频电路，减少干扰。由于较高的时钟频率造成器件功耗较大，在-5V供电的条件下，其满负荷功耗达3W。芯片采用陶瓷封装，能够较好的将热导入到壳体，通过散热压块和导热硅脂等手段可有效降低芯片的温度。避免芯片温度过高造成的11bit的D/A工作在非线性，从而影响杂散抑制性能。
根据分析可以得出，在2.5GHz时钟作用下，DDS在P波段的输出的时域波形每个周期内能有4个恢复点，通过仿真分析在每个周期≥3.1个恢复点的条件下，其输出信号杂谱一致优于60 dB，质量较好。
本系统的电路设计时采用4层混合印制板的技术。印制板分为射频信号层、地层、电源层以及控制信号层，板材由介电常数为4.6的FR4材质制作，通过数字模拟分开等手段有效避免了数字的低频信号带入到输出频率。通过仿真分析和测试结果来看，电路的设计比较合理，信号完整性好。图4为采用新型DDS芯片的直接数字频率合成器的实物图片：
图1 直接数字频率合成器的实物图片
实验室测验采用Agilent的相位噪声测试仪E5052B和频谱仪E4440A。在2.5GHz的时钟条件下，输出500MHz本振信号，根据相位控制字计算公式
K=(2N×fout)/ fclk
计算得K= 858993459，通过LVTTL并口方式送入芯片。
输出信号的频谱和相位噪声测试曲线如图2、图3所示：
图2 频谱测试图 图3 相位噪声测试图
其输出的500MHz信号，在偏离中心频率1KHz时的相位噪声为-114dBc/Hz，杂谱抑制优于75dB。
而传统的DDS+变频的合成方案会采用，DDS产50MHz和频标产生450MHz混频产生，由于传统DDS芯片AD9858相位噪声直接影响了输出信号的质量。经测试合成后的信号在偏离中心频率1KHz时相位噪声为-107dBc/Hz，杂散抑制达60dB。测试曲线如图4、图5所示：
图4 频谱测试图 图5 相位噪声测试图
经比较得，采用新型DDS合成技术产生P波段信号质量较常规方案有了较大的改善，在相位噪声性能上有近乎7dB的优化幅度，在杂波抑制有近10dB的改善，在方案简洁度、可用度方面优势更明显。
在DDS频率输出的上限频率附近，其输出信号的质量略有下降，由于每个周期的采样点的下降，杂波能量明显抬高。通过测试2.5GHz时钟条件下输出1GHz信号，实验发现输出信号相噪达-111dBc/Hz，杂波达55dB。这就要求在实际复杂系统中采用匹配滤波的形式优化频点，避免本振信号的杂波干扰到通带信号。
P波段DDS测试结果：
（1）工作时钟：2.5GHz
（2）工作频率：P波段
（3）工作带宽：300MHz
（4）调频时间：≤20ns
（5）杂波抑制：≥65dB
（6）相位噪声：-115dBc/Hz
（7）体积：140mm×90mm×15mm
（8）功耗：≤4W
5．结束语
本文较详细阐述了D/A时钟频率高达2.5GHz的DDS的设计方案，研制的数字频率合成器输出信号最高可达1000MHz,较以往DDS的输出带宽有了很大的扩展, 同时亦可输出多种调制模式信号。通过采取了多项措施，通过在某相控阵雷达中使用后得出结论:在高时钟驱动下,新型DDS不仅比传统DDS输出更宽的带宽,而且在相同频率处的相位噪声和杂散抑制都要优越很多。新型DDS性能优越，抗干扰能力强，方案经济价值高，应用广泛。
参考文献：
1．方立军，“一种机载雷达频率合成器的实验研究”现代雷达2003年第8期，p：41～44。
2．尹华侨，蔡伟营，“某相控阵雷达发射校正系统的电磁兼容设计“2008年第20期，p：40～41。
3．Brian Cheng，“射频通信测试中的信号发生器频谱纯度分析”现代电信科技1999年月第9期，p：26～30。
4. 汤励,“基于DDS的高可靠性雷达信号发生器设计与实现” 现代雷达2012年第11期, p：73～75。 |
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