《電子技術(shù)應(yīng)用》
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S波段全相參捷變頻雷達(dá)收發(fā)中頻部件設(shè)計(jì)
付錢華1,,劉鐮斧1,,彭 曉2,,楊遠(yuǎn)望1
1.電子科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院,,四川 成都610054,;2.成都亞光電子微波毫米波研究所,,四川 成都610054
摘要: 提出了一種由直接數(shù)字頻率合成,、倍頻鏈和鎖相環(huán)構(gòu)成的二次變頻方案,,實(shí)現(xiàn)了寬帶捷變頻多普勒雷達(dá)收發(fā)中頻部件系統(tǒng)設(shè)計(jì),。綜合考慮頻率合成器和雷達(dá)收發(fā)射頻前端電路的設(shè)計(jì)要求,,在保證頻譜純度的條件下,利用鎖相環(huán)產(chǎn)生捷變頻寬帶本振,,較好地將中心頻率為50 MHz的低頻窄帶線性掃頻脈沖調(diào)制信號(hào)變頻到具有500 MHz帶寬的S波段,。給出了采用該方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
中圖分類號(hào): TN958.2,;TN74
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
Development of transceiver intermediate frequency parts for S-band coherent radar with fast frequency switching
FU Qian Hua1,,LIU Lian Fu1,PENG Xiao2,,YANG Yuan Wang1
1.School of Communication and Information Engineering,University of Electronic Science and Technology of China,,Chengdu 610054,China,;2.Research Institute of Microwave and Millimeter Wave, Chengdu Yaguang Electronic Co., Ltd,,Chengdu 610054,China
Abstract: A double conversion mechanism composing of direct digital frequency synthesis, double frequency chains and phase locked loop is proposed in this paper, and system of intermediate frequency parts for wide band Doppler radar with fast frequency switching is realized. The design demand of frequency synthesis and radio frequency front-part circuit in radar transceiver is considered fully, on the condition that guarantee spectrum purity, using phase locked loop produce local oscillation with fast frequency switching, we find a perfect solution that convert a low, narrowband, linear sweep and pulse modulated single with center frequency of 50 MHz to a S-band single with 500 MHz bandwidth. Some experimental results also presented in the end.
Key words : DDS,;LFM,;PLL;double conversion,;spectrum purity

    全相參多普勒雷達(dá)能在復(fù)雜的干擾背景中自主地對(duì)目標(biāo)進(jìn)行搜索和跟蹤,,其要求具有高距離分辨、低截獲概率以及射頻實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn),,而高線性度和低相噪的線性調(diào)頻連續(xù)波(LFMCW)信號(hào)非常符合全相參多普勒雷達(dá)體積及精度等方面的要求[1],。傳統(tǒng)的產(chǎn)生LFMCW信號(hào)的方法是采用壓控振蕩器(VCO),但在整個(gè)寬頻段內(nèi)VCO產(chǎn)生高線性度的LFMCW信號(hào)相當(dāng)困難,。直接數(shù)字頻率合成器(DDS)由于采用數(shù)字電路結(jié)構(gòu),,所以其產(chǎn)生LFMCW信號(hào)線性度大大優(yōu)于VCO[2],。雖然DDS輸出信號(hào)中帶有雜散信號(hào),但其大的雜散信號(hào)具有可預(yù)見(jiàn)性[3],。只要合理選擇輸出頻點(diǎn)就可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,。但目前DDS輸出頻率還做不到寬帶,所以必須通過(guò)倍頻或者上變頻到高頻段,。采用倍頻器會(huì)使頻譜純度降低,,采用鎖相環(huán)PLL(phase-locked loop)倍頻,雖可以抑制遠(yuǎn)端雜散,,但對(duì)近端雜散和相噪并未改善,。若上變頻的本振信號(hào)頻譜大大優(yōu)于射頻信號(hào)頻譜純度,則上變頻器的中頻輸出信號(hào)頻譜純度主要取決于射頻信號(hào)的頻譜純度,,所以設(shè)計(jì)低雜散低相噪變頻器本振信號(hào)成為了關(guān)鍵,。
    本文充分利用DDS與PLL的優(yōu)點(diǎn),提出了一種利用FPGA控制DDS產(chǎn)生LFMCW信號(hào),,由倍頻器,、濾波器、混頻器和PLL分別產(chǎn)生第一,、第二本振信號(hào)的二次變頻方案,,并采用該方案完成了一種新的S波段全相參雷達(dá)捷變頻收發(fā)中頻部件設(shè)計(jì)工作。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
    通過(guò)分析寬帶鎖相頻率合成器的性能指標(biāo)和系統(tǒng)功能要求可知,,工作頻段,、帶寬及相噪雜散指標(biāo)是確定方案框架的關(guān)鍵,所以由此入手選擇方案,。根據(jù)上述要求,,設(shè)計(jì)的總體系統(tǒng)方案框圖如圖1。

    系統(tǒng)中由單一晶振提供時(shí)鐘信號(hào),,其他模塊包括信號(hào)處理機(jī)的輸入時(shí)鐘信號(hào)均由同源信號(hào)經(jīng)直接倍頻或者鎖相得到,,所以整個(gè)系統(tǒng)是相參的。首先,,由雙工器提取出梳狀譜發(fā)生器產(chǎn)生的f1和f2點(diǎn)頻信號(hào),,f1經(jīng)倍頻濾波給毫米波部件上行本振信號(hào),f2為接收機(jī)和發(fā)射上行信號(hào)提供第一本振信號(hào),。在產(chǎn)生上行信號(hào)中,,由DDS產(chǎn)生50 MHz定頻或者中心頻率為50 MHz、帶寬為△ MHz低頻率的脈沖調(diào)制線性調(diào)頻連續(xù)波,,經(jīng)與f2第一次混頻濾波,,再與PLL提供第二次本振信號(hào)上變頻到發(fā)射上行信號(hào)。在接收機(jī)中,,中頻本振信號(hào)由PLL與f2上變頻提供,。其中PLL的跳頻步進(jìn)為20 MHz,。
    該方案混頻第一本振和第二本振均采用了點(diǎn)頻本振參與上變頻。第一本振直接用倍頻鏈倍頻可以得到,,而第二本振通過(guò)PLL調(diào)頻得到26個(gè)頻點(diǎn),。所以,本方案實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)是變頻方案設(shè)計(jì),、PLL捷變頻的低相噪低雜散輸出信號(hào)和DDS輸出信號(hào)。
1.1 變頻方案設(shè)計(jì)
    工程上認(rèn)為:若參與變頻的本振相位噪聲優(yōu)于射頻信號(hào)相位噪聲7個(gè)dB以上,,則不會(huì)使變頻輸出信號(hào)的相位噪聲惡化,。參與倍頻的本振信號(hào)出自倍頻器和PLL,晶振相噪可以達(dá)到-150 dBc/Hz@1 kHz,,則f2信號(hào)相噪理論上可以優(yōu)于-130 dBc/Hz@1 kHz,。變頻方案主要考慮雜散的抑制,雜散設(shè)計(jì)很重要的一個(gè)方面就是新增雜散,。對(duì)于本系統(tǒng)來(lái)講主要是變頻交調(diào)雜散的交調(diào)很容易造成阻塞現(xiàn)象,,故在各級(jí)抑制好混頻雜散尤為重要。適當(dāng)?shù)剡x擇變頻頻率關(guān)系,、設(shè)計(jì)好相應(yīng)的變頻濾波器可以達(dá)到本系統(tǒng)雜散指標(biāo)要求,。
    頻綜的變頻采用了低邊本振,這樣混頻后的組合頻率落到輸出頻帶內(nèi)的頻點(diǎn)很少,。由于本系統(tǒng)為頻帶達(dá)到500 MHz的寬帶系統(tǒng),,故利用雙工器取出梳狀譜中大于500 MHz的f1和f2信號(hào),但也不可避免有些諧波落入通帶內(nèi),。并且混頻器1和3中有一些交調(diào)雜散落入通帶內(nèi),,但只有四階以上的雜散落入通帶內(nèi)??紤]到不同信號(hào)的雜散較難出現(xiàn)疊加(位置的重合),,故各點(diǎn)信號(hào)的雜散通過(guò)信道后不會(huì)發(fā)生惡化。因此,,理論上只需做到各個(gè)信號(hào)-50 dBc的雜散即可,;實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)可考慮留3 dB~5 dB的裕量。這個(gè)指標(biāo)在實(shí)際工程上是可以達(dá)到的,。對(duì)于帶外交調(diào)雜散只要濾波器帶外抑制足夠就可以將其降到系統(tǒng)要求的指標(biāo),。
    根據(jù)對(duì)系統(tǒng)方案中3個(gè)混頻器交調(diào)分析可以得出需要設(shè)計(jì)的帶通濾波器帶外抑制指標(biāo)均要優(yōu)于60 dBc,工程上S波段帶通濾波器要做到帶外抑制達(dá)到60 dBc很困難,,但可以采用2個(gè)相同指標(biāo)的帶通濾波器級(jí)聯(lián),,為保證信號(hào)輸出功率,可以在中間加個(gè)放大器,。
1.2 S波段捷變頻本振源設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)要求在500 MHz帶寬內(nèi)以20 MHz為頻率間隔,,作轉(zhuǎn)換時(shí)間≤3 μs的捷變頻,,這個(gè)技術(shù)指標(biāo)較高,因此成為課題的又一關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn),??紤]到本課題小體積與26個(gè)頻點(diǎn)的要求,無(wú)法采用直接方式(DS)的頻率合成方案,,只能采用間接方式(PLL)的頻率合成方式,。
    PLL由恒溫控制晶體振蕩器(OCXO)作參考源,這個(gè)源輸入PLL進(jìn)行預(yù)分頻,可以得到20 MHz的參考信號(hào)到鑒相器,。這樣可以保證足夠大的環(huán)路帶寬來(lái)滿足捷變頻的要求,。環(huán)路分頻比N的大小和變化相對(duì)都很小,所以不會(huì)因?yàn)閂CO的壓控增益非線性的問(wèn)題,,導(dǎo)致PLL的環(huán)路帶寬在整個(gè)頻段范圍內(nèi)的急劇變化,,而使部分頻點(diǎn)失鎖[4]??梢员WCPLL輸出信號(hào)的近端相噪理論上優(yōu)于-105 dBc/Hz@1 kHz,。
    為保證PLL在各個(gè)頻點(diǎn)能夠鎖定,取環(huán)路帶寬K為5 MHz,,阻尼系數(shù)為ξ為0.6,,這樣可以得到自然諧振頻率ωn為4 MHz,理論上分析鎖定時(shí)間[5]可以達(dá)到1.5 μs,,而工程實(shí)測(cè)達(dá)到2.1 μs,。
    在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn),原來(lái)采用的二階環(huán)路PLL輸出在左右偏離中心頻率20 MHz,,有比較大的鑒相紋波,,原因是環(huán)路濾波器在20 MHz的衰減不夠,通過(guò)在環(huán)路中級(jí)聯(lián)一個(gè)截止頻率為6 MHz的無(wú)源低通濾波器,,可以有效地將鑒相紋波壓制在系統(tǒng)要求下,。
1.3 控制電路及軟件設(shè)計(jì)
    在本系統(tǒng)中,控制電路主要產(chǎn)生時(shí)序控制脈沖,、方波相參時(shí)鐘,、PLL和DDS控制信號(hào)。
    DDS要產(chǎn)生脈沖調(diào)制的LFMCW,,也就是在脈沖電平為1時(shí),,DDS輸出LFMCW信號(hào),在脈沖電平為0時(shí),,要求DDS沒(méi)有輸出信號(hào),。結(jié)合系統(tǒng)指標(biāo)和系統(tǒng)體積的要求,采用的DDS芯片是AD公司的AD9958。根據(jù)AD9958技術(shù)手冊(cè),AD9958信號(hào)快速關(guān)斷主要有3種方式:(1)利用外部開(kāi)關(guān)關(guān)斷,;(2)在需要關(guān)斷時(shí)給DDS送為零的頻率控制字,;(3)通過(guò)AD9958的PWR_DWN_CTL(4腳)和功能寄存器1設(shè)置DDS在不需要輸出信號(hào)時(shí)處于休眠狀態(tài)。
    由于開(kāi)關(guān)關(guān)斷的隔離度一般只有幾十dB,,在系統(tǒng)處于接收時(shí)可能會(huì)有竄擾干擾接收本振,,影響本振接收頻譜純度,而且開(kāi)關(guān)電路需要占用一定的體積,,并且信號(hào)相參性也難以控制,,所以考慮到本系統(tǒng)尺寸要求利用外部開(kāi)關(guān)關(guān)斷DDS信號(hào)不太適合。而第二和第三種關(guān)斷方法均需要在關(guān)斷前和關(guān)斷后送一個(gè)DDS寄存器控制字,,這樣至少分別需要送80 bit和64 bit的控制字到DDS,。AD9958的參數(shù)設(shè)置為串行方式,其串行時(shí)鐘最大為200 MHz,,所以要做到100 ns的脈沖調(diào)制信號(hào)也是不可能的?;诖?,充分利用DDS復(fù)位功能,選用XILINX公司的XC3S200作為控制芯片,。并且XC3S200內(nèi)部支持軟件PLL的IP核,,可以產(chǎn)生任意頻率的方波相參時(shí)鐘。
    利用DDS復(fù)位管腳關(guān)斷DDS輸出信號(hào)軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示,。首先FPGA根據(jù)掃頻模式計(jì)算出線性掃頻上升頻率增量RDW,,由公式(1)可知,如果掃頻帶寬和掃頻時(shí)間固定,,RDW與線性掃頻斜率RSRR存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,。其中t為掃頻時(shí)間步進(jìn),Δf為掃頻頻率步進(jìn),。
   

    根據(jù)AD9958的內(nèi)部結(jié)構(gòu),,其相位截?cái)辔粸?7位,為降低相位截?cái)嚯s散,,可以合理選擇RSRR以使RDW盡量接近217,,但通過(guò)掃頻線性度η公式(2)可知Δf越大掃描線性度越差。所以在設(shè)置LSRR和RDW時(shí),,還必須綜合考慮足掃描線性度的要求,。
   
    FPGA在配置DDS控制字時(shí),必須把CFTW0最后送出,,并且將其對(duì)應(yīng)的I/O_UPDATE上升沿信號(hào)恰好在掃頻觸發(fā)上升沿送出,,一旦CFTW0和對(duì)應(yīng)I/O_UPDATE信號(hào)送出給DDS后,DDS才有輸出信號(hào)。這樣有利于掃頻時(shí)間的控制,。設(shè)置DDS為自動(dòng)和同步于I/O_UPDATE信號(hào)清零相位累加器,,保障DDS的輸出信號(hào)與系統(tǒng)時(shí)鐘的相參性。
    PLL芯片采用Peregrine Semicoductor公司的整數(shù)分頻PE3336芯片,??紤]到捷變頻問(wèn)題,采用了PE3336直接接口送數(shù)模式,。參考信號(hào)預(yù)分頻比恒為常數(shù),,環(huán)路分頻比的高位也是固定的,所以可以直接將對(duì)應(yīng)管腳連接到高電平或者低電平以節(jié)約PCB版面積,。這樣FPGA只需要給PE3336送M2~M0,、A3~A0的數(shù)據(jù)。FPGA根據(jù)信號(hào)處理機(jī)送來(lái)的調(diào)頻控制碼來(lái)產(chǎn)生不同的環(huán)路分頻比,,實(shí)際上是譯碼過(guò)程,,譯碼器是純組合邏輯電路,很容易產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)問(wèn)題,,造成整個(gè)頻綜系統(tǒng)的不穩(wěn)定,。解決辦法就是引入時(shí)序電路,通過(guò)對(duì)調(diào)頻控制碼鎖存后再輸出PLL控制碼,。這樣還可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力,。
2 系統(tǒng)實(shí)測(cè)結(jié)果及分析
    根據(jù)上述系統(tǒng)方案,設(shè)計(jì)出S波段全相參雷達(dá)收發(fā)中頻部件系統(tǒng),,圖3~圖6分別為測(cè)試的數(shù)據(jù)圖,。經(jīng)過(guò)工程實(shí)測(cè),得出的測(cè)試結(jié)果有:接收本振信號(hào)相噪優(yōu)于-94 dBc/Hz@10 kHz,,近端雜散優(yōu)于-80 dBc,遠(yuǎn)端雜散優(yōu)于-57 dBc,,接收機(jī)增益達(dá)到78.5 dB,,總衰減范圍為90 dB,,和差通道隔離度大于60 dBc,噪聲系數(shù)為11.3 dB,,上行本振信號(hào)相噪優(yōu)于-111 dBc/Hz@10 kHz,,點(diǎn)頻上行工作信號(hào)相噪優(yōu)于-90 dBc/Hz@10 kHz,上行掃頻工作信號(hào)遠(yuǎn)端雜散優(yōu)于-55 dBc,。收發(fā)隔離度為-90 dB,整個(gè)工作頻段內(nèi)信號(hào)功率平坦度達(dá)到±2 dB。系統(tǒng)跳頻時(shí)間僅2.1 μs,。

    從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出,,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)相噪數(shù)據(jù)均比較理想,,但由于頻帶比較寬,混頻器的雜散交調(diào)和PLL的鑒相紋波比較大,,通過(guò)寬帶濾波器難以全部壓制在-55 dBc以下,所以如可以擴(kuò)充系統(tǒng)體積,,則可以考慮使用開(kāi)關(guān)進(jìn)行分段濾波,使得雜散指標(biāo)更加優(yōu)化,。
    根據(jù)本文提出的二次變頻方案設(shè)計(jì)的S波段雷達(dá)收發(fā)中頻部件具有全相參性,、低相噪,、低雜散、捷變頻,、寬頻帶以及體積小等特點(diǎn),,其充分利用了DDS掃頻時(shí)間快,、頻率分辨率高,、輸出相位可調(diào)和工作模式多等特點(diǎn)[6],,通過(guò)軟件靈活控制DDS和開(kāi)關(guān),使得其雜散輸出最小,。考慮到雜散倍頻的惡化,,采用上變頻的方式,,通過(guò)PLL提供高質(zhì)量的S波段捷變頻本振,,得到了寬頻帶的S波段具有高線性度,、低雜散的LFMCW信號(hào),,其性能指標(biāo)完全可以滿足現(xiàn)代多普勒雷達(dá)的要求,。該方案的變頻方案和利用DDS與PLL的組合設(shè)計(jì)思想對(duì)于設(shè)計(jì)其他寬頻帶捷變頻頻率合成系統(tǒng)具有一定的參考價(jià)值,。
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