朱正平,李寧麗,陳 錕,藍(lán)加平

(中南民族大學(xué)電子信息工程學(xué)院,武漢430074)

高頻脈沖雷達(dá)信號源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱正平,李寧麗,陳 錕,藍(lán)加平

(中南民族大學(xué)電子信息工程學(xué)院,武漢430074)

采用直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù),設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于單片機(jī)控制,以DDS芯片AD9959為核心的高頻脈沖雷達(dá)射頻信號源.系統(tǒng)由C8051單片機(jī)對輸入控制字進(jìn)行處理,從而執(zhí)行對AD9959芯片串行控制編程,產(chǎn)生所需的頻率、相位和幅度精準(zhǔn)的4路高頻脈沖雷達(dá)信號源,并在其輸出級設(shè)計(jì)了4路低通濾波器以減少串?dāng)_和雜散波,保證輸出信號的頻譜純凈度.該信號源已應(yīng)用在電離層高頻脈沖雷達(dá)探測系統(tǒng)中,現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該信號源系統(tǒng)產(chǎn)生的高頻信號頻率穩(wěn)定度高,掃頻轉(zhuǎn)換時(shí)間短,相位調(diào)制精確,且適合于多種編碼方式,完全滿足高頻脈沖雷達(dá)對信號源的性能指標(biāo)和技術(shù)要求.

直接數(shù)字頻率合成;芯片AD9959;高頻脈沖雷達(dá);低通濾波器

在高頻脈沖雷達(dá)系統(tǒng)中,信號源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是關(guān)鍵技術(shù)之一.傳統(tǒng)的信號源設(shè)計(jì)方式存在一些固有的缺點(diǎn),比如模擬鎖相環(huán)式 (PLL)間接頻率合成方法,主要使用正弦鑒相器,雖然頻率合成雜散性能和系統(tǒng)相位噪聲性能較好,但這種方法電路復(fù)雜,體積較大,成本較高;再如數(shù)字鎖相環(huán)方法,采用在鎖相環(huán)內(nèi)插入數(shù)字分頻器和數(shù)字鑒相器的方法,雖然結(jié)構(gòu)簡單,頻率也可以達(dá)到很高,但其也具有模擬鎖相環(huán)的缺點(diǎn),即頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間長、環(huán)路抗干擾能力差等[1]

,都無法滿足目前高性能高頻脈沖雷達(dá)對信號源的技術(shù)要求.直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(DDS)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種新的頻率合成技術(shù),它具有頻率分辨率高、輸出信號穩(wěn)定、相位和頻率調(diào)整靈活、輸出的變頻信號相位連續(xù)、相位噪聲低等優(yōu)點(diǎn),它是全數(shù)字接口,易于編程控制,且體積小,價(jià)格低,有助于提高系統(tǒng)的整體性價(jià)比,是當(dāng)前產(chǎn)生高頻脈沖雷達(dá)信號源的主流趨勢.作者選用美國AD公司的4通道DDS芯片AD9959[2],成功地完成了高頻脈沖雷達(dá)信號源的設(shè)計(jì)工作.本文便是這項(xiàng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的總結(jié),文中給出了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與詳細(xì)地軟件設(shè)計(jì)流程.

1 芯片AD9959工作原理

AD9959具有4個(gè)DDS內(nèi)核,共同使用同一時(shí)鐘作為參考源,這樣,4路信號可以很好地關(guān)聯(lián)匹配.AD9959的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由3部分組成:相位累加器,相位幅度轉(zhuǎn)換,數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC),如圖1 所示.

圖1 DDS結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of DDS

一個(gè)正弦波,它的幅度不是線性的,但是它的相位卻是線性增加的.DDS正是利用了這一特點(diǎn)來產(chǎn)生正弦信號.如圖1,根據(jù)DDS的頻率控制字的位數(shù)N,相位累加器把360°平均分成了2N等份.如果系統(tǒng)時(shí)鐘為Fc,輸出頻率為Fou.t每次轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度360°/2N,則可以產(chǎn)生一個(gè)頻率為Fc/2N的正弦波的相位遞增量.那么只要選擇恰當(dāng)?shù)念l率控制字M,使得Fout/Fc=M2N,就可以得到所需要的輸出頻率Fout,Fout=Fc×M/2N,通過相位累加器,得到合成Fout頻率所對應(yīng)的相位信息,然后相位幅度轉(zhuǎn)換器把0～360°的相位轉(zhuǎn)換成相應(yīng)相位的幅度值.比如當(dāng)DDS選擇為VP-P的輸出時(shí),45°對應(yīng)的幅度值為0.707 V,這個(gè)數(shù)值以二進(jìn)制的形式被送入DAC.這個(gè)相位到幅度的轉(zhuǎn)換是通過查表完成的.代表幅度的二進(jìn)制數(shù)字信號被送入DAC中,并轉(zhuǎn)換成為模擬信號輸出[3-4].

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示,包括電源電路、微控制處理器、直接數(shù)字頻率合成器、信號調(diào)理電路4個(gè)部分.硬件電路主要由AD9959、C8051F930這2個(gè)主要芯片,以及外圍電路組成.電源電路給C8051和AD9959供電,C8051單片機(jī)為主控制處理器,AD9959為核心功能芯片,系統(tǒng)由C8051控制AD9959產(chǎn)生4路頻率信號,再經(jīng)過信號調(diào)理電路,最后輸出.

由圖2可知,微處理器C8051為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心,負(fù)責(zé)給AD9959發(fā)送控制字序列,通過改變C8051 I/O口輸出的串行指令數(shù)據(jù),從而改變AD9959輸出波形信號的參數(shù).AD9959根據(jù)SP I口輸入的控制字完成頻率合成任務(wù),初步輸出所需信號.信號調(diào)理電路負(fù)責(zé)對AD9959輸出的4路頻率信號進(jìn)行濾波和放大,得到頻率相位精準(zhǔn)的高頻掃描信號供雷達(dá)發(fā)射和雷達(dá)接收機(jī)混頻解調(diào)使用.

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Schematic diagram of system structure

2.2 系統(tǒng)控制電路

AD9959采用SP I串行接口與C8051單片機(jī)進(jìn)行通信.C8051單片機(jī)是一款高性能、低功耗的單片機(jī),它可以工作在0.9～3.6V的寬電壓下,I/O驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng),電流可以達(dá)到25mA,能夠滿足在3.3V電壓下和AD9959通信的要求.C8051采用精簡指令集,32個(gè)8位通用工作寄存器,工作于25 M Hz時(shí)性能高達(dá)25M IPS,內(nèi)部有僅需2個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器,完成相乘和累加功能,能較方便地進(jìn)行程序控制設(shè)計(jì)[5].單片機(jī)與AD9959的硬件連接如圖3所示.

因系統(tǒng)控制需要,除了片選、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入輸出信號引腳外,還需其它控制引腳,本設(shè)計(jì)共引出8條控制線,分別與單片機(jī)P1口的8位輸入輸出線相連,按照AD9959芯片工作的時(shí)序圖,給SP I口依次寫控制字,實(shí)現(xiàn)由單片機(jī)控制AD9959產(chǎn)生所需要的4路頻率信號波形的功能.

2.3 信號調(diào)理電路

4路低通濾波器,其中2路為高頻低通濾波,2路為中頻低通濾波,均采用7階巴特沃斯最大平坦低通濾波,圖4所示為所設(shè)計(jì)的截止頻率1 M Hz的低通濾波器電路原理圖,圖5所示為所設(shè)計(jì)的截止頻率31M Hz的低通濾波器電路原理圖.

實(shí)際測試結(jié)果表明,1.0M Hz低通濾波器在0～1.0M Hz衰減低于3 dB,3 M Hz的衰減大于30 dB,具有很好的通帶平坦與阻帶陡降特性;31M Hz低通濾波器的頻譜特性在0～31M Hz衰減低于5 dB,50M Hz的衰減大于40 dB,均達(dá)到了較好的濾波效果[6].其實(shí)際測試數(shù)據(jù)生成的表圖如圖6、圖7所示.

圖4 1.0MHz低通濾波器Fig.4 Low-pass filter of 1MHz HF signal

圖5 31MHz低通濾波器Fig.5 Low-pass filter of 31MHz signal

圖6 1MHz低通濾波器幅頻特性圖表Fig.6 Amplitude-frequency characteristics chart of 1MHz low-pass filter

圖7 31MHz低通濾波器幅頻特性圖表Fig.7 Amplitude-frequency characteristics chart of 31MHz low-pass filter

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試使用的是Keil UV 3 v6.08軟件,在此軟件開發(fā)環(huán)境下,通過對C8051單片機(jī)的C語言編程,控制AD9959產(chǎn)生4路頻率信號.本設(shè)計(jì)的目標(biāo)是:生成4路頻率信號源.其中,2路高頻信號,2路中頻信號.第1路,頻率1～30M Hz,步進(jìn)0.1 M Hz,初相位為0°;第2 路,頻率1.768M Hz～ 30.768 M Hz,初相位為0°;第3 路,頻率768 kHz,初相位為0°;第4路,頻率768 kHz,初相位為90°.4路頻率信號的幅度無要求,均設(shè)置為1 Vpp即可.

AD9959共有4個(gè)輸出通道,其中,第1路頻率信號由通道2輸出,第2路頻率信號由通道3輸出,第3路頻率信號由通道1輸出,第4路頻率信號由通道0輸出.AD9959的串行通信方式有4種:分別是一位兩線模式,一位三線模式,兩位串行模式,四位串行模式.本設(shè)計(jì)采用的是一位兩線模式.SD IO -0為雙向數(shù)據(jù)引腳,為片選端,SCL K為串行時(shí)鐘,當(dāng)片選信號置低,在串行時(shí)鐘SCL K(最大時(shí)鐘速度可達(dá)200 M Hz)的每個(gè)上升沿,往串行數(shù)據(jù)引腳SD IO -0寫入控制字,數(shù)據(jù)被送入DDS的命令寄存器.AD9959控制軟件流圖如圖8所示.

圖8 AD9959軟件控制流程Fig.8 Software flow chart of AD9959

部分關(guān)鍵程序代碼如下:

void send byte (uchara) //發(fā)送單字節(jié)數(shù)據(jù)子程序

{

uchari;

for(i=7;i＞0;i--)

{

DDS_SCLK= 0;

DDS0=(((a)&(0x01＜＜(i)))==0?0:1);//將要發(fā)送的字節(jié)數(shù)據(jù)從第0位到第6位逐位寫入到單片機(jī)串行數(shù)據(jù)口

DDS-SCLK=1;

}

DDS _SCLK=0;

DDS _SDIO _0=((a&0x01)==0?0:1);//將要發(fā)送的字節(jié)數(shù)據(jù)的第7位寫入到單片機(jī)串行數(shù)據(jù)口SCLK=0;

DDS_ SCLK= 1;

}

void send_ cmd(uchar add,uchara[],ucharnum)//寫寄存器命令程序

{

ucharj;

DDS_SCLK=0;

DDS _SDIO _3= 0;

add&=0x7f;//將要發(fā)送的數(shù)據(jù)最高位強(qiáng)制置0,執(zhí)行寫寄存器操作

send _byte (add) ; //寫入寄存器的地址DDS _SCLK=0;

delay(2);

for(j=0;j＜num;j++)//給所選地址的寄存器寫數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)為1～4字節(jié)send _byte (a[j]) ;

send_SCLK=0;

DDS _SDIO _3=1;

}

4 部分實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

兩路掃頻高頻信號頻率不停地在變化,沒法在一瞬間把波形捕捉下來,下面給出了兩路定頻的中頻信號測試結(jié)果圖,圖9所示為頻率為768 kHz,相位相差90°的兩路中頻信號,由于此信號是經(jīng)過放大的,所以波形有些變形.圖10為高頻脈沖雷達(dá)系統(tǒng)編碼調(diào)制時(shí)巴克碼相位變化瞬間圖,由圖10可見,AD9959實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)的180°相位切換.

圖9 兩路相差90°的中頻信號Fig.9 Two orthogonal signals of m id-frequency

圖10 180°相位切換圖Fig.10 Transition diagram of 180°phase

5 結(jié)語

文中設(shè)計(jì)的信號源采用DDS芯片結(jié)合C8051控制技術(shù),使得整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單,性能良好.產(chǎn)生的4路頻率信號源用于高頻脈沖雷達(dá)系統(tǒng),第1路產(chǎn)生步進(jìn)0.1 M Hz的1～30 M Hz高頻信號,經(jīng)過相位編碼調(diào)制后用于發(fā)射;第2路產(chǎn)生的高頻本振信號,用于雷達(dá)接收機(jī)與高頻回波信號下變頻;第3路和第4路是產(chǎn)生2路相互正交的中頻信號,用于中頻信號進(jìn)行同相解調(diào)與正交解調(diào).上述所輸出的4路信號的幅度和相位都可任意改變.本系統(tǒng)經(jīng)過現(xiàn)場測試,所產(chǎn)生的4路信號頻率穩(wěn)定度高,相位和幅度連續(xù)可調(diào),頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短,完全滿足高頻脈沖雷達(dá)的技術(shù)要求,達(dá)到了設(shè)計(jì)目的.

[1] 曹新星.短波接收機(jī)高精度本振信號源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].武漢:武漢理工大學(xué),2009.

[2] 任季中,馮小平.高性能DDS芯片AD9959及其應(yīng)用[J].電子元器件應(yīng)用,2007,9(6):1-2.

[3] 李 毅.基于DDS和PLL的掃頻信號源設(shè)計(jì)[D].南京:南京理工大學(xué),2005.

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Design and Realize of RF Signal Sources in High-Frequency Pulse Radar

Zhu Zhengp ing,L i N ing li,Chen K un,L an J iap ing
(College of Electronics and Information Engineering,South-CentralU niversity for N ationalities,W uhan 430074,China)

A ccording to the technical demand of direct digital synthesizer(DDS),in this paper we designed and realized four signal sources for high-frequency pulse radar based on the core chip AD9959,which is controlled by C8051 m icrocomputer.The C8051M CU is adopted to process the input controlword and then program AD9959 to produce the desired four signal sources w ith high precision of frequency,phase and amplitude in high-frequency pulsed radar.In addition,four low-pass filterswere designed to reduce crosstalk and clutter,ensuring the output signal of good spectral purity.The signal sources have been applied in the Ionosonde of high-frequency pulse radar,and the exper imental results showed that the RF signal sources had several advantages such as high frequency stability,fast scan sw itching speed,precise modulation of phase,and suitable for a variety of encoding,which fully meet the techinical requirements and performance index of the signal sources in high-frequency pulse radar.

direct digital synthesizer;AD9959;high-frequency pulse radar;low-pass filter

N 945

A

1672-4321(2011)01-0075-05

2011-01-05

朱正平(1968-),男,博士,副教授,研究方向:電離層無線電波傳播,信號檢測與信息處理,電離層垂直探測設(shè)備的研究與開發(fā),無線電探測新觀測模式研究等,E-mail:zpzhu2007@sina.com

湖北省自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(2010CDA 062);國家科技基礎(chǔ)性專項(xiàng)重點(diǎn)資助項(xiàng)目(2008FY120100)