某米波雷達(dá)頻率綜合器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：介紹了基于DDS的米波段頻率綜合器的工作原理，給出了設(shè)計(jì)方案，并針對(duì)DDS固有高階交調(diào)雜散采用了雙路參考信號(hào)的設(shè)計(jì)，得到了良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
關(guān)鍵詞：DDS固有高階交調(diào)雜散；雙路參考信號(hào)；低相噪低雜散

近年來(lái)米波雷達(dá)是重點(diǎn)發(fā)展方向之一，受到普遍重視，世界各國(guó)把發(fā)展米波雷達(dá)放到雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的重要位置。盡管米波雷達(dá)作用距離遠(yuǎn)、成本低，并且具有較好的反隱身和抗反輻射導(dǎo)彈的能力，隨著雷達(dá)和無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展，對(duì)頻率資源的開發(fā)利用的更加深入，擴(kuò)展雷達(dá)所面臨的電磁環(huán)境也越來(lái)越復(fù)雜。針對(duì)以上現(xiàn)狀，雷達(dá)需要從嚴(yán)重的雜波環(huán)境中分辨目標(biāo)，要求其頻綜具有低相噪、低雜散的特性，以提高雷達(dá)的改善因子。本文采用基于FPGA+DDS的控制及雙路參考信號(hào)的設(shè)計(jì)，對(duì)該米波雷達(dá)頻綜進(jìn)行了低雜散、低相噪的設(shè)計(jì)。測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)可有效規(guī)避DDS同有雜散，達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

1 頻綜系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)
1．1 系統(tǒng)指標(biāo)要求
該頻綜工作在P波段：相位噪聲(點(diǎn)頻連續(xù)波測(cè)試)：≤-130dBc／Hz(偏離載頻1kHz處)；輸出信號(hào)雜散：≤-60dBc；頻率間隔：10kHz。
1．2 系統(tǒng)方案選擇
根據(jù)該頻綜頻率低、頻率間隔小、點(diǎn)數(shù)多、跳頻時(shí)間比較短的特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)有頻率綜合器頻率合成方法，經(jīng)過(guò)詳細(xì)對(duì)比，本文選擇基于DDS的直接式頻率合成方案，該方案成本低、技術(shù)成熟、系統(tǒng)靈活可靠。
1．3 基于DDS的米波頻綜系統(tǒng)設(shè)計(jì)
方案系統(tǒng)框圖如圖1所示。

本系統(tǒng)中選用的DDS為AD公司的AD9910。該器件主要特點(diǎn)如下：1GSPS的內(nèi)部時(shí)鐘速率和高達(dá)400MHz的模擬輸出信號(hào)；內(nèi)置1CSPS、14位DAC；在1GPSP采樣速率下，頻率分辨率為0．23Hz；載頻為400MHz時(shí)，相位噪聲≤-125dBC／Hz@1kHz；無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)高達(dá)80 dB以上；內(nèi)部采用1．8 V和3．3V供電，超低功耗；支持四種工作模式：?jiǎn)晤l調(diào)制模式、RAM調(diào)制模式、數(shù)控?cái)?shù)字斜坡調(diào)制模式和并行數(shù)據(jù)端口調(diào)制模式；內(nèi)置的高速并行數(shù)據(jù)輸入端口能實(shí)現(xiàn)直接頻率、相位、振幅或極化調(diào)制，以支持更高級(jí)的調(diào)制功能。
參考信號(hào)產(chǎn)生模塊產(chǎn)生相參考信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)供給雷達(dá)總站使用，同時(shí)該模塊還產(chǎn)生射頻信號(hào)產(chǎn)生模塊所需的雙路參考信號(hào)與第二本振信號(hào)；射頻模塊將來(lái)自參考模塊的參考信號(hào)進(jìn)行頻率合成，產(chǎn)生雷達(dá)總站需要的第一本振信號(hào)及激勵(lì)信號(hào)。
晶振產(chǎn)生的基準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)過(guò)四功分后，第一路信號(hào)濾波、隔離直接產(chǎn)生系統(tǒng)需要的相參信號(hào)；第二路信號(hào)經(jīng)濾波、隔離作為DDS的輸入時(shí)鐘信號(hào)。時(shí)鐘信號(hào)及第二本振信號(hào)均南DDS產(chǎn)生；第三路、第四路信號(hào)經(jīng)一系列濾波放大后，產(chǎn)生射頻信號(hào)產(chǎn)生模塊需要的雙路參考信號(hào)。
參考信號(hào)產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的參考信號(hào)fref進(jìn)入射頻信號(hào)產(chǎn)生模塊中的功分器功分為：fref和fref1。其中fref進(jìn)入發(fā)射單元的DDS進(jìn)行頻率變換，經(jīng)過(guò)放大濾波后再進(jìn)入三選一開關(guān)濾波組件即可得到本振信號(hào)fc；fref1經(jīng)過(guò)隔離后，與DDS的第二路參考信號(hào)fref2進(jìn)入二選一開關(guān)；根據(jù)對(duì)DDS固有雜散進(jìn)行分析后得到的計(jì)算結(jié)果，在輸出某幾段頻率時(shí)，由控制信號(hào)切換輸入?yún)⒖夹盘?hào)頻率，同時(shí)對(duì)DDS進(jìn)行復(fù)位，讀取預(yù)存在FPGA地址中的另一組程序；信號(hào)進(jìn)入三選一開關(guān)濾波組件后冉經(jīng)過(guò)放大濾波即可得到第一本振信號(hào)flo。以上工作模式，可有效抑制DDS
由于輸入信號(hào)頻率固定而產(chǎn)生較大的高階交調(diào)雜散。

2 指標(biāo)分析
2．1 雜散分析
近端雜散產(chǎn)生的來(lái)源主要來(lái)自于以下2個(gè)方面：晶振自身的雜波及電源帶來(lái)的各種干擾。根據(jù)以往設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，選擇雜散指標(biāo)高的晶振，并對(duì)每個(gè)模塊做合理的電源濾波，近端雜散能夠滿足上述指標(biāo)。
遠(yuǎn)端雜散的來(lái)源主要由于倍頻、DDS固有雜散及信號(hào)通道之間的串?dāng)_造成，因此要實(shí)現(xiàn)頻率綜合器的低雜散，必須在方案設(shè)計(jì)過(guò)程中選擇合適的濾波器，合理分配濾波器指標(biāo)，認(rèn)真進(jìn)行DDS固有雜散設(shè)計(jì)分析。在工程設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)信號(hào)通道之間的隔離、信號(hào)反串等的抑制重點(diǎn)考慮，電磁兼容方面合理沒計(jì)電源濾波、接地、屏蔽和電纜的選擇與布線。
2．2 相噪分析
輸入DDS的參考信號(hào)是由晶振經(jīng)N次倍頻得到的倍頻數(shù)最高為10次，考慮附加損失5dB，其相噪為：-155+20lg10+附加5dB=-130dBc／Hz@ 1kHz；查AD9910參考手冊(cè)可知在PLL禁用的情況下1GHz工作頻率下輸出P波段信號(hào)時(shí)相噪為：-140dBc／Hz@1kHz；考慮DDS內(nèi)部不使用PLL環(huán)時(shí)可以對(duì)輸出信號(hào)的相噪進(jìn)行改善，則可推出該參考信號(hào)輸入DDS時(shí)，輸出的P波段信號(hào)相噪應(yīng)小于-145dBc／Hz@1kHz；

3 測(cè)試結(jié)果
圖2為采用安捷倫E4447A頻譜儀測(cè)試DDS輸入?yún)⒖夹盘?hào)fref1時(shí)DDS的頻譜曲線。