基于高性能DDS芯片AD9959的超寬帶步進(jìn)頻率探地雷達(dá)設(shè)計(jì)

　　0 引 言

　　探地雷達(dá)是近10年迅速發(fā)展起來的一種無損探測新技術(shù)，它具有探測速度快、高空間分辨率、對目標(biāo)的三維電磁特征敏感、可實(shí)現(xiàn)連續(xù)透視掃描以及二維彩色圖像實(shí)時(shí)顯示等優(yōu)點(diǎn)，目前已在工程勘察、水利隱患探測、工程質(zhì)量檢測、地下管網(wǎng)探測以及考古等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

　　隨著雷達(dá)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對雷達(dá)信號(hào)的要求也越來越高。高精度、高掃描率、高抗干擾性、低截獲率成為人們追求的目標(biāo)。滿足這種需求除了靠產(chǎn)生復(fù)雜的雷達(dá)波形外，還需要在雷達(dá)系統(tǒng)中應(yīng)用高性能的器件。

　　直接數(shù)字頻率合成方法具有傳統(tǒng)方法所不具備的許多突出的優(yōu)點(diǎn)：高頻率分辨率、高頻率切換速度、頻率切換時(shí)相位保持連續(xù)、超寬的頻率范圍、能實(shí)現(xiàn)各種調(diào)制波和任意波形的產(chǎn)生以及易于實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化的設(shè)計(jì)等。AD9959是一款高性能DDS(直接數(shù)字頻率合成器)芯片，可方便快速地產(chǎn)生線性調(diào)頻、單頻脈沖及步進(jìn)頻率信號(hào)，其工作頻率高達(dá)500 MHz，雜散性能指標(biāo)更高于以前的產(chǎn)品。

　　1系統(tǒng)組成及工作原理

　　1.1探地雷達(dá)探測原理

　　GPR(探地雷達(dá))是利用高頻電磁波(1 MHz～1 000 MHz)以脈沖的形式發(fā)射電磁波，雷達(dá)波在地下介質(zhì)中傳播時(shí)，遇到存在電性差異的地下介質(zhì)或目標(biāo)體時(shí)，電磁波便發(fā)生反射，根據(jù)接收天線接收到回波的波形、強(qiáng)度、電性及幾何形態(tài)進(jìn)行處理、分析，從而達(dá)到對地下目標(biāo)體的探測，如圖1所示。目前使用較多的是無載頻脈沖體制(Impulse)、FMCW(調(diào)頻連續(xù)波)及SFCW(步進(jìn)頻率連續(xù)波)體制。

　　典型的步進(jìn)頻率探地雷達(dá)發(fā)送N個(gè)相參脈沖，其脈間頻率通常以一個(gè)固定的頻率增量△f遞增，如圖2所示。

　　一個(gè)脈沖幀中第n個(gè)脈沖的信號(hào)頻率可以表示為：

　　式中：f0為射頻，也是起始頻率；τ為每個(gè)脈沖的脈寬，T為脈間間隔，可根據(jù)模糊距離調(diào)整。

　　N個(gè)脈沖組成一脈沖幀。幀時(shí)間即發(fā)射N個(gè)脈沖的時(shí)間，又稱為CPI(相關(guān)處理間隔)。這種信號(hào)的有效帶寬為Beff≡N△f，由于通常要求△f≤1／τ，因此，提高信號(hào)有效帶寬可以通過加大N。相應(yīng)的信號(hào)是Acos 2π(f0+n△f)t。假設(shè)信號(hào)在均勻介質(zhì)中傳播的速度為v，一個(gè)距離R的點(diǎn)目標(biāo)回波可表示為WR
　　式(4)符號(hào)后第1項(xiàng)是常相移項(xiàng)，沒有意義，第2項(xiàng)是頻率變化率△f／T和雙程時(shí)差的乘積。這樣距離轉(zhuǎn)換成頻移，因此，可以通過頻率分辨達(dá)到分辨和測量距離的目的。由于距離的測量是由DFT(離散傅里葉變換)完成，距離分辨力△R和無模糊距離Ru分別依賴于DFT的頻率分辨率和最大無模糊頻率測量。這就是步進(jìn)頻率連續(xù)波體制雷達(dá)的工作原理。

　　1.2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)采用外差式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體框圖如圖3所示。

　　CO(相干振蕩器)是一個(gè)10.7 MHz的點(diǎn)頻源。步進(jìn)頻率合成器AD9959產(chǎn)生頻率范圍在20 MHz～140 MHz的步進(jìn)本振信號(hào)，與CO混頻后，產(chǎn)生射頻信號(hào)，經(jīng)PA(功率放大器)放大，通過天線發(fā)射出去。接收到的回波信號(hào)經(jīng)LNA(低噪聲放大器)放大，與步進(jìn)本振混頻，得到IF(中頻信號(hào))。IF信號(hào)經(jīng)帶通濾波和放大后，與CO進(jìn)行相干檢波，得到I、Q信號(hào)。I、Q信號(hào)分別經(jīng)濾波后，送入A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)USB接口送給PC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理工作。在雷達(dá)系統(tǒng)中，由單片機(jī)和CPLD(復(fù)雜可編程邏輯控制器)完成系統(tǒng)的控制和產(chǎn)生各種時(shí)序。
　　為了校正系統(tǒng)在各個(gè)頻點(diǎn)的相位初值，系統(tǒng)要進(jìn)行校正。用同軸電纜和衰減器將系統(tǒng)的發(fā)射和接收端口連接起來，可以進(jìn)行系統(tǒng)的校正工作。 2 AD9959工作原理、特性和應(yīng)用

　　2.1 AD9959的工作原理和特性

　　高性能DDS芯片AD9959是美國AD公司采用先進(jìn)的DDS技術(shù)生產(chǎn)的4通道、10位D／A轉(zhuǎn)換器、最高時(shí)鐘為500 MHz的高集成度頻率合成器，可方便快速地產(chǎn)生線性調(diào)頻、單頻脈沖及步進(jìn)頻率信號(hào)。AD9959允許對4個(gè)內(nèi)部同步輸出通道獨(dú)立編程，能夠?qū)Χ嗤ǖ佬盘?hào)之間的不平衡提供有效的校正控制，通過一個(gè)公用參考時(shí)鐘內(nèi)部同步其獨(dú)立的通道，每通道功耗小于165 mW?？删幊痰耐ǖ揽刂瓶梢詫τ捎谀M處理(例如濾波、放大)或者PCB(印制電路板)布線的失配而產(chǎn)生的外部信號(hào)通道的不均衡進(jìn)行校正。如果需要增加通道，AD9959允許通過菊花鏈方式連接附加的DDS芯片。每個(gè)通道都含有一個(gè)高速10位D／A轉(zhuǎn)換器，每一個(gè)完全可獨(dú)立編程的通道都提供14位的相位偏移控制、32位頻率分辨率控制和10位幅度控制。器件還支持直接和線性掃描調(diào)制，同時(shí)可以達(dá)到大于65 dB的通道隔離度。集成的32位頻率控制字在采樣時(shí)鐘為500 MSPS(百次采樣每秒)時(shí)能夠使每個(gè)通道的分辨率設(shè)置到116 MHz或小于116 MHz。

　　AD9959的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

 
　　AD9959還有以下特性：內(nèi)置500MSPS時(shí)鐘下4通道DDS；增強(qiáng)性數(shù)據(jù)吞吐串行I／O口；雙重電源供給系統(tǒng)(DDS核心為1.8 V，串行I／O口為3.3 V)；可實(shí)現(xiàn)多片同步；可利用PLL(鎖相環(huán))4倍～20倍倍頻等。

　　DDS技術(shù)是一種用來從固定頻率時(shí)鐘源產(chǎn)生模擬輸出波形或者時(shí)鐘信號(hào)的數(shù)字技術(shù)。ADI公司完整的DDS解決方案在從測試和測量設(shè)備到無線和衛(wèi)星通信等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，它使用一個(gè)內(nèi)置高性能D／A轉(zhuǎn)換器以將參考頻率轉(zhuǎn)換成受極精細(xì)頻率控制的采樣正弦波。DDS器件正在逐漸成為一種非常吸引人的取代傳統(tǒng)的跳模擬合成器解決方案，因其能提供相當(dāng)大的性能優(yōu)勢，例如具有無與倫比的輸出匹配，容易合成正交和其相位關(guān)系的輸入信號(hào)，以及非?？焖俚念l率轉(zhuǎn)變。數(shù)字控制不再需要手動(dòng)系統(tǒng)調(diào)整，從而能夠很方便地提供輸出頻率。

　　2.2 AD9959在超寬帶步進(jìn)頻率探地雷達(dá)中的應(yīng)用

　　AD9959適合要求高達(dá)200 MHz的復(fù)雜高速頻率合成的應(yīng)用，包括相位陣列雷達(dá)和聲納系統(tǒng)、自動(dòng)測試設(shè)備、醫(yī)學(xué)成像和光通信系統(tǒng)。

　　步進(jìn)頻率產(chǎn)生模塊主要由DDS和相應(yīng)的外圍電路組成如圖5所示。

　　DDS選用ADI的AD9959芯片，時(shí)鐘采用20 MHz的晶振，在DDS內(nèi)部倍頻到400 MHz。在以C8051F系列單片機(jī)及CPLD為核心的主控模塊的控制下，產(chǎn)生20 MHz～140 MHz的步進(jìn)本振信號(hào)。同時(shí)，相干振蕩器產(chǎn)生10.7 MHz的點(diǎn)頻信號(hào)，該信號(hào)與步進(jìn)本振進(jìn)行相干調(diào)制，可以產(chǎn)生30 MHz～150 MHz的射頻信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了超寬帶步進(jìn)頻率探地雷達(dá)中步進(jìn)頻率源的設(shè)計(jì)。其中軟件編程的主要工作是按照一定的要求計(jì)算頻率控制字，并將其送到AD9959的頻率控制字寄存器中。以AD9959為核心的步進(jìn)頻率產(chǎn)生模塊根據(jù)其頻率控制字寄存器中的頻率控制字，就可以生成相應(yīng)的波形。 

　　3結(jié)束語

　　DDS是一種用來從固定頻率時(shí)鐘源產(chǎn)生模擬輸出波形或者時(shí)鐘信號(hào)的數(shù)字技術(shù)，AD9959適合要求高達(dá)200 MHz的復(fù)雜高速頻率合成的應(yīng)用，包括超寬帶步進(jìn)頻率雷達(dá)、相位陣列雷達(dá)和光通信系統(tǒng)。AD9959集成了D／A轉(zhuǎn)換、SPI和CP，具有頻率轉(zhuǎn)換時(shí)問短、輸出頻帶寬的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足對低相位噪聲、低雜散噪聲、快速頻率切換以及寬帶線性掃描的要求，還可以應(yīng)用到跳頻通信中。采用該芯片設(shè)計(jì)的信號(hào)源結(jié)構(gòu)簡單、功能強(qiáng)大、抗干擾性優(yōu)越，具有良好的性價(jià)比。