基于高性能DDS芯片AD9959的超寬帶步進頻率探地雷達設計

　　0 引 言

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

　　隨著雷達技術的迅速發(fā)展，人們對雷達信號的要求也越來越高。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。滿足這種需求除了靠產生復雜的雷達波形外，還需要在雷達系統(tǒng)中應用高性能的器件。

　　直接數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：高頻率分辨率、高頻率切換速度、頻率切換時相位保持連續(xù)、超寬的頻率范圍、能實現各種調制波和任意波形的產生以及易于實現全數字化的設計等。AD9959是一款高性能DDS(直接數字頻率合成器)芯片，可方便快速地產生線性調頻、單頻脈沖及步進頻率信號，其工作頻率高達500 MHz，雜散性能指標更高于以前的產品。

　　1系統(tǒng)組成及工作原理

　　1.1探地雷達探測原理

　　GPR(探地雷達)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，雷達波在地下介質中傳播時，遇到存在電性差異的地下介質或目標體時，電磁波便發(fā)生反射，根據接收天線接收到回波的波形、強度、電性及幾何形態(tài)進行處理、分析，從而達到對地下目標體的探測，如圖1所示。目前使用較多的是無載頻脈沖體制(Impulse)、FMCW(調頻連續(xù)波)及SFCW(步進頻率連續(xù)波)體制。

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

　　一個脈沖幀中第n個脈沖的信號頻率可以表示為：

　　式中：f0為射頻，也是起始頻率；τ為每個脈沖的脈寬，T為脈間間隔，可根據模糊距離調整。

　　N個脈沖組成一脈沖幀。幀時間即發(fā)射N個脈沖的時間，又稱為CPI(相關處理間隔)。這種信號的有效帶寬為Beff≡N△f，由于通常要求△f≤1／τ，因此，提高信號有效帶寬可以通過加大N。相應的信號是Acos 2π(f0+n△f)t。假設信號在均勻介質中傳播的速度為v，一個距離R的點目標回波可表示為WR
　　式(4)符號后第1項是常相移項，沒有意義，第2項是頻率變化率△f／T和雙程時差的乘積。這樣距離轉換成頻移，因此，可以通過頻率分辨達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。這就是步進頻率連續(xù)波體制雷達的工作原理。

　　1.2系統(tǒng)總體方案設計

　　系統(tǒng)采用外差式結構，設計系統(tǒng)總體框圖如圖3所示。

　　CO(相干振蕩器)是一個10.7 MHz的點頻源。步進頻率合成器AD9959產生頻率范圍在20 MHz～140 MHz的步進本振信號，與CO混頻后，產生射頻信號，經PA(功率放大器)放大，通過天線發(fā)射出去。接收到的回波信號經LNA(低噪聲放大器)放大，與步進本振混頻，得到IF(中頻信號)。IF信號經帶通濾波和放大后，與CO進行相干檢波，得到I、Q信號。I、Q信號分別經濾波后，送入A／D轉換器進行數據采集，所采集的數據經USB接口送給PC進行數據處理工作。在雷達系統(tǒng)中，由單片機和CPLD(復雜可編程邏輯控制器)完成系統(tǒng)的控制和產生各種時序。
　　為了校正系統(tǒng)在各個頻點的相位初值，系統(tǒng)要進行校正。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，可以進行系統(tǒng)的校正工作。 2 AD9959工作原理、特性和應用

　　2.1 AD9959的工作原理和特性

　　高性能DDS芯片AD9959是美國AD公司采用先進的DDS技術生產的4通道、10位D／A轉換器、最高時鐘為500 MHz的高集成度頻率合成器，可方便快速地產生線性調頻、單頻脈沖及步進頻率信號。AD9959允許對4個內部同步輸出通道獨立編程，能夠對多通道信號之間的不平衡提供有效的校正控制，通過一個公用參考時鐘內部同步其獨立的通道，每通道功耗小于165 mW。可編程的通道控制可以對由于模擬處理(例如濾波、放大)或者PCB(印制電路板)布線的失配而產生的外部信號通道的不均衡進行校正。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。每個通道都含有一個高速10位D／A轉換器，每一個完全可獨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制，同時可以達到大于65 dB的通道隔離度。集成的32位頻率控制字在采樣時鐘為500 MSPS(百次采樣每秒)時能夠使每個通道的分辨率設置到116 MHz或小于116 MHz。

　　AD9959的內部結構如圖4所示。

 
　　AD9959還有以下特性：內置500MSPS時鐘下4通道DDS；增強性數據吞吐串行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)；可實現多片同步；可利用PLL(鎖相環(huán))4倍～20倍倍頻等。

　　DDS技術是一種用來從固定頻率時鐘源產生模擬輸出波形或者時鐘信號的數字技術。ADI公司完整的DDS解決方案在從測試和測量設備到無線和衛(wèi)星通信等領域得到了廣泛的應用，它使用一個內置高性能D／A轉換器以將參考頻率轉換成受極精細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系的輸入信號，以及非?？焖俚念l率轉變。數字控制不再需要手動系統(tǒng)調整，從而能夠很方便地提供輸出頻率。

　　2.2 AD9959在超寬帶步進頻率探地雷達中的應用

　　AD9959適合要求高達200 MHz的復雜高速頻率合成的應用，包括相位陣列雷達和聲納系統(tǒng)、自動測試設備、醫(yī)學成像和光通信系統(tǒng)。

　　步進頻率產生模塊主要由DDS和相應的外圍電路組成如圖5所示。

　　DDS選用ADI的AD9959芯片，時鐘采用20 MHz的晶振，在DDS內部倍頻到400 MHz。在以C8051F系列單片機及CPLD為核心的主控模塊的控制下，產生20 MHz～140 MHz的步進本振信號。同時，相干振蕩器產生10.7 MHz的點頻信號，該信號與步進本振進行相干調制，可以產生30 MHz～150 MHz的射頻信號，從而實現了超寬帶步進頻率探地雷達中步進頻率源的設計。其中軟件編程的主要工作是按照一定的要求計算頻率控制字，并將其送到AD9959的頻率控制字寄存器中。以AD9959為核心的步進頻率產生模塊根據其頻率控制字寄存器中的頻率控制字，就可以生成相應的波形。 

　　3結束語

　　DDS是一種用來從固定頻率時鐘源產生模擬輸出波形或者時鐘信號的數字技術，AD9959適合要求高達200 MHz的復雜高速頻率合成的應用，包括超寬帶步進頻率雷達、相位陣列雷達和光通信系統(tǒng)。AD9959集成了D／A轉換、SPI和CP，具有頻率轉換時問短、輸出頻帶寬的優(yōu)點，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，還可以應用到跳頻通信中。采用該芯片設計的信號源結構簡單、功能強大、抗干擾性優(yōu)越，具有良好的性價比。