基于AD9854的非线性调频脉压雷达信号的产生技术
基于ad9854的非线性调频脉压雷达信号的产生技术
1 引言
虽然线性调频信号在提高雷达性能方面已经展现了显著的优势，但其脉冲压缩时会有较高的旁瓣，不便于邻近弱目标的检测。若采用失配加窗的方法抑制距离旁瓣，又会引起信噪比损失，降低雷达的距离分辨力。非线性调频信号因其固有的距离旁瓣较低，无需加权就可获得很高的主旁瓣比、较窄的主瓣宽度和良好的多普勒响应能力。另外，从雷达信号的低截获概率方面考虑，由于时宽带宽的平方根与截获因子成反比，脉冲压缩信号也是实现雷达低截获概率的主要技术措施之一，所以研究产生非线性调频信号具有重要的现实意义。采用现今流行的dds器件(ad9854)，做为主控制器件通过分段线性折线逼近法硬件，产生非线性调频信号。
2 基本原理
2．1 s型调频函数设计
非线性调频函数设计主要是s型调频函数的设计，其产生的主要方法是基于各种窗函数进行波形设计，常用的窗函数有海明窗(hamming)、汉宁窗(hanning)、余弦4次方窗，布莱克曼(blackman)窗等，这里采用海明窗设计。
利用相位逗留原理，海明窗的窗函数可得到信号的群延时为：
式中，k为常数，且满足为信号调频带宽。
式(1)求反函数，得到信号的调频函数f(t)=t-1(f)，因而相位函数为：
实际上，很难将式(1)的反函数写成解析形式，而只能得到其数值反函数，这样式(2)的连续积分变为数值积分，故非线性调频信号的产生则基于数值方法实现。
设置信号的各参数：时宽τ=20μs，带宽b=4 m，采样频率fs=2b，2(f)=0．54+0．46cos(2πf／b)，然后对信号脉压仿真，图1给出非线性调频信号不加窗和加窗后的脉压效果对经，可看出，非线性调频nlfm的脉压具有良好的旁瓣抑制，加窗后的脉压只比不加窗减少了约9 db。
2．2 dds原理
图2为dds的基本原理框图，它主要由标准参考频率源、相位累加器、波形存储器、数模转换器等组成。其中，参考频率源是一个高稳定的晶体振荡器，其输出信号用于dds中各部件同步工作。dds作为一种频率合成器，应用取样原理。即以较高的参考频率作为取样时钟，在时钟的每个周期内，希望输出得到频率波形取样值。输出取样值的大小由相位累加器输出的相位决定，而输出波形的频率由送入dds的频率控制字ftw决定。
3 硬件结构设计及软件实现
3．1 ad9854简介
ad9854数字合成器是采用先进的dds技术，并有2个内部高速、高性能的正交d／a转换器实现数字可编程的i和q路合成器功能。当ad9854作为精确的时钟源时，它能产生高稳定度，频率、相位、幅度均可编程的正弦和余弦输出且能用作一个灵活的本振，应用通信、雷达等领域。ad9854的高速dds内核提供了48位的频率分辨率(当sysclk为300 mhz时，调节分辨率1hz)，相位截断到17位，保证良好的sfdr。ad9854的电路结构允许产生频率达到150 mhz的正交输出信号，它能在高达100 mhz／s更新频率下进行数字调节。
3．2 硬件设计方案
信号产生系统硬件主要有ad9854，adsp21065l，带通滤波器，fpga噪声产生电路，dds输出中频信号增益控制，噪声信号相加电路，以及相关的时钟，电源，fpga控制等功能单元。dds模块主要由ad9854，adsp21065l和相应的fpga控制逻辑构成。adsp21065l根据fpga的控制时序来设置dds的工作方式和控制字。图3为信号产生系统的硬件逻辑框图。
具体模块功能说明：
(1)dds控制模块 adsp21065l外部输入20 mhz时钟，最高工作在60 mhz，主要控制ad9854，向ad9854写控制字，中断输入irq0～irq2接fpga，外部采用上拉电平。其中，一个作为雷达的重频周期信号，一个作为雷达波形的时序信号，而另一个保留。flag0～flag11是双向输入引脚，主要为ad9854产生3个控制信号，也可作为外部的输入控制信号，要求外部可控。adsp-21065l的外部供电电源为3．3 v，采用板上(reg1117)直流变换器实现。adsp21065l的加载采用eprom(27c512)方式，用jtag调试。fpga采用cyclone系列的ep1c3t144，主要产生各种控制信号和时序信号。fpga的输出信号有：输出 1路复位信号到dsp和ad9854，ad9854的控制信号cs、wr、upclk和f／b／h。20 mhz的dsp时钟信号和40 mhz的ad9854时钟信号。
(2)dds信号产生模块 dds ad9854的最高工作频率是300 mhz，它主要接收adsp-21065l的控制字，产生脉冲雷达波形。当外部输入40 mhz时，内部频率倍增器设置其工作频率为200 mhz。其工作电压3．3 v，也可由外部输入的直流电源经过本板的两片reg1117型dc-dc变换器变换得到。ad9854有5种可编程的工作模式，选择一种模式需要编程控制寄存器(并行地址1fh)中的mode0，mode1，mode2。5种可编程的工作模式为：单音调(模式000)；非斜升的fsk(模式001)；斜升fsk(模式010)；线性调频脉冲(模式011)；相位编码(模式100)。对于nlfm信号，采用线性调频折线逼近式实现，如图4所示。因此，将调频区域分为几段，每段用不同的线性调频逼近，即第一段更新频率字，后面每段起更新频率增量字，时间增量字就能实现折线型nlfm信号。
(3)电源模块 该信号产生模块的输入电源具有+5 v和-5 v，需要产生3.3 v，1．5 v，利用5片reg1117实现。其中1片为dsp，2片为ad9854，2片分别为fpga产生3．3 v和1．5 v。若其余的i／o设备也需使用3.3 v，则与fpga共用。
3．3 软件实现方法
在确定线性调频lfm信号或非线性调频nlfm信号的时频曲线后，根据信号的形式及附带参数，设置并实时控制dds等硬件产生所需的调频信号。通过分析可知ad9854具有线性调频产生模式，所以只需设置线性调频信号的其模式控制字、频率控制字、频率增量字、时间增量字，并在适当的时间停止输出，就可得到所需时宽的lfm信号。但对于nlfm，需要对其调频函数进行分段、逼近才能得到。常用的方法有阶梯形逼近和折线形逼近两种。在同样采样间隔条件下，折线形逼近的误差要小的多，因为根据曲线多项式展开拟合理论分析，折线形逼近的误差是二次项以上的成分，而阶梯形逼近的误差是一次项以上的成分。并且对于要产生的反s型nlfm信号，中间一段接近线性调频，所以只需对其两端细化处理，而中间部分线性处理，这样在尽可能少的分段情况下得到高精度的nlfm信号，减少频繁更新dds控制字而带来的更新延时。图5为理想信号脉压和近似信号脉压的对比。
4 结语
实验结果表明，近似后的信号主旁瓣比只降低5 db，完全可达到所需的性能指标。从器件的选取考虑，由于ad9854为并行数据操作，其速度远远高于串行操作，实现了更高频率变化的nlfm信号，同时，该器件具有48位的相位累加器字长，频率分辨率可达7．2x10-7hz，这是传统频率合成技术所难以实现的。
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2 基本原理
2．1 s型调频函数设计
非线性调频函数设计主要是s型调频函数的设计，其产生的主要方法是基于各种窗函数进行波形设计，常用的窗函数有海明窗(hamming)、汉宁窗(hanning)、余弦4次方窗，布莱克曼(blackman)窗等，这里采用海明窗设计。
利用相位逗留原理，海明窗的窗函数可得到信号的群延时为：
式中，k为常数，且满足为信号调频带宽。
式(1)求反函数，得到信号的调频函数f(t)=t-1(f)，因而相位函数为：
实际上，很难将式(1)的反函数写成解析形式，而只能得到其数值反函数，这样式(2)的连续积分变为数值积分，故非线性调频信号的产生则基于数值方法实现。
设置信号的各参数：时宽τ=20μs，带宽b=4 m，采样频率fs=2b，2(f)=0．54+0．46cos(2πf／b)，然后对信号脉压仿真，图1给出非线性调频信号不加窗和加窗后的脉压效果对经，可看出，非线性调频nlfm的脉压具有良好的旁瓣抑制，加窗后的脉压只比不加窗减少了约9 db。
2．2 dds原理
图2为dds的基本原理框图，它主要由标准参考频率源、相位累加器、波形存储器、数模转换器等组成。其中，参考频率源是一个高稳定的晶体振荡器，其输出信号用于dds中各部件同步工作。dds作为一种频率合成器，应用取样原理。即以较高的参考频率作为取样时钟，在时钟的每个周期内，希望输出得到频率波形取样值。输出取样值的大小由相位累加器输出的相位决定，而输出波形的频率由送入dds的频率控制字ftw决定。
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3．1 ad9854简介
ad9854数字合成器是采用先进的dds技术，并有2个内部高速、高性能的正交d／a转换器实现数字可编程的i和q路合成器功能。当ad9854作为精确的时钟源时，它能产生高稳定度，频率、相位、幅度均可编程的正弦和余弦输出且能用作一个灵活的本振，应用通信、雷达等领域。ad9854的高速dds内核提供了48位的频率分辨率(当sysclk为300 mhz时，调节分辨率1hz)，相位截断到17位，保证良好的sfdr。ad9854的电路结构允许产生频率达到150 mhz的正交输出信号，它能在高达100 mhz／s更新频率下进行数字调节。
3．2 硬件设计方案
信号产生系统硬件主要有ad9854，adsp21065l，带通滤波器，fpga噪声产生电路，dds输出中频信号增益控制，噪声信号相加电路，以及相关的时钟，电源，fpga控制等功能单元。dds模块主要由ad9854，adsp21065l和相应的fpga控制逻辑构成。adsp21065l根据fpga的控制时序来设置dds的工作方式和控制字。图3为信号产生系统的硬件逻辑框图。
具体模块功能说明：
(1)dds控制模块 adsp21065l外部输入20 mhz时钟，最高工作在60 mhz，主要控制ad9854，向ad9854写控制字，中断输入irq0～irq2接fpga，外部采用上拉电平。其中，一个作为雷达的重频周期信号，一个作为雷达波形的时序信号，而另一个保留。flag0～flag11是双向输入引脚，主要为ad9854产生3个控制信号，也可作为外部的输入控制信号，要求外部可控。adsp-21065l的外部供电电源为3．3 v，采用板上(reg1117)直流变换器实现。adsp21065l的加载采用eprom(27c512)方式，用jtag调试。fpga采用cyclone系列的ep1c3t144，主要产生各种控制信号和时序信号。fpga的输出信号有：输出 1路复位信号到dsp和ad9854，ad9854的控制信号cs、wr、upclk和f／b／h。20 mhz的dsp时钟信号和40 mhz的ad9854时钟信号。
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