基于AD9957的多波形雷达信号产生器

基于AD9957的多波形雷达信号产生器

作者：曹 义, 张春荣, 李 辉

来源：《现代电子技术》2010年第13期

摘 要:介绍一种以数字正交上变频芯片AD9957为核心器件,通过现场可编程门阵列(FPGA)对其进行配置的多波形雷达信号产生器。该信号产生器通过计算机RS 232串口对AD9957的工作参数进行设置,从而实时产生不同时宽和带宽的线性调频、非线性调频信号和相位编码等信号。该系统的软件由Matlab和Quartus Ⅱ共同开发,不仅用户界面友好,而且便于维护和复杂功能的扩充,具有较强的可移植性。实验结果表明,该系统完全达到了设计要求,性能优良。 关键词:数字正交上变频; 现场可编程门阵列; AD9957; 雷达信号产生器 中图分类号:TN95 文献标识码:A 文章编号:1004-373X(2010)13-0039-03

Multi-waveform Radar Signal Generator Based on AD9957 CAO Yi, ZHANG Chun-rong, LI Hui

(Xi’an Electronic Engineering Research Institute, Xi’an 710100, China)

Abstract: A multi-waveform radar signal generator is introduced, which uses AD9957 as the core device and is based on RS 232 serial port, FPGA and DDS technology. The generator can generate different bandwidth signals such as linear frequency modulation signal (LFM), nonlinear frequency modulation signal(NLFM), and phase encoding signal in real-time. The system software is developed on the platform of Matlab and Quartus Ⅱ. The user interface is friendly, the system is facile to

maintain and expand the complex function. The experimental results show that the system can meet the design requirements.

Keywords: quadrature digital up-conversion; FPGA; AD9957; radar signal generator 0 引 言

自1971年J.Tierney和C.M.Tader 等人首次提出了DDS的概念[1],作为一种先进的信号产生技术,经过近40年的发展已经广泛应用于信号源仪器、测量分析仪器、通讯、数字信号处理、工业控制,软件无线电等领域。目前国内外有关雷达信号产生研究的报道很多,国外的研究做得比较全面:多采用软硬件相结合的设计方式,系统灵活,并满足信号实时输出的要求[2];设计上采用微处理器和DSP技术提高了系统的性能;采用工业标准的总线结构以及模块化设计使系统具有良好的通用性、兼容性和可扩充性。

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本文讨论的基于AD9957的多波形雷达信号产生器实现方案,融合了RS 232串口通信、FPGA和DDS等多种技术,具有数字化、多功能和可编程的特点,并在模块化设计方面做了一些探索和尝试性研究。 1 整体方案设计

图1为多波形雷达信号产生器的总体结构框图。系统主要由PC软件,波形控制和波形产生三部分构成。图1中各部分电路简介如下。

(1) PC软件编程。应用VC编写人机交互界面,并用其调用Matlab产生的数据。 图1 多波形雷达信号产生器的总体结构框图

(2) 复位电路。波形产生器的上电复位或手动复位电路,对波形产生器进行上电初始化或手动初始化。

(3) 波形数据库内存 RAM。波形数据库内存存储项目要求的所有波形数据,为波形发生器提供需要的波形数据。

(4) UART收发器。完成PC与FPGA之间的通信。

(5) 电源电路。为波形产生器、波形控制模块提供需要的电源。

(6) 波形控制模块。波形控制模块接收从接口电路输入的控制信号,按照系统的要求,完成对波形发生器的波形数据配置,输出需要的波形信号。

(7) 波形发生器。波形发生器是信号产生器的波形信号源。

(8) FPGA 器件配置与编程电路。FPGA 器件配置与编程完成对FPGA器件的数据编程与配置。

(9) 时钟电路。为波形产生器和FPGA提供工作时钟。 2 主要功能模块介绍

2.1 数字正交上变频芯片AD9957介绍

AD9957是美国AD公司(Analog Devices Inc.)生产的具有18位I,Q数据和通路,内置14位数/模转换器的数字正交上变频集成电路。AD9957具有32位相位累加器;内置1 024×32 b RAM,可实现内部调制功能;内部采用

和

供电,超低功耗;内置的低噪声参考时钟倍频器

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允许用低成本、低频外部时钟作为系统时钟,同时仍可提供优良的动态性能。AD9957有工作模式:正交调制模式、单频输出模式、插值DAC模式。 2.2 UART收发器设计

本文中PC与FPGA内部RAM间的通信是通过UART收发器完成的[5]。图2为通过FPGA设计的UART收发器的顶层原理图,主要由uartrx(接收模块)和uarttx(发射模块)两部分构成。在完成数据传输的同时还可以通过集成到Matlab人机界面中的串口调试程序查看FPGA接收到的数据的正确性,可以简化程序调试过程。 图2 UART收发器 2.3 波形控制模块

目前波形控制器通常采用单片机、现场可编程门阵列器件和DSP三种方法来实现。基于系统时序控制要求、电路改动与运行可靠性、开发成本及周期等多个方面综合考虑,在设计中选择FPGA来实现波形控制电路[6]。FPGA不仅可以解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性等问题,而且其开发周期短、开发软件投入少、可重复编程使用。图3为AD9957的波形控制模块。其中M1和M0是模式控制码,F[2..0]是工作区选择码,S_CLK为串口时钟,S_DATA为串口数据。图4为AD9957控制模块仿真时序图,从图中可以看出的。

图3 AD9957波形控制模块 图4 AD9957控制模块仿真时序图 3 软件模块化设计 3.1 设计流程

图5所示为目前大多采用的DDS设计流程[7],首先要根据系统要求进行波形数据设计,并将其以某种格式储存成文件,随后用FPGA设计软件(Quartus等)进行RAM设计,RAM的对应数据指定为设计的波形数据文件[8],最后利用逻辑将数据配置到DDS中。如若需要修改波形数据,就需要将上述步骤进行一次,如若多次修改,是比较繁琐的。 图5 目前DDS设计中大多采用的设计流程

图6所示为本设计中采用的基带波形数据产生流程,通过在软件界面中输入波形参数,采样率等数据,通过软件算法,产生数据并将据送入FPGA内置的RAM中,在FPGA 输入控制信号的控制下,将采样数据送入DDS芯片中。

和S_CLK是一一对应

种

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图6 本设计采用的基带波形数据产生流程 3.2 PC软件

PC机应用软件完成所有与波形数据相关的运算以及与硬件的数据通信功能,如图7所示为基于Matlab GUI的应用软件界面界面部分[9-10],其包含以下一些功能:

(1) 波形数据的产生。对指定的波形形式、脉宽、带宽等参数的信号进行仿真,包括时域波形数据的运算和频谱分析、显示,并保存数据。目前可生成LFM,NFLM,相位编码和三角波的信号形式,如需要可添加任意波形。

(2) 计算机数据通信。通过计算机串行口连接系统主板以实现基于RS 232接口的异步串行数据通信,接口简单,配置方便。目的是实现所需波形数据由计算机到波形产生硬件存储器的下载、校验。

(3) 用户软件界面。该界面可完成波形选择;时宽、带宽、采样率、中频频率设定;信号时域波形、频率-时间关系显示;基带采样数据生成、下载等功能。 (4) 可移植性。基于Matlab编译的人机界面的为C或高。

图7 基于Matlab基带信号产生器软件界面 4 实验结果

图8为AD9957工作在单频输出模式下,系统时钟1 GHz,0 dBm,输出185 MHz点频频谱,其杂散优于-。 图9为AD9957工作在正交调制模式下,带宽10 MHz,时宽20 μs非线型

调频信号频谱。由于篇幅所限,线性调频、相位编码等信号不在此一一列出。 图8 185 MHz点频频谱

图9 带宽10 MHz非线型调频频谱 5 结 语

该设计主要讨论一种基于DDS的雷达信号的实现方法,系统设计中将软件与硬件相结合,操作简便、灵活,并使软件具有一定的可移植性。Matlab的编程界面使得操作者能够方便快捷地修改数据。实验结果证明了基于AD9957的多波形雷达信号产生器实现方法的正确性。由于异步通信数据传输的低速率和FPGA内置ROM容量的有限性,因此如果在PC与RAM间要求更

文件可经Matlab编译器(compiler)转换

等不同类型的源代码,并再次基础上根据需要生成可独立运行的应用程序文件,

不需要Matlab环境的支持,大大扩展了程序的应用范围。同时对M文件编译后,运行速度大大提

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高速度的数据传输,可以考虑换用PCI总线或计算机网口传输;当需要大时宽信号或采样数据量很大,超出单片FPGA内部存储器容量,可换用大容量的芯片或外加存储设备。 参考文献

[1]TIERNEY J, RADER C, GOLD B. A digital frequency synthesi-zer[J]. IEEE Trans. Audio Elect. Roacoust, 1971,54 (19): 48-56.

[2]YU Xue-feng, DAI F F, IRWIN J D, et al. 12 GHz 1.9 W direct digital synthesizer MMIC implemented in 0.18 μm SiGe BiCMOS technology[ J] . IEEE Solid-State Circuits,2008,43(6):1 412-1 418.

[3]张春荣.某雷达频率综合器设计报告[R].西安:西安电子工程研究,2006.

[4]席安安,张春荣.DDS在复杂信号产生中的应用研究报告[R].西安:西安电子工程研究所,2007.

[5]刘福奇,刘波.Verilog HDL应用程序设计实例精讲[M].北京:电子工业出版社,2009. [6]史兴海,陈殿仁,赵爽,等.基于FPGA的高速DDS设计与仿真[J].长春理工大学学报,2009(1):85-87,164.

[7]周美丽,刘生春,白宗文.基于AD9957的双通道高速数字调制信号源设计[J].国外电子元器件,2007,15(7):39-41.

[8]于长军,龚勉.基于AD9957的三通道中频模拟信号源[J].雷达科学与技术,2009,8(4):301-304.

[9]陈超.Matlab 2008应用程序接口编程技术[M].北京:电子工业出版社,2009. [10]罗华飞.Matlab GUI设计学习手记[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009.