基于FPGA的多体制雷达信号源的设计

随着雷达技术的发展，出现了多种体制的雷达，比如脉冲多普勒雷达、SAR、相控阵雷达先进，虽然这些雷达的功能不同，但是为了提作用距离和距离向上的分辨率，都彩了大时宽积信号。  

    在雷达信号源设计领域，DDS技术和器件已经得到了很大的发展，相应的出现了很多性能优异的DDS器件，本文旨在介绍一种基于ADI公司的AD9959设计的新型多体制的雷达信号源设计方法，该器件具有稳定度高，相位、频率和幅度调整灵活，能够同时产生4路相关信号，信号形式可以任意设定的特点，这些优异的性能在雷达信号源的研制方面都表现出了良好的应用前景。     

    2 系统硬件设计  

    本文设计的多体制雷达信号源是以ADI公司的AD9959为核心，结合FPGA控制电路、信号放大电路构成的。信号参数由主控计算机通过串口进行发送，并同FPGA进行接收，从而控制AD9959完成相应的信号输出。由于在雷达的实际发射过程中，大部分采用的是大时宽带宽的脉冲信号，因此在系统硬件设计的架构中，FPGA还完成了一定的脉冲输出功能，对AD9959输出的连续波信号进行脉冲调制，从而达到输出雷达脉冲信号的能力，而输出的中频信号经过混频电路就可以达到雷达发射所需要的频段。     

    2.1 AD9959芯片简介 

    AD9959是一款性能优异的DDS芯片，主要体现在以下几个方面：  

    4路同步输出通道； 

    各个通道有独立的频率/相位/幅度控制功能； 

    超强的通道之间隔离度(>65 dB)； 

    线性频率/相位/幅度扫描能力； 

    能够达到16级的频率/相位/幅度调制能力； 

    可通过硬件/软件控制节电模式。 

    AD9959通过串行I/O提供了多种配置功能，基于这种串行I/O提供的一种SPI模式，同以往的ADI的DDS器件是兼容的。同时，器件采用先进的设计技术，使器件不仅具有优异的性能，而且又具有低功耗的特点。器件集成了具有突出的宽带和窄带SFDR特性的4路高速10位DACs。每一个通道，都具有32位频率控制字，14位相位控制字，10位输出幅度控制字。REF CLK最高可以达到500 M/s，PLL倍频器可以通过软件编程在4～20之间设定。正因为AD9959具有能够输出多通道相关信号的能力，所以AD9959可以广泛地应用于各种场合。 

    2.2 系统构成 

    用户通过计算机将所产生信号的参数传送给FPGA，FPGA接收到相应的参数后，控制AD9959输出相应的雷达信号，由于AD9959输出信号是差分电流信号，因此在系统设计时，采用1：1传输变压器将差分的电流信号转化为单端的电压信号，同时为了提高系统的输出驱动能力，在变压器后面进行了信号放大，系统框图如图1所示。

2.3 系统通信接口及协议 

    系统主要是由FPGA向AD9959发送命令，从而输出相应的信号，对于AD9959的控制主要是通过串行总线SCLK和SDIO来实现的，其中SCLK的最大时钟速度可以达到200 MHz，AD9959可以通过SDIO的4根数据线(SDIO 0～SDIO 3)同时进行数据传输，从而可以使数据吞吐量变为800 Mb/s，以前ADI公司的DDS产品有并行和串行两种控制模式，比如AD9850，而AD9959这种SPI控制模式，无疑是更加简洁，对于用户控制而言也更加方便。AD9959有4种串行控制传输模式，分别是Single-Bit Serial(2 and 3-wire)Modes，2-Bit Serial Mode，4-Bit SerialMode。AD9959四个输出通道共享寄存器0x03～0x18，这种寄存器地址共享模式，能够使4个通道同时写入控制字。例如要使AD9959的4个通道都输出某个频率，只需要通过串行总线向AD9959写入一次即可。如果使4个通道互相独立操作，可以通过通道选择寄存器(CSR)进行选择。 

    AD9959的串行工作模式都工作于寄存器级传输，而不是字节级传输。但是AD9959提供的SYNC I/O功能可以中断I/O操作，这种模式可以使寄存器的某个字节进行设置，从而减少了设置时间。所有指令都是在SCLK的上升沿写入，而在SCLK的下降沿读出的。在本文所设计的雷达信号源中，对于AD9959的控制模式采用了Single--Bit Serial 2-wire Mode，在这种工作模式下，AD9959使用SDIO 0作为数据传输管脚，要使AD9959工作于这种模式，可以将CSR寄存器中的CSR<2：1>设置为00即可。在Single-Bit Serial 2-wire Mode传输模式下，支持MSB优先和LSB优先两种模式。 

    系统通过FPGA对AD9959进行操作，主要分为两个阶段，第一个阶段为指令周期，在这个阶段把指令写入到AD9959中，在SCLK的每个上升沿写入一个比特，并且这个指令字节规定了将要进行的传输到底是读操作还是写操作，同时包含了寄存器地址；第二个阶段为数据传送周期，主要传送波形参数的控制字。  

    图中完成的时序逻辑控制主要由FPGA来实现，具体的信号参数是通过上位机通过串口发送给FPGA，因此FPGA还完成了串口收发功能，通过串口，系统主控制器(FPGA)不仅可以完成对上位机命令参数的接收，将信号各项参数写入到AD9959中，同时还可以将AD9959内部状态信息读出并且通过串口上传到计算机。     
3 系统软件设计 
    3.1 FPGA程序设计 

    在本文所设计的雷达信号源中，采用了XINUNXSpartan-3系列FPGA，型号为XC23S1000，他具有106个逻辑门，Distributed RAM共120 kb，Block RAM共432 kb，还具有4个DCM单元，最大可用I/O391个。由于系统采用FPGA作为核心控制器件，因此具有很好的扩展性，当对系统的参数发生改变时，只需要对FPGA内部程序加以修改即可。而不用进行硬件的改动，正因为FP-GA具有这样的优势，因此使本系统具有很好的灵活性。 

    通过对FPGA编程，主要完成了对AD9959控制功能和串口收发功能。AD9959内部集成了4个DDS内核，每个DDS内核都集成了32-b的相位累加器和相位一幅度转换器。每路DDS输出的信号频率可以通过下式来计算：

其中，fs表示系统采样时钟，FTW表示频率控制字，fo表示DDS输出信号频率。由于在雷达信号源中，线性调频信号是常用的信号形式，因此这里主要以线形调频信号作参考。FPGA可以向AD9959发送控制字，从而可以控制输出信号的起始频率、调频斜率系数、截止频率等。FPGA控制AD9959写入指令的时序逻辑图如图2所示。 

     FPGA在系统中不仅完成了控制AD9959的功能，同时还完成符合RS232协议的串口数据的传送功能，UART功能都采用Verilog HDL语言描述，这样使系统更加紧凑、小巧。    

     3．2 PC机程序设计 

     PC机软件主要完成用户参数的输入并且将数据通过RS232串口发送到FPGA，程序采用C编写，界面上可以输入生成雷达信号的各种参数，比如信号频率、起始频率、截止频率、调频斜率，由于AD9959可以生成FSK，PSK，ASK多种体制信号，用户还可通过下拉列表选择信号样式。系统控制软件界百如图3所示。

软件中利Visual Studio.NET中提供的串行通信控件Activex来实现串行数据通信功能，软件的程序流程如图4所示。

4 结 语 

     系统采用FPGA作为核心控制器，不仅完成了对AD9959的控制功能，同时还完成了串行数据传输功能，使电路设计更加简洁并具有很好的扩展性，在系统升级过程中，不必改动硬件设计，只需要将FPGA内部程序进行修改即可完成新的功能。 

     本文所设计的雷达信号源已经在实际工作中得到很好的应用，系统可以同时输出4路相参的信号，频率范围为10～150 MHz，每路输出可以单独控制也可以整体控制，用户可以通过PC机对系统输出的信号参数、样式进行没定，从而可以很方便地输出相应的雷达信号。系统具有很强的实用性、灵活性和可扩展性，在实际工作中取得了很好的效果，具有良好的应用前景。