基于AD9858的宽带雷达信号源设计与实现

摘要：给出一套宽带雷达信号源的设计方案，它由基带信号源和倍频链组成，产生中心频率为1 GHz，带宽为800 MHz的线性调频信号。基带信号源选用了AD公司高性能数字频率合成芯片AD9858，由FPGA实现加载DDS控制字，产生(200+50)MHz的基带信号。倍频链将基带信号进行上变频和倍频，可输出1 GHz±400 MHz的宽带雷达信号。经示波器和频谱仪测试显示，所设计的宽带雷达信号源满足设计要求。
关键词：宽带雷达信号源；数字频率合成；线性调频信号；基带信号源；倍频链；AD9858

0 引言
和窄带雷达相比，宽带雷达具有高的距离分辨率，可以获取更多、更详细的目标信息，从而更好的完成目标成像和识别。宽带雷达主要应用在合成孔径或逆合成孔径雷达成像中，宽带雷达信号处理理论和技术还不成熟。在宽带雷达背景下，目标在径向可分为多个距离单元，表现为多散射点模型。回波经过匹配滤波处理后形成一维距离像，对于运动目标而言，窄带雷达可以采用相参积累或非相参积累来提高信噪比，而宽带雷达在积累时间内多周期回波存在跨距离单元走动，在速度很高时，甚至在相邻周期内目标的运动都会跨越一个距离单元，这大大影响了积累的效果。在宽带雷达条件下，海杂波幅度概率密度函数有较长的尾部，偏离瑞利特性，常用对数正态分布、韦布尔分布和K分布来描述。
随着现代电子技术与雷达技术的发展，特别是脉冲压缩技术的广泛应用，对雷达信号源的要求在质量、频带宽度、频率捷变速度等方面上有了极大的提高。数字直接合成技术(Direct Digital Synthesis，DDS)和锁相环技术(Phase Locked Loop，PLL)是现代雷达信号合成采用的主要技术。数字直接合成技术虽然有全数字化结构、频率转换时间短、分辨率高、相位噪声低等优点，但仍存在着一些不足，主要是它的合成频率相对较低，这一点限制了其在应用上的范围。锁相环技术则具有频带宽、工作频率高、频谱质量好等优点，但是PLL在频率分辨率、建立时间等方面远不如DDS。
研究宽带雷达信号处理中存在的问题具有重要的理论和现实意义。对宽带雷达进行建模仿真，可以验证宽带雷达信号处理算法，但实测的宽带雷达回波数据更能直接体现、验证、证明其算法的正确性、有效性。由于美国AD公司(Analog Devices Inc)新推出的AD9858芯片是一款高性能DDS芯片，具有很宽的工作频带，输出频率范围可到400 MHz，完全满足雷达设计要求，因此在设计中采用AD9858芯片。
本文给出了产生中心频率为1 GHz，带宽为800 MHz的线性调频信号的雷达信号源的设计方案。

1 DDS性能分析
在现代电子技术的飞速发展过程中，频率合成大致经历了从直接模拟频率合成，到基于PLL的锁相式频率合成，再到DDS的三代发展。
直接模拟频率合成技术指的是通过能够实现混频、分频、倍频、差频等数学运算的模拟电路，使得一个或多个既有的参考频率合成所需要的频率。但是这项技术所需设备体积和功耗都比较大，尽管其频率转换时间快，因此在目前的电子技术发展趋势下，直接模拟频率合成已基本不被采用。
目前技术发展成熟，集成度较高，能够广泛运用于各种电路的设计中的是基于PLL的锁相式频率合成技术。该技术的优点在于具有很宽的输出频率范围，且抑制寄生输出噪声的能力很强，因而输出频谱的纯度很高，但它也存在频率切换的时间较长的缺点。
近十几年来，DDS技术得到了飞速的发展，它具有如下优点：相对带宽较宽；频率转换时间较短；频率分辨率较高；能够产生相位连续信号；可产生宽带正交信号及其他多种调制信号；可编程和全数字化、控制灵活方便；具有极高的性价比等。目前最常用的DDS实现方案有以下三种：高性能DDS芯片方案、低频正弦波DDS芯片方案、基于FPGA芯片方案。本文采用的是高性能DDS芯片AD9858方案。

2 宽带雷达信号源设计
微型宽带雷达实验系统发射1 GHz+400 MHz的线性调频信号，要求信号带外抑制不小于55 dB，杂散抑制不小于35 dBc。
本文采用DDS技术加上变频和倍频链方案产生发射信号，这样可以使倍频次数尽量减少，从而减少倍频引入的杂散。宽带信号源由基带信号源、上变频和倍频链组成，上变频采用改进型折叠吉尔伯特结构，转换增益约为8．5dB；倍频链采用三级倍频，输出功率大于等于13dBm。宽带信号源的结构框图如图1所示。

DDS是第三代频率合成技术，具有相对带宽宽、频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、高性价比等优点。随着现代集成电路的发展，高性能DDS芯片的工作时钟越来越高，输出带宽越来越宽。AD9858直接数字频率合成器的应用非常广泛灵活。它是由一个高效率的