应用于数字阵列的多通道波形产生系统设计

摘要：直接数字频率合成(DDS)是数字阵列雷达(DAR)实现收发数字波束形成的关键技术之一。给出了一种基于DDS技术的多通道波形产生系统的设计方案，该方案在25 cm×12 cm的PCB板上实现了波形产生、波形捷变与幅相控制的系统集成设计。该系统能同时产生16路频率、幅度和相位独立控制的中频雷达信号，满足数字阵列雷达对收发阵列单元的高集成度、小型化、低成本和多功能的要求；系统实现的主要技术指标为；信号带宽1～1 20 MHz可变，通道隔离度大于60 dBc，窄带脉内信噪比大于65 dBc，满足数字阵列雷达技术指标的要求。
关键词：数字阵列雷达；波形产生；直接数字频率合成；小型化

0 引言
数字阵列雷达(Digital Array Radar，DAR)在接收和发射模式下均采用数字波束形成(Digital Beam Forming，DBF)，实现射频信号功率在空域灵活分配与接收，获得优良的收发波束特性，从而提升了雷达系统的多项性能，是雷达重要发展趋势之一。在数字阵列雷达中，直接数字频率合成(Direct Digital Synthesizer，DDS)是实现雷达波形产生与发射波束控制的最常用的方案之一。基于DDS技术的多通道波形产生系统不仅可以方便地产生各种雷达波形，还可以在数字域灵活地对阵列天线进行相位和幅度加权，实现发射波束的快速、高精度控制，从而实现雷达波形产生、波形捷变与幅相控制的一体化设计。
1995年，Adrian Garrod提出了数字T／R组件的基本概念，研制了13单元收发全DBF相控阵雷达实验系统，该系统采用DDS技术实现了波形产生系统，其信号样式为线性调频，瞬时带宽小于1 MHz；林肯实验室于2003年完成了一个S波段宽带数字阵列试验系统，该系统采用DDS技术产生线性调频信号，拥有宽带(500 MHz)和窄带(10 MHz)两种工作方式；文献也介绍了多种采用DDS技术实现波形产生与发射DBF控制的数字阵列系统。上述文献介绍的大都是应用于DAR实验验证系统中的波形产生系统，其系统结构较为复杂，系统集成度较低，成本较高；而数字阵列雷达发展尤其是大规模数字阵列的兴起，对阵列单元的集成度、体积、成本和功能多样化等方面提出了进一步的要求。本文介绍了一种基于DDS技术的多通道、小型化、低成本的波形产生系统的设计，该系统在25 cm×12 cm的PCB板上实现了16通道波形产生、波形捷变与幅相控制的一体化设计，能同时产生16路频率、幅度和相位独立控制的中频雷达信号，信号带宽1～120 MHz可变，通道隔离度大于60 dBc，该系统已成功应用于某数字阵列雷达。

1 数字波形产生原理与幅相控制方法
应用于雷达波形产生的DDS技术主要分为基于存储器的直接数字波形合成(Direct Digital WaveformSynthesizer，DDWS)和基于累加器的直接数字频率合成(Direct Digital Frequency Synthesizer，DDFS)两类。DDWS技术是根据高速采样时钟，直接读取预先存储在高速存储器中的数字波形，进行数／模转换获得所需模拟波形，其特点是简单灵活，只要存储器时钟足够高，叮以获得超宽带LFM信号，不足之处在于需要大容量存储器，系统结构较为复杂。DDFS技术是通过相位累加器得到当前相位值，然后利用该值寻址ROM查找表，读出相应的信号幅值，最后经数／模变换获得模拟波形，其特点是频率分辨率高、波形参数控制灵活，不足之处在于限于DDS器件的水平其时钟频率不够高，难以产生超宽带波形。
对于大规模数字阵列，高集成度、小型化、低成本是系统设计的关键问题之一。随着数字集成电路的发展，DDFS芯片集成度和时钟频率进一步提高，尤其是单芯片多通道DDFS芯片的出现，给实现高集成度、小型化、低成本的阵列雷达多通道波形产生系统提供了便利。针对实际数字阵列系统指标要求产生中心频率为140 MHz，带宽为1～120 MHz的线性调频，设计中采用DDFS技术实现多通道波形产生是最优的方案。
图1给出了一种适用于数字阵列雷达基于DDFS技术的雷达波形产生系统原理框图，DDS核中的相位累加器完成调相功能，而频率累加器和相位累加器两级串联结构完成调频功能，正弦查找表后的乘法器则完成对波形信号幅度的控制，于是实现了阵列雷达的波形产生、波形捷变和幅相控制的一体化设计。

2 多通道波形产生的实现
2．1 多通道波形产生系统结构与硬件设计
根据上文的分析，采用DDFS技术来实现该多通道波形产生系统，考虑到系统指标实现和成本要求，选用ADI公司的四通道高集成度DDS芯片AD9959作为系统的核心芯片，该芯片最高时钟频率达到500 MHz，包含了四路频率、相位和幅度独立可控的DDS核，DDS核的内部结构与图1所示的原理框图一致。设计中采用了4片AD9959芯片，配以外围逻辑电路、转换电路，在单块PCB板上实现了16通道独立可控的中频雷达信号的系统集成设计，系统结构框图如图2所示。AD9959时钟频率选为480 MHz，FPGA的同步时钟为60 MHz；采用三片FPGA组成逻辑控制电路，完成对AD9959的初始化配置，对波形控制系统送来的控制码进行译码，并行计算十六路DDS通道波形的频率、幅度、相位等控制参数，转化为DDS寄存器控制码，完成对16个通道相应寄存器的读写操作。这样，利用AD9959的频率和幅相控制功能，在完成数字波形信号产生的同时，对数字阵列的每个发射单元波形的频率、相位和幅度进行独立控制，该数字信号经D／A变换成模拟中频信号，然后由线性上变频通道完成发射频率扩展形成射频信号，最后射频信号经天线辐射单元实现发射DBF。