基于PIC单片机控制雷达跳频系统设计

　　在研制雷达系统时,常常需要应用频率合成技术来实现跳频信号源。频率合成是指从一个高稳定的参考频率,经过各种技术处理,生成一系列稳定的频率输出?眼1?演。现在应用最广的是锁相环(PLL)频率合成技术,它是通过变化PLL中的分频比N来实现输出频率的跳频的,但无法避免缩短环路锁定时间与提高频率分辨率的矛盾,因此很难同时满足高速和高精确度的要求。直接数字式频率合成(DDS)是近年发展起来的一种新的频率合成技术。它将先进的数字处理理论与方法引入频率合成领域,是继直接频率合成(DS)和间接频率合成(IS)之后的第三代频率合成技术。DDS的优点是:相对带宽很宽,频率转换时间极短(ns级),频率分辨率很高(可达μHz),全数字化结构便于集成,输出相位连续,频率、相位和幅度均可实现程控。因此能够与计算机紧密结合在一起,充分发挥软件的作用。在实际应用中,可以采用单片机来代替计算机对DDS芯片进行控制,实现合成频率的输出。因此在很短的时间内,DDS得到了飞速的发展和广泛的应用[3]。

1 DDS的基本原理

DDS技术是一种把一系列数字量形式的信号通过DAC转换成模拟量形式的信号的合成技术。正弦输出的DDS的原理框图如图1所示。相位累加器在A位频率控制字FCW的控制下,以参考时钟频率fc为采样率,产生待合成信号相位的数字线性序列。将其高P位作为地址码,通过查询正弦表ROM,产生S位对应信号波形的数字序列S(n),再由数/模转换器(DAC)将其转化为阶梯模拟电压波形S(t),最后由低通滤波器LPF平滑为正弦波输出。

频率控制字FCW和时钟频率fc共同决定了DDS输出信号的频率f0,它们之间的关系满足:

　　所以,在DDS结构及fc确定的前提下,通过FCW的控制就可以方便地控制输出频率f0。其频率分辨率为:

　　按照Naquist准则,最高输出频率可达0.5fc。但考虑到实际低通滤波器的限制,最高输出频率一般为0.4fc。

　　由于DAC非线性作用的存在,使得查表所得的幅度序列从DAC的输入到输出要经过一个非线性过程。于是就会产生输出信号f0的谐波分量。又因为DDS是一个采样系统,所以这些谐波会以fc为周期搬移,即:

　　其中，u、v为任意整数。它们落到Nyquist带宽内就形成了有害的杂散频率,频率的位置可以确定,但幅度难以确定。所以在工程设计过程中要充分考虑输出频带,注意避免上述杂散分量落入其中,以此来获得较好的杂散指标。

2 DDS芯片介绍

　　DDS的诸多优点使它得到了非常广泛的应用。在数字调制方面,它可以用来实现FSK、QPSK、8PSK等调制。在雷达频率源方面,它可以实现多点、窄步长、高相噪的点频输出频率源以及线性调频输出频率源。在扩频通信方面,它可实现CDMA工作方式以及多种规律的跳频模式。

　　现在国外已经有非常成熟的DDS芯片。Qualcomm公司推出了DDS系列Q2220、Q2230、Q2334、Q2240、Q2368,其中Q2368的时钟频率为130MHz,分辨率为0.03Hz,杂散控制为-76dBc,变频时间为0.1μs;美国AD公司也相继推出了他们的DDS系列:AD9850、AD9851、可以实现线性调频的AD9852、两路正交输出的AD9854以及以DDS为核心的QPSK调制器AD9853、数字上变频器AD9856和AD9857。AD公司的产品全部内置了D/A变换器,称为Complete-DDS。其中AD9852时钟频率为300MHz,近端杂散抑制优于-80dBc,远端优于-48dBc,相位噪声为-148dB10kHzc/Hz@,频率跳变速度为130ns,频率分辨率为1μHz。

AD9852主要由48位的频率寄存器、48位相位累加器、正(余)弦查询表(带正交输出)、幅度调制寄存器、乘法器和12位D/A转换器构成。

　　AD9852可以实现单频、FSK、Chirp、FM Chirp、BPSK等多种输出形式。用其中的Chirp模式和FSK模式可以方便地实现跳频功能,满足雷达跳频系统的要求。使用时只要初始化DDS,设定跳频持续时间和跳频间隔时间即可实现自动跳频。这比以往的DDS芯片如AD9850要方便得多。

　　AD9852的管脚分为三部分:(1)数据及控制端口;(2)电源部分;(3)参考及输出部分。

　　由于AD9852是目前市场上性价比较高的DDS器件之一，而且AD9852具有线性调频功能,可以方便实现频率的跳变。所以在雷达跳频系统中最终采用了AD9852芯片。下面就该芯片的应用设计做一简要介绍[2]。

3 频率合成器的设计

　　要让AD9852工作,需要按下列流程初始化:

　　(1)数据在WR信号控制下从并行输入口D0～D1写入48位并行寄存器,或在SCLK控制下从串行输入口SDATA写入48位串行寄存器。

　　(2)对S/P SELECT置1或置0以决定输入数据是并行还是串行。1为并行,0为串行。

　　(3)AD9852芯片内部不带带通滤波器,所以外围电路中应该按实际工作需要外接带通滤波器,滤除不需要的频率分量[1]。

　　利用一片AD9852及简单的外围电路实现频率合成器的结构框图如图2所示。