ADI常用DDS的线性扫频特性比较研究

1 引 言

　　线性调频连续波(LFMCM)雷达具有不存在距离盲区、时带积大、发射功率低、截获率小、接收灵敏度高等优点，因而在汽车防撞、毫米波成像、探测埋地物件(地雷、管道等)、导弹末制导等领域发挥着越来越重要的作用。传统的LFMCM主要采用压控振荡器来实现，这种方法不能保证信号的高线性度。因此，现今愈来愈多地采用基于DDS的产生方法，其主要优势在于工作模式多、频率转换(扫频)时间快、频率分辨率高、输出相位可调。其劣势在于杂散较大，输出频率范围较低(一般小于系统时钟的1／3)。另一方面，受DDS输出频率范围的限制，往往需要对DDS的扫频输出频带进行扩展，扩展方法主要有直接倍频、多次上变频、DDS+PLL混合。

　　LFMCW信号的线性度特性对雷达的检测和测距性能具有直接影响，所以，如何提高扫频线性度是LFMCW雷达的一个重要课题。目前，一般扫频源(VCO)线性度为5％左右，改善扫频信号源的方法可分为开环补偿和闭环补偿。这两种方法一般可将线性度做到千分之几，现在被广泛使用的延时锁相法属于闭环补偿方案，其线性度可达到十万分之几。但对于要求比较严格的应用领域(如导弹末制导等)，这样
的线性度还不能满足要求。因此，要获得更高的线性度，DDS是首选，在一定条件下，它的线性度可达10-6。本文主要讨论了以ADI公司推出的AD985x和AD995x为代表的DDS的线性扫频特性。

　　2 扫频非线性度分析

　　LFMCW信号的射频输出可描述为一个理想线性扫频加上一个非线性频率误差，即

　　射频信号相对于带宽的扫频非线性定义为：

　　扫频偏离线性度定义为扫频非线性的最大差值的百分比

　　由图1可见，对于DDS扫频而言，i为扫频初始频率，B为扫频带宽，t为扫频时间，当向上扫频时t为tUP；当向下扫频时t为tDOWN。e(t)为非线性扫频误差，emax为最大非线性扫频误差。由图1不难发现：DDS扫频具有很强的规律性。DDS扫频实际上是DAC在起始频率和终止频率之间等间隔地输出频率，即输出频率等阶跃保持。ADI公司的DDS有两个扫频性能控制参数，一是频率步进，二是驻留时间(向上扫频和向下扫频可以有不同的频率步进和驻留时间)。对于DDS扫频而言，最小的非线性扫频误差 emin为零，最大的非线性扫频误差?emax为频率步进，不难明白，这里扫频偏离线性度和最大扫频非线性度是一致的，均为频率步进与扫频带宽的比值。

　　可见，DDS扫频非线性度与频率步进成正比。而且，扫频步进和驻留时间具有相互制约关系。当扫频带宽和扫频周期一定时，扫频步进越小．说明在扫频周期内扫完整个扫频带宽范围所需要的步子越多，需要的驻留时间越小。需要说明的是，扫频步进和驻留时间都受器件本身性能的制约，存在一个最小值。当扫频周期比较长时，扫频步进受器件本身扫频步进最小值的限制，驻留时间大于或等于器件本身最小驻留时间，即DDS扫频非线性度受器件本身扫频步进最小值的限制：当扫频周期比较短时，扫频步进受器件本身驻留时间最小值的限制，扫频步进大于或等于器件本身最小扫频步进，即DDS扫频非线性度受器件本身驻留时间最小值的限制。在一般的对扫频周期没有严格要求应用领域，应该尽量使扫频步进达到DDS器件本身的扫频步进最小值，从而使扫频非线性度最低(扫频驻留时间随扫频周期变化)。在导弹末制导等应用领域，由于扫频周期极短(μs量级)，而目前DDS的扫频驻留时间只能在ns量级，所以扫频线性度受扫频驻留时间的限制，不能达到DDS器件本身的扫频步进最小值，往往只能达到一个相对扫频步进最小值(在扫频驻留时间取最小值时得到)。

　　3 扫频参数计算

　　ADI公司推出的扫频DDS参数由式(5)决定

　　△=[DFTW／2N]×SYS_CLK (5)

　　其中，△为扫频步进，DFTW为扫频步进控制字，N为频率步进控制字的位数(见表1)，SYS_CLK为DDS的系统时钟；而扫频驻留时间△t为

　　△t=DSRR[1／SYNC_CLK] (6)

　　其中，DSRR为扫频驻留时间控制字，SYNC_CLK为同步时钟。因此，可以得出

　　F=s+T×[△／△t] (7)

　　其中，F和s分别为扫频终止频率和扫频起始频率，T为扫频时间。

由式(5)可知，扫频步进与扫频步进控制字位数成反比。随着DDS技术的发展，DDS扫频步进越来越小，甚至可以达到1 Hz以下，对于几十兆赫兹的应用来说，如果不考虑器件本身扫频驻留时间的限制，那么DDS扫频非线性度可以达到10-6量级。但是在导弹末制导等应用领域，由于受器件本身扫频驻留时间的限制。扫频步进达不到器件本身扫频步进的最小值，因而DDS扫频非线性度的量级锐减，当实际扫频步进为几百赫兹时，DDS扫频非线性度只有10-4量级。例 如，在导弹末制导应用等领域，1 ms周期以内扫频30