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1、基于DDS的雷达信号处理技术研究与实现 摘 要在雷达系统中，线性调频信号由于能以较小的峰值功率和较简单的形式得到较大的时带宽积，从而改善了距离分辨率和抗干扰性能，已成为现代雷达广泛采用的一种信号。通常，线性调频信号是利用压控振荡器产生，其线性度较差，影响测距和测速雷达的测量精度。为改善线性调频雷达的测量精度，本文尝试采用直接数字合成技术生成线性调频信号，并利用混频器将线性调频信号上变频到雷达所需的频段。电路是采用AD9913等芯片来实现，线性度的设计指标能满足雷达的测量精度需要。关键词：雷达，DDS，线性调频信号RESEARCH AND IMPLEMENTATION OF RADAR SIGN
2、AL PROCESSING TECHNOLOGY BASED ON DDSABSTRACT In radar system, due to the smaller peak power and a simple form, linear frequency-modulated signals can get bigger bandwidth, improving the product range resolution and anti-jamming, and it has become a modern radar widespread adoption signal. Typically
3、, the linear FM signal is generated by voltage-controlled oscillator. Its linearity is the poor, and this affects radar speed measurement range and accuracy. To improve the accuracy of linear FM radar, it is proposed to generate linear FM signals by direct digital synthesis in this paper, and the mi
4、xer is used for the linear FM signal. AD9913 and other chip circuitry are used for achieving high linearity to meet the needs of radar measurement accuracy.Key Words: radar, DDS, linear frequency modulation signal目录摘 要IABSTRACTII目录III第1章绪论11.1引言11.2研究背景11.3研究目的和意义2第2章雷达系统42.1雷达概述42.1.1 雷达的基本原理42.1.2
5、 雷达的特性52.2雷达信号的形成52.3线性调频雷达7第3章DDS工作原理93.1DDS系统的组成及基本原理93.2数字正交上变频调制103.3各种信号形式的产生11第4章线性调频信号发生器设计134.1线性调频信号134.2传统的线性调频信号发生器144.3基于DDS的线性调频信号发生器设计14第5章线性调频信号发生器电路实现165.1基于DDS的线性调频信号的实现电路165.2AD9913175.2.1 AD9913功能结构175.2.2 AD9913引脚说明185.2.3 AD9913输入输出方式195.3本地振荡器205.3.1 ADF4360205.3.2 声表面波振荡电路225.
6、4AD8343混频器255.5匹配电路设计27第6章基于DDS的调频信号发生器的性能分析286.1基于DDS的调频信号发生器的性能指标286.2线性度性能比较286.3电路实现的材料清单和成本28第7章结束语30参考文献31致谢32第1章 绪论1.1 引言在研制雷达系统时，常常需要应用频率合成技术来实现调频信号源。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。 现在应用最广的是锁相环频率合成技术，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1-5。直接数字式频率合成
7、（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，是继直接频率合成和间接频率合成之后的第三代频率合成技术。DDS的优点是：（1） 相对带宽很宽；（2） 频率转换时间极短，频率分辨率很高；（3） 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。1.2 研究背景理论研究和实践表明，雷达的性能和雷达信号宽带与信号形式紧密相关。例如为了提高测距精度和距离
8、分辨力、时宽乘积宽脉冲内附加线性调频或非线性调频信号，以扩展信号频带；又如，为了提高雷达对抗有源干扰的能力，要求产生宽带捷变频信号，以避开干扰频谱，有效对抗瞄准式干扰等；由此可见，研究宽带雷达信号产生问题是实践的需要。近几年，新的方法是用数字技术产生，直接数字合成技术（Direct Digital Synthesis, 简称DDS）便是其中一种新的方法。由于DDS采用全数字结构，使它具有极高的频率分辨率、极短的频率转换时间（可达ns量级）、输出频率相对带宽很宽、具有任意波形输出能力和程控灵活等优点，是传统的模拟信号产生技术无可比拟的。但DDS是一种新技术，目前输出频率还不高，它的全数字结构，又
9、带来了杂散电平和谐波电平高的缺陷，因此目前在雷达中应用还很少6-15。本文的内容是研究DDS产生宽带雷达信号，并围绕工程应用的需要，解决DDS频谱不纯和工作频率不高等问题，提出了改善频谱、提高输出频率、扩展工作带宽的方法。1.3 研究目的和意义高性能雷达的研究，对于雷达系统以及雷达目标识别系统的测试、研究具有重要意义。采用DDS技术以及数字上变频电路产生宽带线性调频信号。该信号可应用于某些先进的雷达的系统测试以及基于该型雷达的目标识别系统的研究、试验。此外，考虑到DDS产生的线性调频信号频率不高，我们采用上变频的方法将信号频率进一步提高。利用DDS产生的线性调频信号具有很高的线性度，可促进宽带
10、雷达目标特征测量、分析识别技术的进一步发展，并且，本系统同时还可以作为通用的任意波形发生器使用。雷达信号波形的产生有两种基本方法，即模拟法与数字法。随着数字技术的发展，在产生复杂雷达信号波形方面，数字产生方法越来越显示出其优越性。直接数字频率合成(DDS)技术是一种新型的波形产生技术。与传统的模拟技术波形产生法相比，DDS技术波形产生方法的优点在于：波形选择灵活、波形格式丰富、可产生任意波形输出、相位连续、可编程及稳定度高、易于调整及控制灵活、集成度高且电路简单等，而且可通过数控电路对DDS输出波形的频率、幅度、相位实行精确的控制。雷达信号波形产生系统可作为雷达系统性能测试的信号源。该成果相关
11、技术已应用于电子对抗系数、抗反辐射导弹设备上，还可以应用于成像雷达、目标识别雷达、相控雷达、抗干扰通信等，是新一代雷达和通信系数的关键技术，具有广泛的军用和民用前景。第2章 雷达系统2.1 雷达概述2.1.1 雷达的基本原理雷达概念形成于20世纪初。雷达是英文radar的音译，为Radio Detection And Ranging的缩写，意为无线电检测和测距，是利用微波波段电磁波探测目标的电子设备。 各种雷达的具体用途和结构不尽相同，但基本形式是一致的，包括五个基本组成部分：发射机、发射天线、接收机、接收天线以及显示器。还有电源设备、数据录取设备、抗干扰设备等辅助设备。雷达发射机产生足够的电
12、磁能量，经过收发转换开关传送给天线。天线将这些电磁能量辐射至大气中，集中在某一个很窄的方向上形成波束，向前传播。电磁波遇到波束内的目标后，将沿着各个方向产生反射，其中的一部分电磁能量反射回雷达的方向，被雷达天线获取。天线获取的能量经过收发转换开关送到接收机，形成雷达的回波信号。由于在传播过程中电磁波会随着传播距离而衰减，雷达回波信号非常微弱，几乎被噪声所淹没。接收机放大微弱的回波信号，经过信号处理机处理，提取出包含在回波中的信息，送到显示器，显示出目标的距离、方向、速度等。雷达所起的作用和眼睛相似，当然，它不再是大自然的杰作，同时，它的信息载体是无线电波。事实上，不论是可见光或是无线电波，在本
13、质上是同一种东西，都是电磁波，传播的速度都是光速C，差别在于它们各自占据的波段不同。其原理是雷达设备的发射机通过天线把电磁波能量射向空间某一方向，处在此方向上的物体反射碰到的电磁波；雷达天线接收此反射波，送至接收设备进行处理，提取有关该物体的某些信息(目标物体至雷达的距离，距离变化率或径向速度、方位、高度等)。2.1.2 雷达的特性雷达散射环境的散射特性直接影响雷达对目标的检测、跟踪性能，例如：杂波信号功率谱特性与雷达动目标显示滤波器性能有关，杂波信号幅度的起伏特性与雷达恒虚警率检测处理器性能有关等。因此，研制通用性强，功能全德雷达杂波信号模拟器对于雷达设备的研究和调试具有重要意义。国际上对雷
14、达信号源的研究做的比较全面，多采用软硬件相结合的设计方式，使系统有很大的灵活性；设计上采用微处理器技术提高了系统性能；采用工业标注的总线结构以及模块化设计使系统具有良好的通用性、兼容性以及可扩充性。2.2 雷达信号的形成线性调频信号是一种常用的雷达信号，通常也叫做Chirp信号，可以得到大的时宽带宽积，在高分辨雷达特别是合成孔径及逆合成孔径雷达中得到了广泛应用。设具有矩形包络的雷达发射信号为 （2-1）单一点目标的回波信号是发射信号的延迟，并经幅度调制后为： （2-2）在宽带雷达接收机中，由于信号处理能力的制约，对雷达回波是进行开窗去斜率解调接收处理的，对回波进行去斜率混频解调制，即 （2-3
15、）混频去斜率滤除载频后回波信号为 （2-4）该信号的频率为： （2-5）由此可见，单目标的回波去斜率解调制以后得到的是单一频率的信号。该频率由目标回波的时延确定。而一些相对简单的典型目标则可以近似等效为多个点目标的组合。图2-1、2-2和2-3分别为雷达发射、三个点目标的接收和去斜率解调的波形。连续体目标得到的是连续调频的中频信号，对其回波信号进行加窗FFT运算，即可得到目标的一维距离像。图2-1 雷达发射图2-2 三个点目标的接收图2-3 去斜率解调的波形2.3 线性调频雷达随着有源的大时间带宽积技术及信号处理技术的发展，调频连续波（FW-CW）雷达的应用也更加广泛，由于测距精度越来越高，一
16、个原来不太引人注意的问题变得突出了，即线性调频源的输出信号频率随时间的变化如果不是线性的，就会影响雷达系统对邻近目标的分辨。理想的线性调频信号，其频率随时间的变化应为一理想直线： (2-6)而实际线性调频源输出信号频率总是和存在差异，这个差异称为频率偏离函数： (2-7)并如图2-4所示，线性调频信号的线性度定义如下： (2-8)式中是频率偏离函数的最大绝对值；B是调频带宽，而被用来恒量一个线性调频源的线性度。为雷达总体设计提供理论依据 使设计者可根据雷达所要求的距离分辨力,对线性调频源的线性度提出合理的要求，或在已知线性度的情况下，对雷达系统在不同距离上的距离分辨力作出预测估计。图2-4 线
17、性调频雷达简化方框图第3章 DDS工作原理3.1 DDS系统的组成及基本原理直接数字合成（DDS）是随数字集成电路和微电子技术的发展出现的一种新的数字频率合成技术，它从相位量化的概念出发进行合成，其内部组成包含相位累加器、波形存储器、数模转换器、低通滤波器、和参考时钟五部分。在参考时钟的控制下，相位累加器依频率控制字产生拟合成信号数字化的线性相位取样值，对波形存储器寻址，使相位码转换为对应波形的幅度码，经过数模转换器得到模拟阶梯波，最后经低通滤波器得到所需频率的调幅、调频、调相波形。DDS的基本工作原理如图3-1所示。标准正弦波形查找表中存储的是一个周期的标准正弦波的离散采样值。图3-1 DD
18、S原理示意图它是以相位为地址，把360的相位分成2n等分，每个单元存储的是该相位对应的幅度量化值。它的容量可以根据要求选择。容量越大，采样点数越多，则频率分辨力就越高。Fc是参考时钟，Fo是输出频率。相位增量寄存器记录每个参考时钟周期的相位变化量，它和上个周期的相位累加，得到新的相位，去寻RAM查找表，把该相位对应的幅度值经过D/A输出。这就是DDS系统的基本流程。因为： （3-1）式中：是一个采样间隔之间的相位增量，而 （3-2）是参考时钟，频率固定。所以是一个固定值，因此F0就由唯一确定。只要改变相位增量的值，就可以得到不同频率的正弦波形。把也数字化，记为频率控制字Fcw，则式（3-1）可
19、以改写为： （3-3）所以，只要改变频率控制字，就可以方便地改变输出的频率。在本设计中，中心频率的产生采用AD公司的集成DDS器件AD9913，只需写入频率控制字，就可以得到所需的中心频率。该芯片工作频率250MHz，频率控制字32位，最高输出中频可以达到100MHz，完全满足本系统60MHz中频的需要。3.2 数字正交上变频调制在雷达系统中，最终要得到的是携带目标信息的中频信号。基带信号携带了全部的目标信息，中心频率是雷达发射能量的携带者，但是不含有任何信息。因此，需要把基带信号调制到中心频率上去。这是该系统中最关键的一步。设基带频率为f，中心频率为f0，则正交调制过程如下： （3-4）正交
20、调制的性能参数主要是载漏抑制和镜像抑制。载漏由直流泄露引起，镜像由I、Q两路幅相不一致引起。如果采用模拟正交调制，要得到高的载漏抑制和镜像抑制有一定的困难。因此，用数字方法实现基带数据的上变频调制。注意到系统的基带数据和中心频率数据都是数字方法产生的，这就极大地方便了数字正交调制过程。原理示意框图如图3-2所示。图3-2 数字正交调制示意图级联插值滤波器改变I、Q 两路基带数据的采样率。基带特征数据由主机产生，存储在波形缓冲器中。为了减小缓冲器的容量，压缩数据，对基带波形的采样率要尽可能低。而DDS核要产生中心频率，采样率取得很高。为了实现基带数据和中心频率的直接数字相乘，就要使它们具有相同的
21、采样速率。级联插值滤波器可以自动在基带波形每两个采样点之间插入若干个数据，插入数据的个数由基带波形采样率和DDS核的采样率的比值确定。假使基带波形采样率为10MHz，DDS核的采样率为80MHz，则每两个基带采样点之间要插入7个数据。具有相同采样点的I、Q两路和中心频率，都按照以上的公式完成数字正交调制过程。当发射调频脉冲信号，利用直接数字合成技术（DDS），可以快速地改变信号频率，并且保证在频率切换时输出信号相位的连续性。DDS的这种特性使它非常适合于形成调频脉冲波形，其优点在于兼有灵活性和稳定性，通过改变施加于DDS的频率控制字可以方便地改变调制规律，同时又具有数字电路稳定、可靠的优点。3
22、.3 各种信号形式的产生为了产生各种信号形式，求雷达模糊函数的数值解，编制雷达波形软件库，输出雷达信号形式有：单频率矩形脉冲信号、普通连续波信号。高斯包络单载频脉冲信号、Barker码脉冲信号。L-序列脉冲信号、M-序列脉冲信号等。由主控计算机选择雷达波形库参数后，通过DSP去控制DDS，产生所需的各种宽带信号。根据波形来区分，雷达主要分为脉冲雷达和连续波雷达两大类。常规脉冲雷达周期性地发射高频脉冲。相关的参数为脉冲重复周期（脉冲重复频率）、脉冲宽度以及载波频率。载波频率是在一个脉冲内信号的高频振荡频率，也称为雷达的工作频率。 雷达天线对电磁能量在方向上的聚集能力用波束宽度来描述，波束越窄，天
23、线的方向性越好。但是在设计和制造过程中，雷达天线不可能把所有能量全部集中在理想的波束之内，在其它方向上存在着泄漏能量的问题。能量集中在主波束中，我们常常形象地把主波束称为主瓣，其它方向上由泄漏形成旁瓣。为了覆盖宽广的空间，需要通过天线的机械转动或电子控制，使雷达波束在探测区域内扫描。由于整个系统是高速的、数模混合的系统，因此，具体实现中也有许多问题值得注意，首要的问题是DAC的选择，与传统的DAC不同，用于DDS系统中的DAC在于经转换后获得的模拟信号具有尽可能高的频谱纯度，而以往的DAC则着眼于尽可能准确地复现输入的数字值。很自然地，我们希望用于DDS系统的DAC芯片有相应的频域指标。传统的
24、DAC指标如直流偏移、增益误差及差分、整体非线性等，并不能全面反映DAC的频域指标，有鉴于此，目前的高速DAC芯片除给出传统的指标外，一般还会给出输出频带内的杂散动态范围。它指的是当DAC输出正弦波时，最高的杂散谱线与输出谱线以dBc计的幅度比，它常被用作DAC频域综合性能的度量。此外，高速时钟和数字信号的泄露会给输出信号引入杂散。因此，合理安排电路布局，加强电源去耦及电磁屏蔽也是不可忽视的。第4章 线性调频信号发生器设计4.1 线性调频信号线性调频信号时域波形如图4-1所示。其在频域为三角波形式，见图4-2。图4-1 线性调频信号时域波形图4-2 线性调频信号频域波形线性程度的线性度定义方式
25、有多种，如均方根线性度、瞬时线性度等等，这些种种定义方法都是针对频率偏移而言的，它反映了实际信号频率偏离理想频率的程度。在雷达系统中，一般采用既方便又最能说明问题的瞬时线性度，即采用VCO输出扫频对理想线性调频信号的偏离与电调带宽的相对值来定义。线性度是调频雷达的关键指标，它决定了调频雷达的测距精度。4.2 传统的线性调频信号发生器传统的线性调频信号采用压控振荡器产生，而压控振荡器的电调特性即电压- 频率曲线的非线性, 在不进行线性度校正的情况下, 发射信号的瞬时频率是非线性，难以实现雷达的高距离分辨率。由于线性调频信号的线性度是决定整个系统性能的关键，对于压控振荡器产生的线性调频信号必须进行
26、校正。压控振荡器产生的线性调频信号在线性度校正时，常用的校正方案可以分为开环补偿与闭环补偿两类。 开环校正比较简单, 且容易实现, 但不能达到高的线性度, 不能满足某些对线性度要求较高的场合。闭环校正具有很好的适应性和稳定性, 包括鉴频比较法和延迟锁相法，但电路实现都比较复杂，成本也较高。图4-3 VCO调频信号发生器4.3 基于DDS的线性调频信号发生器设计本文中，我们拟采用DDS来产生线性调频信号（见图4-2），其线性度可以达到万分之一或更低。在图4-2中，AD9913是ADI公司的DDS芯片。由于目前DDS产生的线性调频信号的频率较低，一般在100MHz以下。为提高频率范围，我们对DDS
27、产生的线性调频信号进行上变频，本地振荡器产生采用640MHz的频率并用带通滤波器滤除杂波。上变频是通过混频器来实现的。图4-4 基于DDS的线性调频信号发生器第5章 线性调频信号发生器电路实现5.1 基于DDS的线性调频信号的实现电路根据图4-2的设计思想，线性调频信号的电路实现见图5-1。图中DDS采用AD9913芯片，本地振荡器采用ADF4360芯片，混频器采用AD8343芯片。这里，本地振荡器还可利用声表面波器件来实现。图5-1 电路实现原理图5.2 AD99135.2.1 AD9913功能结构AD9913 是专门为无线、便携式设备而设计的完全低功耗、低成本直接数字频率合成器。除集成了高
28、速 DDS 和内部寄存器之外，AD9913还内置10bit高速数模转换器，省去了独立数模转换器的成本。 AD9913主要面向便携低功耗需求，是第一款时钟速率为 250MHz而功耗仅为50mW的DDS芯片，它的微调粒度与较高的SFDR允许其在有用频带更迅速、精确地生成稳定的信号，最高输出频率可达100MHz。除此之外，AD9913提供了很好的相位偏移控制的解决方案，控制字可以由串行或并行输入。图5-2 AD9913功能结构图如图5-2为AD9913的功能结构图，主要由时钟输入电路、寄存器和实时控制模块、DDS和10位DAC组成。主要性能如下： 1.8V 电源电压； 250MHz 时钟速率功耗仅为
29、50mW； 100MHz 模拟输出； 0.058Hz 频率精度； 0.022o 相位精度； 内含 10位DAC； 在 100MHz 输出信号时超过 80dB 的无杂散动态范围(SFDR)性能； 可选串行或并行编程模式； 采用 32脚LFCSP 封装。5.2.2 AD9913引脚说明图5-3 AD9913封装引脚图如图5-3所示，由于芯片管脚较多，这里仅列出主要管脚的作用：DVDD(4)：数字信号电源；DGND(5)：数字信号地；SER/PAR(10)：串/并行模式选择，低电平表示串行模式，高电平表示并行模式；AGND(11，15，18，21，23)：模拟信号地；AVDD(12，16，17，22
30、)：模拟信号电源；REF_CLK(13) 参考时钟输入端；IOUT(20)：DAC 输出端，通过50 接地；IO_UPDATE(27)：I/O更新端。高电平表示 I/O 缓存中的内容向对应内部寄存器进行信号传输；CS(28)：串/并行端口片选端（低电平有效）此端口低电平时使芯片检测SCLK/PCLK 的上升沿；SDIO(WR/RD)(29)：串行操作时双向数据传输端和并行操作时读/写使能端；SCLK/PCLK(30)：串并行端口的时钟输入端。5.2.3 AD9913输入输出方式（1）串行输入模式AD9913 的串行输入模式是比较灵活的同步串行通信方式，而且兼容大多数串行传输格式，譬如Motor
31、ola6905/11SPI和Intel8051SSR协议。图5-4为读写操作的时序图（Clock Stall High）。图5-4 串行模式读/写操作时序一个通信周期包含两部分：指令周期和通信周期。前八个时钟周期的上升沿将指令字节写入芯片，称为指令字节，它向AD9913串行端口控制器提供数据传输的相关信息（读/写，寄存器地址等）；之后的都是通信周期，用于芯片与外围系统进行实际数据传输，根据存取寄存器的不同，通信周期会有所不同。指令字节信息比特如表5-1所示，D7选择进行读或者写的操作，D4-D0选择通信周期时使用哪个寄存器。表5-1 指令字节信息比特表（2）并行输入模式在典型的并行读写操作中如
32、图5-5所示，用户需要提供PLCK，CS，R/W，和存取寄存器的并行地址。图5-5 并行读写操作时序图利用AD9913可产生FM/PM信号。DDS模块如图5-6所示，产生的参考信号（送到DAC去）的参数由频率控制字和相位偏移控制字决定。图5-6 DDS核心模块输出频率由频率调谐控制字（FTW）决定，对于一个输出频率就有一个控制字与之相对应。通过外部编程改变控制字，就可以得到输出频率的变化周期，从而达到调频的效果。而DDS信号相关的相位步进由14位相位偏移控制字（POW）控制。同样每个相位偏移对应一个控制字，相位偏移会经过角度-幅度转换模块反映输出波形的幅度变化，那么在某一时刻引起POW的变化，
33、最后反应到输出就是相位（或者说是幅度）的变化，周期的控制POW的变化就能产生周期的调相波形。5.3 本地振荡器本地振荡器可采用两种方式实现，一种是采用集成芯片产生，另一种方法是利用声表面波电路来实现。5.3.1 ADF4360ADF4360是ADI公司生产的带有锁相环的振荡器，振荡频率范围为350MHz - 1800MHz，供电电压为3.3V。其结构原理见图5-7。图5-8为ADF4360的引脚图。图5-9和图5-10是ADF4360的相位噪声图，从图中可看出，ADF4360的相位噪声衰减的非常快。图5-7 ADF4360功能结构图图5-8 ADF4360-7引脚图图5-9 ADF4360局部
34、相位噪声图5-10 ADF4360相位噪声5.3.2 声表面波振荡电路石英晶体谐振器的最高工作频率只能到200MHz，要想在更高的频率工作，就要用复杂的PLL电路，也可使用廉价的声表面波器件SAW(Surface Acoustic Wave)。SAW器件的基材也要有压电效应特性，一般用ST切割石英、锂钽或锂铌陶瓷、砷化镓等。当电信号通过电极加到基材上，因压电效应而产生机械振动声波，声波在基材表面传播，在附近电极处因压电效应又转变为相同的电信号。SAW器件有谐振器、滤波器、双工器、解调器等多种用途，与相应的石英晶体器件的某些特性近似， 但是插入损耗明显较大。SAW谐振器有单端口和双端口两种。单端
35、口SAW谐振器的等效电路如图5-11所示。图5-11 单端口SAW谐振器的等效电路其中：Lm与Cm谐振于SAW的串联谐振频率，Rm为与损耗有关的电阻，这三者为动态参数。Co为SAW两端电极间的静态电容，一般Cg1=Cg2=0.5p，Co=Cp+Cg/2。无负载Q值一般在10000以上，50欧姆负载下Q值一般也能到2000。双端口SAW谐振器的等效电路如图5-12所示。图5-12 双端口SAW谐振器的等效电路对于600MHz以下频段，电路结构明显类似晶体稳频的Colpitts振荡器。如图5-13所示。图5-13 使用单端口SAW谐振器的正弦波振荡器用参考面把电路分无源部分和有源部分，有源部分的阻
36、抗为，无源部分阻抗为。起振条件： （5-1） （5-2）这样ReZia必须为负，所以称为负阻振荡器，SAW要工作于串联谐振频率上。对于500MHz1GHz，电路结构类似晶体的Pierce振荡器，工作于串联谐振频率。框图如图5-14所示。图5-14 使用双端口SAW谐振器的振荡器起振条件为： （5-3） （5-4）SAW内部电容也是Cp1和Cp3的一部分，依靠PCB可去掉一部分电容。仿真时使用三极管的S参数和SAW的等效电路（最好使用L、C、R的高频等效电路），测量S11和Z1。电路图如图5-15所示。图5-15 仿真电路起振条件： （5-5） （5-6）5.4 AD8343混频器混频器由ana
37、log device公司的混频器芯片AD8343构成。AD8343是一种高性能的有源混频器，它的基本特性如下：(1) 工作带宽可以达到2.5GHz；(2) 变频增益为7.1dB；(3) 输入IP3为16.5dBm；(4) 本振输入功率最小可以达到-12dBm；(5) 噪声系数为14.1dB；(6) 输入1dB压缩点的最大值是2.8dBm；(7) 本振端口LO、中频端口IF、射频端口RF等端口都是差分端口；(8) 本振端口的输入阻抗为50；(9) 电源电压是5V。其功能结构见图5-16。图5-17和5-18分别是AD8343的引脚图和增益随温度的变化曲线，可看出，AD8343的增益是较稳定的。图
38、5-16 AD8343功能结构图图5-17 AD8343引脚图图5-18 AD8343增益变化5.5 匹配电路设计我们知道，匹配电路是为了达到最大功率传输。在调频信号发生器中，本地振荡器与混频器、DDS与混频器，以及混频器与输出接口之间都需要设计匹配电路（具体见图5-1）。这里，匹配电路可完成两大功能，一是匹配混频器与源信号之间的阻抗；二是提供直流偏置。由于混频器采用差分输入，所以对于单端口源信号或输出接口还需设计匹配转换电路，见图5-19。图5-19 匹配转换电路第6章 基于DDS的调频信号发生器的性能分析6.1 基于DDS的调频信号发生器的性能指标根据图5-1所实现的电路可达到性能指标为：
39、1中心频率：640 MHz2调频带宽：5-60 MHz3调频周期：1 ms4调频信号线性度：百万分之一5可使用温度范围：-40 - 85从以上指标可看出，所设计的基于DDS的调频信号发生器能满足高精确度测距、测速雷达的使用要求。6.2 线性度性能比较所设计基于DDS的调频信号发生器的线性度与传统方法的比较见表6-1 。可看出，在线性度方面，所设计发生器比延时锁相校正的压控振荡器还要高一个数量级。利用此技术生产的雷达除民用外，也可用于精确定位的导弹的制导。表6-1 线性度比较序号线性调频信号来源线性度（%）1无校正的压控振荡器52开、闭环校正的压控振荡器0.13延时锁相校正的压控振荡器0.001
40、4基于DDS的信号发生器0.00016.3 电路实现的材料清单和成本电路实现的材料清单和成本见表6-2，其中PCB基板材料采用FR4，为双层板。表6-2 材料清单和成本序号品名型号封装方式成本价(元)1DDSAD9913BCPZLFCSP-VQ1002振荡器ADF4360-7BCPLFCSP503混频器AD8343ARUTSSOP504贴片电容100p/1n/6.2p/0.1u/0.01u/39p080555贴片电阻50/1k/1.65k/3k/5k/33080556贴片电感8.2n/1n/10n/080557PCB板FR41.0mm(厚)100第7章 结束语 基于DDS的高线性度调频信号发生
41、器的研究,对于雷达系统以及雷达目标识别系统的研制、研究具有重要的意义。本文论述了一种采用DDS 技术以及数字上变频电路产生宽带线性调频信号。该信号可应用于雷达的测距、测速以及雷达的目标识别系统的研究、试验。此外，本系统还可作为通用的任意波形发生器使用。 参考文献1 张明友，汪学刚，雷达系统（第二版）M，电子工业出版社，20062 陈曾平，雷达目标结构特征识别的理论与应用D，长沙：国防科技大学博士学位论文，19943 张长隆，李 纲，周良柱，通用地面雷达杂波模拟器的设计与实现J,现代雷达，2003，25（7）：14164 An Jianping, Jin Song, Wide Band Fast
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