可编程模拟雷达信号源的设计

摘要：设计了一种可通过软件灵活控制的模拟雷达信号源，采用Silicon公司C8051F340微处理器芯片，控制直接数字频率合成芯片AD9858输出模拟雷达信号。文中说明了电路设计结构和软件设计方法，并对信号源的性能进行了可行性验证。
关键词：雷达信号；直接数字频率合成；AD9858；C8051F340

    在数字波形产生技术中，由于直接数字频率合成(DDS)技术具有多种优点，已在军事和民用领域得到广泛应用，通过基于DDS的各种波形产生技术，再结合控制程序，就可实现任意信号波形的产生。

1 总体设计框图
    由于DDS芯片AD9858的工作频率可达1 GHz，可输出450 MHz的信号，因此选择它来产生雷达信号。而要实现雷达信号的快速转换与脉冲的占空比控制，就需要采用速度较快的控制芯片，因单片机C8051F340最高运行速度可达到48 MHz，又采用流水线工作方式，执行一条指令只需20 ns，速度可以满足需求。DDS芯片要输出信号，必需要2倍于输出信号的参考信号，这里选用了美国国家半导体公司的LMX2531芯片，它集成了PLL、VCO和超低噪声和高精度的LDO，输入40MHz的震荡信号，通过单片机设置其内部的寄存器，便可输出稳定的1 GHz信号作为AD9858的参考信号。

2 信号源硬件电路设计
2．1 控制电路设计
    本系统控制芯片采用Silicon公司的C805117340微控制器。它具有高速、流水线结构的8051兼容的微控制器内核(可达48 MI·s-1)，精确校准的12 MHz内部振荡器和4倍时钟乘法器，通用串行总线(USB)功能控制器，有8个灵活的端点管道，集成收发器和1 kB FIFO RAM，64 kB的片内Flash存储器，硬件实现的SMBus／I2C、增强型UART和增强型SPI串行接口4个通用的16位定时器，具有5个捕捉／比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器／定时器阵列(PCA)片内上电复位、VDD监视器和时钟丢失检测器多达40个端口I／O。采用它可以对AD9858芯片及LMX2531相应的设置。
    具体的设计与引脚连接如图2所示。P0.0～P0.4分别接LMX2531的DATA，CLK，LE，CE。P1.2～P1.7接AD9858的控制引脚，P2.0～P3.5接DDS的8位数据线和6位地址线。

2．2 DDS信号产生单元电路
    采用AD8958产生模拟雷达信号，参考时钟采用1 GHz振荡信号，由LMX2531提供，接到AD9858的33脚与34脚。图3所示为AD9858的外围电路连接图。采用C8051F340对其内部频率、相位寄存器进行设置，以输出所需信号。

2．3 参考信号产生电路
    为了使DDS芯片AD958输出高频信号，必须给其高频率的精准参考时钟。而LMX2531芯片可以满足需求。
     LMX2531是低供电，高性能频率合成器，它完整地集成了PLL和VCO电路。同时内部集成的低噪声、高精度的低压差稳压器LDO，使得系统具有更高的噪声抑制性能和稳定性。当与高质量参考晶振配合使用时，可产生稳定、低噪声的本地振荡信号。LMX2531是单块集成电路，采用先进的BICMOS制作工艺。LMX2531有几种不同型号，分别用于不同的频率段。该芯片采用三线Microwire接口方式使得编程更容易，接口操作电压低到1．8 V。电源供电范围2．8～3．2 V。LMX2531为36个引脚(6 mm×6 mm×0．8 mm)无铅LLP封装。可减小PCB板的尺寸，所以采用它来产生电路的参考时钟。LMX2531的外围电路如图4所示。

2．4 上位机控制软件
    本电路通过上位机软件与单片机通信，灵活控制产生模拟雷达信号的载频、脉宽、重频。采用VC6．0软件设计制作上位机控制软件，界面如图5所示。可以产生丰富多样的雷达信号。例如单载频脉冲信号、频率捷变信号、频率跳变信号、重频变化信号、脉宽变化信号，还可以产生线性调频信号和相位编码信号。另外，还可以产生模拟的雷达干扰信号，如噪声调频信号和随机挖空信号。

    通过设置，信号源便可以准确地输出所需的模拟雷达信号。下面以产生重频参差信号进行说明。图6(a)为对输出信号进行设置产生三重频参差信号，图6(b)为产生的重频参差信号，可看出信号的重频在步进增大。以图6(c)为放大的载频信号，可以看出测得载频为100 MHz。

3 结束语
    本设计突出了输出信号的灵活性，而且电路中芯片均采用贴片封装，最后制作的电路体积较小，能输出丰富的模拟雷达信号，又显示了它强大的功能。经过测试表明，该信号源在功能上满足系统的研究要求，该方案的各项性能指标均较高，从而证实了其可行性和前瞻性，并且在相位噪声、杂散抑制度、谐波抑制度等方面有较好的表现。