全数字宽带雷达信号产生技术研究

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1、 分类号 TN957学号 09041147 密级公开 工学硕士学位论文 全数字宽带雷达信号产生技术研究 全数字宽带雷达信号产生技术研究 硕士生姓名薛备 学 科 专 业电子科学与技术 研 究 方 向目标环境与电磁特性 指 导 教 师袁乃昌教授 国防科学技术大学研究生院 二一一年十一月 国防科学技术大学研究生院 二一一年十一月 全数字宽带雷达信号产生技术研究国防科学技术大学研究生院 The study of All-digital Generating Technology of Wideband Radar Signals Candidate：Xue Bei Advisor：Yuan Naich

2、ang A dissertation Submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Engineering in Electronic Science and Technology Graduate School of National University of Defense Technology Changsha，Hunan，P.R.China （November，2011） ） 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 目录目录 摘要 . i ABSTRACT .ii 第一章

3、绪论 1 1.1 研究背景及意义. 1 1.2 宽带雷达信号产生技术发展现状. 1 1.3 论文主要工作. 3 第二章宽带雷达信号产生方法. 4 2.1 线性调频源实现方法. 4 2.1.1 LFM 信号的产生 4 2.1.2 LFM 信号的时域分析 6 2.1.3 LFM 信号的频谱分析 7 2.2 线性调频信号的脉冲压缩实现. 8 2.2.1 脉冲压缩技术3 . 8 2.2.2 线性调频信号通过匹配滤波器的输出 10 2.3 线性调频信号的 DDS 实现. 11 2.3.1 DDS 的原理2 . 12 2.3.2 实际参数波形输出 DDS 的输出信号频谱分析 13 2.3.3 提高 DDS

4、 频谱纯度 16 第三章基于并行 DDS 的宽带雷达信号产生技术 18 3.1 多速率信号处理技术41 . 18 3.1.1 数字信号的表示. 18 3.1.2 抽取 19 3.1.3 插值 21 3.2 新型高速并行 DDS 实现方法. 22 3.2.1 理论分析 22 3.2.2 实现方法 23 第四章全数字宽带雷达波形产生器硬件设计 25 4.1 系统设计指标. 25 4.2 总体技术方案. 25 4.3 主要芯片选型. 25 4.3.1 Virtex-5 FPGA 26 第 I 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 4.3.2 AD9739 . 28 4.4 系统设计. 30 4.

5、4.1 DAC 模式选择 30 4.4.2 高速数据接口设计 31 4.4.3 DAC 模拟输出和时钟输入设计 32 4.5 系统硬件主要电路. 33 4.5.1 主要电路原理图及 PCB 图. 33 4.5.2 系统硬件实物图 34 第五章系统软件设计及性能测试 36 5.1 FPGA 程序设计 36 5.1.1 RS232 串口通信模块设计. 36 5.1.2 通信协议模块 37 5.1.3 AD9739 接口模块 39 5.1.4 DDS 模块设计 40 5.2 MATLAB 控制软件设计. 41 5.3 系统性能测试. 42 5.3.1 正常模式 42 5.3.2 混频模式 43 5.

6、3.3 归零模式 45 5.4 脉冲压缩结果. 49 结束语 . 52 致谢 53 参考文献. 54 作者在学期间取得的学术成果. 56 第 II 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表 2.1 不同雷达应用的典型脉冲宽度 9 表 5.1 帧说明表 37 表 5.2 DDS 控制寄存器位说明. 39 第 III 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图 2.1 线性调频信号的模拟产生法 5 图 2.2 用锁相环产生线性调频信号 5 图 2.3 用无源法产生线性调频信号 5 图 2.4 线性调频信号的波形图 6 图 2.5 线性调频信号的幅频特性 8 图 2.6 DDS

7、 原理方框图. 12 图 2.7 频率与相位增量之间的线性关系 12 图 2.8 相位码与幅度码的对应关系 13 图 2.9 实际参数波形输出 DDS 模型 14 图 2.10 DAC 典型转换特性. 16 图 3.1 离散信号的抽取 20 图 3.2 信号抽取后的频谱（M=4） 20 图 3.3 信号的插值 21 图 3.4 插值信号的频谱（L=4） . 21 图 3.5 16 路并行 DDS 实现结构. 23 图 3.6 优化后 16 路并行 DDS 实现结构 23 图 3.7 FPGA+DAC 实现 DDS 的方案 24 图 4.1 波形产生器结构 25 图 4.2 AD9739 原理框

8、图 . 26 图 4.3 AD9739 四路开关结构 . 28 图 4.4 两路开关和四路开关的波形信号 29 图 4.5 混频和归零模式 DAC 输出波形 29 图 4.6 DAC 三种模式的输出特性. 30 图 4.7 数据导入 AD9739 示意图 30 图 4.8 第二奈奎斯特区波形频谱图 31 图 4.9 差分微带线 32 图 4.10 AD9739 的输出连接方式 . 32 图 4.11 时钟驱动和偏压电路图 33 图 4.12 FPGA 原理图. 33 图 4.13 DAC 原理图. 34 图 4.14 系统硬件 PCB 图. 34 图 4.15 波形产生器实物 35 第 IV

9、页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图 5.1 VHDL 程序顶层模块 36 图 5.2 RS232 串口通信模块组成 37 图 5.3 16bit 帧格式. 37 图 5.4 控制方法 39 图 5.5 SPI 接口设置 . 40 图 5.6 波形数据产生框图 40 图 5.7 幅相补偿 41 图 5.8 系统软件控制界面 42 图 5.9 设置 AD9739 正常模式工作 43 图 5.10 正常模式输出 250MHz-350MHz 信号频谱图 43 图 5.11 设置 AD9739 混频模式工作 44 图 5.12 正常模式输出 1.35GHz 信号杂散图 44 图 5.13 混频

10、模式输出 1350MHz-1450MHz 宽频带频谱图 45 图 5.14 混频模式输出 1350MHz-1450MHz 频谱图 45 图 5.15 设置 AD9739 归零模式工作 46 图 5.16 归零模式输出 1.25GHz 信号杂散图 46 图 5.17 归零模式输出 1.25GHz 信号的第一奈奎斯特区频谱 47 图 5.18 归零模式输出 1.25GHz 信号相位噪声 47 图 5.19 归零模式输出 1250MHz-1550MHz 宽频带频谱图 48 图 5.20 归零模式输出 1250MHz-1550MHz 频谱图 48 图 5.21 线性调频信号时域图 49 图 5.22

11、输入脉冲时域宽度 49 图 5.23 压缩后输出脉冲宽度 50 图 5.24 压缩后输出脉冲第一旁瓣电平 50 图 5.25 加海明窗后压缩结果 51 第 V 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 现代高科技战争对雷达信号产生器提出了越来越高的要求，要求它具有宽频 带、高稳定、快速跳变和输出任意波形的能力。 本文结合宽带雷达信号产生理论，对增大雷达信号带宽的各种方法进行分析， 选取了宽脉冲内附加线性调频的方法，以扩展信号的频谱。提出了一种全数字宽 带雷达信号产生技术，并结合 DDS 技术设计出一种基于高速并行 DDS 的新型宽 带雷达波形产生器。 这种新型全数字宽带雷达波形产生器用较

12、低的工作时钟进行信号处理，经过 多路合成后由高采样率的 DAC 输出信号。信号处理选用 FPGA 实现，高速 DAC 选择了 ADI 公司的 AD9739 系列芯片，通过硬件电路设计与系统软件的开发，完 成了一个操作简便、性能良好的雷达波形产生系统。并对系统输出信号的时域、 频域特性进行测试分析，昀后采集数据做脉冲压缩处理。综述本文的主要工作如 下： （1）对宽带雷达信号的产生理论进行了阐述，主要论述了昀常用的宽带雷达 信号线性调频信号，并介绍了直接数字合成（ Direct Digital Synthesis，简称 DDS）产生线性调频信号的理论。 （2）根据多速率信号处理中抽取和插值理论，提

13、出了一种利用并行 DDS 产 生宽带雷达信号的方法，该方法以较低的速率进行信号处理，以高速率完成信号 输出。 （3）设计了一种主要由 FPGA 和 DAC 组成的全数字宽带雷达波形产生器， FPGA 为 Virtex-5 系列，DAC 为 AD9739。同时采用 Matlab 进行控制软件设计， 可由 PC 直接控制波形的产生。 （4）用 MATLAB 软件控制系统输出任意波形，并对输出信号的时域、频域 特性进行测试分析，昀后采集线性调频信号数据做脉冲压缩处理。 主题词： 宽带雷达信号直接数字合成 AD9739 线性调频脉冲压缩 第 i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 ABSTRAC

14、T Modern high-tech war makes more and more demands on the radar signal generator. It requires that radar signal generator must have wide bandwidth, high stability, fast transition and the ability to generate arbitrary waveform. This paper analyzes various methods of widening the bandwidth of radar s

15、ignals based on the theory of wideband radar signals generation. It selects the method of adding linear frequency modulation (LFM) within pulse to expand the signal spectrum, and presents an All-digital Generating Technology of Wideband Radar Signals, which combines with DDS technology to design a n

16、ew wideband radar waveforms generator based on high-speed parallel DDS. The new radar waveform generator uses slower clock to process signal and outputs signal with high speed DAC. The DSP is FPGA, and the high-speed DAC is ADIs AD9739. Through the hardware circuit design and the development of system software, the paper completes a radar waveforms generating system with easy operation and good performance. This paper also tests and analyzes the time domain and frequency d