李臻立韓志韌楊春蘭

（1.哈爾濱工程大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001；2.中船重工集團(tuán) 第722研究所，湖北 武漢 430074）

1.引言

目前相控陣天線技術(shù)在艦船雷達(dá)、通信系統(tǒng)中的應(yīng)用已較為普遍，數(shù)字多波束相控陣天線通過(guò)數(shù)字技術(shù)，在同一個(gè)天線口徑上，可以同時(shí)在空間合成多個(gè)波束，可以實(shí)現(xiàn)跟蹤多個(gè)通信目標(biāo)。特別是信號(hào)空間抗干擾以及抗信道衰落需要，采用陣列天線，尤其是基于DBF的方法相控陣天線的使用，使得天線波束形成更具靈活性，也使得系統(tǒng)具備了自適應(yīng)能力，能夠較好地實(shí)現(xiàn)空域?yàn)V波和自適應(yīng)抗干擾。

2.d9910在相控陣天線中的應(yīng)用及介紹

系統(tǒng)的核心技術(shù)是基于DDS的自適應(yīng)數(shù)字波束合成技術(shù),其主要特征在于:利用DDS技術(shù)完成了信號(hào)產(chǎn)生、頻率源和幅相控制的一體化實(shí)現(xiàn),其控制組件的輸入、輸出信息都是數(shù)字化的,而所有組件的同步則是靠施加于每一組件的一公用的時(shí)鐘來(lái)實(shí)現(xiàn)的。利用 DDS技術(shù)完成發(fā)射波束形成所必需的幅度和相位加權(quán)及波形產(chǎn)生和上變頻所必需的本振信號(hào)?；?DDS的相控陣天線電路原理如下:

圖1.基于DDS的相控陣天線原理圖

DDS有著很多適合在發(fā)射端的優(yōu)點(diǎn)，其中最重要的一點(diǎn)就是它的幅度相位極容易控制，因此有利于在發(fā)射波束形成中各路的移相操作，這兩點(diǎn)都有利于波束形成中的加權(quán)操作。DDS的工作建立在DSP運(yùn)算的基礎(chǔ)上的，它首先根據(jù)相應(yīng)的波束形成算法運(yùn)算得出相應(yīng)的權(quán)值，DSP再通過(guò)接口將數(shù)據(jù)傳給DDS控制邏輯，控制邏輯再將相應(yīng)的權(quán)值寫入DDS的控制寄存器從而形成波束控制。DDS波形產(chǎn)生的過(guò)程如圖2所示。

圖2.DDS的工作原理

在我們的發(fā)射DBF實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，波束幅相控制部分采用的是AD9910的DDS芯片，AD9910是一款采用ADI公司的DDS專利技術(shù)的直接數(shù)字頻率合成器（DDS）芯片，它集成了14位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC），可以形成數(shù)字可編程、高頻模擬輸出的頻率合成器，能夠產(chǎn)生頻率高達(dá)400MHz的正弦波形。用戶可以訪問(wèn)三個(gè)用于控制DDS的信號(hào)控制參數(shù)：頻率、相位和幅度。這款DDS使用32位累加器，可提供快速調(diào)頻和頻率調(diào)節(jié)分辨率。其采樣率為1GSPS，調(diào)節(jié)分辨率為0.23Hz。該DDS也支持快速的相位和幅度切換，具有PLLREFCLK乘法器。

3.用TMS320C54x對(duì)ad9910控制

3.1.件電路設(shè)計(jì)

TMS320C54x是TI公司為實(shí)現(xiàn)低功耗、高速實(shí)時(shí)信號(hào)處理而專門設(shè)計(jì)的16位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理，采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有高度的操作靈活性和運(yùn)行速度，適用于遠(yuǎn)程通信等實(shí)時(shí)嵌入式應(yīng)用的需要，現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于無(wú)線電通信系統(tǒng)中。

TMS320C54x具有的主要優(yōu)點(diǎn)有：1.圍繞1組程序總線、3組數(shù)據(jù)總線和4組地址總線而建立的改進(jìn)哈佛結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的多功能性和靈活性。2.具有高度并行性和專用硬件邏輯的CPU設(shè)計(jì)，提高了芯片的性能。3.具有完善的尋址方式和高度專業(yè)化指令系統(tǒng)，更適用于快速算法實(shí)現(xiàn)和高級(jí)語(yǔ)言編程的優(yōu)化。4.模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使派生器件的到了更快的發(fā)展。5.才有先進(jìn)的 IC制造工藝，降低了芯片的功耗，提高了芯片的性能。6.采用先進(jìn)的靜態(tài)設(shè)計(jì)技術(shù)，進(jìn)一步降低了功耗，使芯片具有更強(qiáng)的應(yīng)用能力。

控制接口電路本文設(shè)計(jì)是利用DSP5416對(duì)DDS芯片的串口控制寄存器直接進(jìn)行送數(shù)以及對(duì)相關(guān)管腳的配置來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)該DDS芯片的控制。AD9910在串行通信模式下的對(duì)芯片管腳關(guān)系如圖3所示，在片選信號(hào)cs低電平時(shí)開始對(duì)串口寄存器進(jìn)行讀寫操作。指令周期中的8位數(shù)據(jù)的第一位為讀寫控制位，后7位表示為寄存器地址。數(shù)據(jù)周期緊接指令周期之后，送完數(shù)據(jù)后再將片選信號(hào)置位。注意，輸入的數(shù)據(jù)暫時(shí)存在寄存器的緩存器中，還需要IO—UPDATA(59腳)上跳沿脈沖觸發(fā)后才有效。同時(shí)，在設(shè)置IO—UPDATA時(shí)確保脈寬大于一個(gè)周期的內(nèi)部信號(hào)SYNC—CLK。

圖3.TMS320VC5416與AD9910的連接

3.2.件設(shè)計(jì)

AD9910DDS器件有單音頻模式、頻率掃描模式和完全睡眠模式三種工作模式。RF部分的功能模塊（PFD、CP、混頻器）能夠被激活或者進(jìn)入低功耗模式。

在單音頻模式下，器件產(chǎn)生一個(gè)單一的輸出頻率。輸出頻率將通過(guò)一個(gè)裝入在內(nèi)部寄存器中的32位的控制字（頻率調(diào)諧字FTW,Frequency Tuning Word）來(lái)設(shè)置。輸出頻率能夠根據(jù)需要而改變，并且迅速跳頻完成，僅需要更新相應(yīng)的寄存器控制字所需時(shí)間。甚至，如果需要更快的跳頻，4個(gè)預(yù)置可用的結(jié)構(gòu)形式可以通過(guò)外部的片選信號(hào)，在已存儲(chǔ)的4個(gè)頻率值之間更快速的跳頻，省去了由于乘法寄存器經(jīng)由I／O端口的運(yùn)行時(shí)間。頻率掃描模式允許自動(dòng)完成大部分的頻率掃描任務(wù)，通過(guò)I／O通道操作多個(gè)寄存器，可以實(shí)現(xiàn)線性和其他頻率掃描。無(wú)論器件在哪種模式下運(yùn)行，頻率變化相位都是連續(xù)的。

將用戶的數(shù)據(jù)傳輸至DDS核心，要經(jīng)過(guò)兩個(gè)步驟。通過(guò)寫操作，用戶先通過(guò)并行端口（包括地址及數(shù)據(jù)）或串行模式（地址和數(shù)據(jù)結(jié)合為一個(gè)串行字）將數(shù)據(jù)資料寫入I／O緩沖器。不管采用什么方法將數(shù)據(jù)輸入到I／O緩沖器，在數(shù)據(jù)從I／O緩沖器存入存儲(chǔ)器之前，DDS核心不能夠存取數(shù)據(jù)。切換FUD引腳或改變預(yù)置可用的結(jié)構(gòu)形式選擇引腳端，都將使I／O內(nèi)存單元更新的數(shù)據(jù)進(jìn)入DDS核心的寄存器存儲(chǔ)器單元。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程說(shuō)明框圖如下：

圖4.系統(tǒng)程序流程圖

4.驗(yàn)結(jié)果與算法仿真

仿真實(shí)驗(yàn)：在均勻八單元線陣中，陣元間距為半波長(zhǎng)，期望信號(hào)方位角分別為25，干擾信號(hào)來(lái)向?yàn)?5，50。SNR均為10dB，INR均為一10dB，快拍數(shù)1024。本文設(shè)計(jì)的相控陣數(shù)字波束合成發(fā)射系統(tǒng)，其特性在實(shí)驗(yàn)上得到了證明。

5結(jié)束語(yǔ)

在數(shù)字波束形成中，以DDS為核心的全數(shù)字T/R組件不僅滿足系統(tǒng)的數(shù)字移相功能，而且完全代替了原來(lái)的數(shù)控移相器、不等功率分配器和電調(diào)衰減器部分，并且顯示出強(qiáng)大的優(yōu)越性。隨著數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展，DDS信號(hào)源的采樣工作頻率將越來(lái)進(jìn)越高，將在通信領(lǐng)域中發(fā)揮更大的作用。

[1]Analog Devices AD9910 datasheet[Z].2007．

[2]Analog Devices AD99 10 Preliminary Technical Da.Ta[Z].2007．

[3]曾金榮,曾勁松.船搖擾動(dòng)和雷達(dá)天線兩軸穩(wěn)定系統(tǒng)[J].雷達(dá)與對(duì)抗,1995.

[4]嚴(yán)武升,劉宏,過(guò)潤(rùn)秋.基于前饋補(bǔ)償?shù)呐炤d雷達(dá)三軸穩(wěn)定跟蹤的研究[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),1998,(5).

[5]譚鴿偉等.DSP在天線平臺(tái)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息(嵌入式與SOC),2005,(12-2).