劉洪升 李宏 王瑞斌

（西安電子工程研究所 陜西省西安市 710100）

1 概述

某數(shù)字陣列雷達工作在S 波段，主要完成低空超低空搜索功能，還需重點監(jiān)測“低慢小”目標。雷達工作的外部環(huán)境中存在強烈的地雜波，工作時需從紛繁復雜的外部環(huán)境中分辨運動目標，就要求數(shù)字變頻單元需要具備極低相位噪聲、極低雜散干擾的特性，并可實現(xiàn)寬帶數(shù)字收發(fā)以滿足雷達目標識別能力。

2 設(shè)計方案

該數(shù)字變頻單元主要用于產(chǎn)生8 路雷達發(fā)射激勵信號，并完成8 路回波信號的變頻、中頻放大、AD 采樣、抽取、時序控制等功能。發(fā)射激勵信號具有瞬時寬帶工作模式，可實現(xiàn)移頻、移相功能。

2.1 方案簡介

本系統(tǒng)采用二次變頻體制，并使用DDS、ADC 等產(chǎn)生頻率、相位可控的發(fā)射激勵信號和數(shù)字接收信號，形成數(shù)字收發(fā)陣列。系統(tǒng)實現(xiàn)方案框圖如圖1 所示。

2.2 數(shù)字單元

數(shù)字單元主要由FPGA、ADC、DDS、光收發(fā)模塊、電源芯片、接口芯片等組成，主要完成以下功能：

2.2.1 FPGA

（1）對外通信及時序重建；

（2）對AD 采樣數(shù)據(jù)下變頻、數(shù)字濾波；

（3）8 路變頻組件的控制；

（4）波控功能；

（5）故障信息匯總。

2.2.2 AD

（1）對變頻組件的回波信號進行采樣；

（2）校準時對DDS 輸出信號進行采樣。

2.2.3 DDS

（1）產(chǎn)生發(fā)射中頻信號，也可產(chǎn)生窄帶線性調(diào)頻信號；

（2）頻率分集功能；

（3）由頻移控制碼和相移控制碼控制，進行頻率補償和相位補償。

2.2.4 供電

2.3 光纖通信

正常工作時，在每個波前脈沖之前，通過光纖接口將下一波列周期的控制參數(shù)發(fā)送給數(shù)字單元。然后光纖通信模塊調(diào)用FPGA 內(nèi)部的高速收發(fā)模塊GTX 將高速串口信號轉(zhuǎn)換為32 位并行數(shù)據(jù)，再經(jīng)過FIFO 緩存后譯碼產(chǎn)生時序參數(shù)、工作參數(shù)和自檢參數(shù)等，并在波列脈沖的上升沿使能譯碼產(chǎn)生的控制參數(shù)。同時，數(shù)字單元在每個波列脈沖周期內(nèi)將校驗參數(shù)、故障信息和I/Q 基帶數(shù)據(jù)上報給上級。

2.4 時序響應及處理

數(shù)字單元接收來自信處提供的CPI 同步時序信號，一個CPI 內(nèi)包含若干PRI 信號，并于首個PRI 工作前完成參數(shù)配置工作；CPI內(nèi)的多個PRI 信號具有相同時域特性。根據(jù)PRI 時序產(chǎn)生并設(shè)置收發(fā)通道相關(guān)參數(shù)，使之可按要求收發(fā)信號，采樣后送至信處進行檢測。

圖1：數(shù)字變頻單元原理框圖

2.5 波形信號產(chǎn)生

波形信號產(chǎn)生功能根據(jù)工作參數(shù)，控制DDS 產(chǎn)生中頻信號，具有多種波形和頻率，并通過移頻、移相進行補償。主要包含復雜波形產(chǎn)生功能、信號頻率值切換控制功能以及選擇不同波形信號模式開啟或關(guān)閉功能。上述各種功能控制由芯片內(nèi)部獨立的各個子模塊單獨完成，在時間域上的執(zhí)行模式屬于并行模式。

2.6 ADC采樣處理

數(shù)字單元中，ADC 先進行采樣，得到的數(shù)字中頻頻率信號與數(shù)控振蕩器時域相乘，形成相位差互為90 度的兩路I、Q 基帶信號，再由FIR 低通數(shù)字濾波器濾除系統(tǒng)不需要使用的高頻頻率分量，最后通過GXB 傳輸?shù)叫盘幏窒到y(tǒng)進行進一步處理。

2.7 變頻組件

上行通道DDS 產(chǎn)生的發(fā)射中頻信號與本振信號進行混頻，產(chǎn)生8 路發(fā)射激勵信號；下行通道回波信號與本振信號進行混頻，經(jīng)中頻放大產(chǎn)生數(shù)字單元ADC 采樣所需的接收中頻信號。收發(fā)通道中均設(shè)計有收發(fā)開關(guān)，根據(jù)收發(fā)轉(zhuǎn)換脈沖等時序，完成接發(fā)收轉(zhuǎn)換功能。

3 關(guān)鍵技術(shù)及分析

3.1 多通道相位同步

數(shù)字陣列雷達正常工作需要每個單元都同步受控，同步精度為同步時鐘頻率的倒數(shù)。在發(fā)射時，若不能實現(xiàn)同步控制，則得不到發(fā)射合成波束，且單元相互間還會產(chǎn)生干擾，系統(tǒng)不能正常工作；在接收時，若不能實現(xiàn)同步控制，則得不到接收合成波束，且還可能引起數(shù)據(jù)錯誤。因此多通道相位同步是數(shù)字陣列雷達的實現(xiàn)難點之一。

數(shù)字變頻單元同時產(chǎn)生8 路發(fā)射激勵信號，每路信號都經(jīng)過一個獨立的信號傳輸通道，包含DDS、混頻器、放大器、濾波器等元器件。以上所述元器件，每個獨立的器件均具有自身固有的群時延特性，當這些元器件串聯(lián)成為電路系統(tǒng)時，會因各自特性的趨向性，產(chǎn)生一定延時的通道誤差。系統(tǒng)加電后，環(huán)境溫度因系統(tǒng)工作而產(chǎn)生變化；同時以年為單位，系統(tǒng)進行長時間的使用后也會因元器件的退化等因素產(chǎn)生變化；基于以上短期和長期的系統(tǒng)環(huán)境變化，必然會因不同程度的影響，導致通道群延時誤差的產(chǎn)生。

圖2：兩通道間的初始相位差（30.45°）

圖3：修正后兩通道間的相位差（0°）

本設(shè)計中時序信號、采樣時鐘及DDS 時鐘嚴格保證等延時傳輸，并且采用了一款國產(chǎn)的DDS 芯片GM4941，該DDS 具有4 路獨立通道，每個通道均可提供獨立的相位、頻率、幅度控制，所有通道共用一個公共系統(tǒng)時鐘，具有固有的同步性，避免了在多路DDS 同步過程中由于器件差異造成同步困難的問題。對于大于4通道系統(tǒng)的擴展應用，GM4941 還支持多芯片的同步。在數(shù)字陣列雷達中，可以采用多片GM4941 來進行同步，同時配合軟件校準的方法，降低同步設(shè)計難度，提供了靈活的控制方法。

在系統(tǒng)上電自檢期間，由ADC 對每路信號進行采樣。通過開關(guān)控制可以直接對DDS 輸出的中頻信號進行采樣，然后通過FPGA 計算各路信號之間的相位差，通過DDS 進行相位補償，從而保證每路信號之間具有相同相位。

如圖2 所示，每次上電通道1 和通道2 之間的相位差為30.45°；圖3 中通過調(diào)整通道1 的相位寄存器，將初始相位改為30.45°，通道1 和通道2 之間的相位差變?yōu)?0.04°，實現(xiàn)同相位。通過FPGA 控制電路基帶初相，發(fā)射通道相位控制精度可達0.1°（均值）。

3.2 孔徑渡越補償

針對大孔徑相控陣雷達在寬帶寬角掃描時的孔徑渡越問題，采用頻移時延補償技術(shù)，發(fā)射時通過DDS 頻率控制字進行發(fā)射通道時延補償，接收時在信號處理進行多普勒時延補償。

以發(fā)射信號為例，由于不同陣元的位置差異使得發(fā)射的信號不能同時到達目標處，即不同陣元發(fā)射的信號到達等相位面的時間不同，引起波束指向隨時間變化，嚴重時不能正常形成天線波束。

寬帶線性調(diào)頻信號形式為：

第i 個振子的信號：

消除孔徑渡越效應需要在通道間進行合適的延時，在采用寬帶線性調(diào)頻信號的前提下，可以通過調(diào)整通道間發(fā)射/接收的信號的頻率，產(chǎn)生等效的延時，從而解決孔徑渡越效應。消除孔徑渡越需要分發(fā)射和接收過程分別進行。

發(fā)射時，根據(jù)天線陣面各天線單元的相位中心位置、波束指向的方向、發(fā)射線性調(diào)頻信號的調(diào)頻斜率計算得到各DDS 的頻率控制字，由DDS 調(diào)整發(fā)射信號初始頻率對各路發(fā)射信號延時分別進行補償。

接收時，各個通道首先進行模擬去斜接收處理，再由信處分系統(tǒng)根據(jù)回波波束的指向性，計算出全陣面每個通道接收回波的時延，同時將其轉(zhuǎn)換為對應的頻率，再與回波信號進行相加補償，用以處理大陣面多通道接收延時問題。

3.3 雜散

該系統(tǒng)對于雜散的抑制主要還是取決于不同頻率間的混頻比選擇以及集成元器件本身的固有干擾。在進行設(shè)計時需考慮交調(diào)頻率分量的相互疊加，以保證其干擾落在輸出信號路徑中放置的帶通濾波器有效帶寬帶外，達到信號的有效輸出，同時保持其低雜散特性。模塊級電路設(shè)計中，混頻、濾波、放大等元器件的選擇及使用，均需對其帶寬、駐波等技術(shù)指標進行統(tǒng)籌考慮，用以滿足電路系統(tǒng)對瞬時寬帶工作的特殊要求。

在系統(tǒng)運行過程中，有一部分雜散并非來自于主信號輸出通道，而是來自于輸出端口耦合通道。所以濾波器的設(shè)置需全局考慮，包括小型化密集的相鄰信號通道以及同一信號通道經(jīng)過某一元器件后產(chǎn)生不同相位的兩個信號通道上也均需設(shè)置濾波器，用以加強隔離。另外，在放大鏈路設(shè)計上，應根據(jù)指標要求，進行兩級或多級衰放處理，用來提高放大鏈路的反向隔離度。

4 產(chǎn)品研制結(jié)果

該數(shù)字變頻單元研制取得了比較滿意的結(jié)果，其具體指標滿足輸入要求，相噪惡化小于1dB，可實現(xiàn)窄帶線性調(diào)頻、相位編碼、瞬時大帶寬線性調(diào)頻等多種信號波形，并具有實時移頻、移相功能，可滿足雷達目標識別、陣面孔徑渡越等需求。

5 結(jié)束語

根據(jù)已有經(jīng)驗對該設(shè)備輸入技術(shù)指標進行詳細分解，設(shè)計了一種寬帶數(shù)字變頻單元，完成對其關(guān)鍵技術(shù)的剖析。目前，該產(chǎn)品已成功應用某雷達產(chǎn)品，工程應用意義重大。