基于DDS幅相调制的多点目标回波模拟的策略研究

　由于DDS[1]具有信号模式控制灵活、输出带宽大、频率转换速度快、重复性好等突出优点[2]，在现代雷达技术领域应用非常广泛。宽带线性调频信号的产生是其在雷达系统中的一种典型应用。
　　随着雷达系统功能的日趋多功能化和复杂化，工程师在雷达系统调试方面面临巨大的挑战。传统的通用测量仪器已经满足不了诸如SAR等复杂成像雷达系统的调试需求。在此背景下，回波模拟器应运而生，其中，宽带线性调频信号（LFM）体制雷达的复杂目标回波模拟器就是一类典型应用。
　　本文研究了以单片DDS器件来产生多点目标LFM回波的方法。此方法基于DDS的频率扫描模式，同时利用其可输入的相位调制和外部控制幅度调制功能。本文在分析利用单片DDS产生多目标回波机理的同时，进行了仿真和实验验证，所提方法具有设计简单、易实现等特点，弥补了以往DDS芯片“搭积木”[3]式多点目标模拟器结构复杂、功耗高的不足。
　　1 DDS基本原理
　　简单来说，DDS的原理就是根据相位值直接查表，从而得到对应的数字波形幅值，经DAC后转变成模拟信号。DDS主要由相位累加器、波形存储器和数模转换器组成。相位累加器是在频率调谐字的作用下，实现相位的逐级累加；当相位累加器产生一次2π溢出时，即完成一个周期性的波形产生。波形存储器中存储了一个周期的波形幅度值，完成信号的相位到幅度的转化。从理论上讲，波形存储器可以存储周期性的任意波形[4?5]。D/A转换器的作用是把已合成波形的数字量转换成模拟信号。DDS信号产生过程主要包含[6?7]：
　　（1）以频率控制字和系统时钟，产生量化的相位序列。此过程一般由相位累加器实现。
　　（2）从离散量化的相位序列产生对应的离散余弦信号幅度序列，此过程由波形存储器寻址完成。
　　图1是DDS的结构简图。图中，FTW（Frequency Tuning Word）、POW（Phase Offset Word）、ASF（Amplitude Scale Factor）、[fc]分别为DDS的频率调谐字、相位偏移字、振幅比例因子和工作时钟频率。相位累加器将FTW与上一时钟周期的相位累加，并与POW相加。同时相位累加器的累加值反馈到相位累加器输入端，作为下一周期的初值。然后，DDS根据累加值与POW的和作为波形存储器的地址进行寻址，从而获得相对应的波形幅度值。该幅度值与幅度控制字ASF相乘后，得到最终输出的波形幅度。该数字量经D/A转换器后即可得到所需波形。
　　由DDS的工作过程可知，DDS每个时钟的相位增量由相位偏移字POW和频率调谐字FTW共同确定。即FTW和POW共同决定输出信号的频率。另外，还可以通过控制POW，实现DDS输出相位增量的变化，从而实现相位调制功能。再者，通过调节ASF，还可以实现幅度调制功能。
　　在DDS芯片中，有专用的频率扫描模式用于产生LFM信号。在该工作模式下，只需设置对应的DDS的工作参数，DDS芯片内部的数字斜坡发生器（Digital Ramp Generator，DRG）就会产生相应调制参数，控制DDS输出LFM信号。
　　而且，DDS芯片还有一种并行数据工作模式，在该工作模式下，控制参数直接由多位并行数据端口输入，方便用户控制输出信号的调制信息。但是在此模式下，并行端口数据的时钟频率较DDS的系统工作时钟低得多。另外，还可以通过设置DDS内部的ASF寄存器和外部控制管脚OSK实现幅度调制功能。频率扫描模式、并行数据工作模式和幅度调制功能可以同时工作，这为产生复杂信号提供了可能。
　　2 多点目标LFM回波产生方法
　　2.1 多点目标LFM回波特征
　　单脉冲线性调频脉冲信号的归一化复数表达式可写成[8]：
　　的点频信号的叠加；即由式（7）可知：多目标回波是在原有线性调频信号的基础上，叠加了[N]个点频信号的相位调制信息，并且该部分的信号带宽受各个目标间的相对时延值的制约，当[Δti]之间的差值较小时，该相位调制部分是一个窄带信号。
　　本文主要讨论多点目标回波间有脉内重叠的情况，即目标之间相对延时较小，所以[i=1NΓi·rectt-ΔtiT?exp-jπBTtΔti]分量为低频、窄带信号。因此，此分量的调制信息能以很小的采样率采样并无失真的恢复，将此分量的采样数据调制到LFM信号上即可得到多目标回波。
　　2.2 多目标回波DDS产生方法
　　由上一节的分析可知：多目标的LFM回波可以表示为一个LFM信号被一个窄带信号所调制的形式。这样，可以结合DDS的特点，以DDS频率扫描模式产生[s∑（t）]中线性调频信号，并控制POW，以并行数据端口模式形成窄带相位调制信号，并以幅度调制功能去除多余时间段上的信号，从而形成多目标LFM回波。但是，针对多目标回波，相位调制端口的更新率要求较为复杂。这是由于式（7）中，相位调制项与线性调频项是相乘的关系。因此较难在理论上确定该端口所需的更新率。但可以采用计算机仿真的手段，予以分析。本文即通过仿真论证来选取合适的端口更新率的。此外，调制信息的量化精度也会影响多目标回波产生的性能。较高的位宽当然可以改善所产生信号的性能，但是却对DDS的内部存贮量提出了更高的要求。对此，本文也采用仿真验证的方式，选择合适的量化位数。
　综上所述，基于单片DDS产生多点目标回波的具体流程如下：
　　（1）在一定采样率下，利用Matlab计算给定数目和延时的多目标回波，并对回波信号进行归一化；
　　（2）提取回波信号的相位信息。将回波信号的相位与原LFM信号的相位相减、求模即可得到相位调制序列；
　　（3）将相位调制序列降采样至并行端口模式的时钟速率，并进行量化，形成并行数据端口输入的POW数据；
　　（4）设置DDS工作在所需参数的频率扫描模式，并将量化后的幅度、相位序列等信息输入给DDS，对DDS的输出信号进行低通滤波处理。
　　2.3 仿真验证
　　本节将从仿真的角度验证上述方法的可行性。此外，通过仿真分析POW的时钟速率和数据相位量化位数对信号模拟性能的影响，以选择合适的并行端口时钟速率和相位量化位数。
　　首先，验证方法的可行性。仿真中采用的信号形式为中心频率μs，2 μs。
　　基于2.2节中描述的过程，将得到的量 化后的相位序列，插值到采样率为1 000 MHz的相位序列；然后，将其与起始频率为50 MHz，调频率为[5×1012 s-2]的线性调频信号的相位序列求和，取模值，得到输出信号的相位序列。最后，以相位序列和幅度序列合成余弦信号序列，并进行低通滤波处理，得到形成仿真回波。
　　同时，采用Matlab分别计算这三点目标回波并叠加（采样频率为1 000 MHz），形成了理想的回波信号。图2就是这两组回波——理想回波与仿真回波的脉压结果的比较图。
　　在图2中，实线、点线分别表示理想回波和仿真回波的脉冲压缩结果。可以看出，两组回波的脉冲压缩结果在回波目标位置和幅度、主瓣宽度、峰值旁瓣比等方面一致性很好。良好的一致性说明了在满足采样定律的情况下，可以通过不同的采样频率分别将两部分：线性调频信号部分和相位调制部分分别采样，而其脉压结果不会受到影响。这进一步验证了本文所提出的：以DDS的频率扫描模式产生回波中LFM部分，以并行数据端口模式输入相位调制信息产生多个点目标回波方法的有效性。
　　下面仿真研究不同POW更新速率对模拟结果的影响。其他仿真条件不变，POW更新速率分别取125 MHz（点线表示）和62.5 MHz（‘+’表示）。将这两组数据的脉冲压缩结果与理想回波的进行对比，结果如图3所示。
　　由图3可知，三组回波的脉冲压缩结果在3个点目标回波的位置和幅度、主瓣宽度、峰值旁瓣比等方面基本一致。由此可知，在满足采样定律的情况下POW更新速率的提高对信号的仿真结果无较大影响；同时也间接说明此方法中对叠加的[N]个单频信号的调制信息能以很小的采样率采样并无失真的恢复。可以这么理解，多点目标回波信号的高频变化部分由DDS的频率扫描模式实现，其采样是基于相位量化机理来实现的；而附加的幅相调制信息带宽较小，所需的采样率（POW更新率）可以较低。
　　下面仿真研究数据量化位数对此方法性能的影响。其余仿真条件不变，POW更新速率取为125 MHz，将数据量化位数分别取为4 b（点线表示）和8 b（‘+’表示）的脉冲压缩结果与理想回波（连续曲线表示）的进行对比，结果如图4所示。
　　由图4可以看出，三组信号的脉压结果在目标位置和幅度方面基本一致；而在目标副瓣方面，数据量化位数为8 b的仿真数据的脉压结果和理想回波的基本一致，而数据量化位数为4 b的与理想回波的有较大差距。由此得出结论，数据量化位数会严重影响此方法性能。
　　3 实验验证
　　在仿真验证的基础上，本文进一步通过实测验证此方法的实际性能。本实验中，选用DDS芯片为ANALOG DEVICES公司的 AD9910，该芯片的无杂散动态范围可达80 dBc，相位噪声达到140 dBc/Hz，工作时钟频率可以达到1 000 MHz，频率分辨率可达到0.23 Hz，输出信号频率最高400 MHz，有4种工作模式，可以满足实验的需要，外部输入的POW的速率[10]最大为250 MHz。
　　在实验中，基本信号形式为载频60 MHz、带宽20 MHz、时宽4 μs、采样率125 MHz、相位量化精度8 b的LFM信号。仿真3个点目标回波，其时延分别为0 μs，0.333 6 μs，0.533 6 μs（为简化实验，又不影响实验结果，将目标回波的起始位置作为回波信号的零点）。实验开始时，首先将经量化后的幅度数据和相位序列作为原始数据输入给AD9910芯片，并设置其频率扫描模式的相关参数，使AD9910按文中所提的方法产生输出信号。然后，用示波器记录AD9910输出的波形数据（采样率1.25 GHz）。最后将AD9910输出的多目标回波数据经过脉冲压缩的结果同理想仿真数据的做比较，实验所得结果如图5所示。
　　从图5中可知，3个点目标回波仿真数据的脉冲压缩结果和实测数据的脉冲压缩结果在位置和幅度上基本保持一致，尤其在PSLR大于30 dB的区域，两者具有良好的一致性。然而，从图中也能看出，在PSLR小于30 dB的区域，两者吻合程度并不好。实测数据往往具有较高的副瓣电平，这是由实际测试系统中的一些不理想因素造成的。但是，对于实际雷达调试而言，基本可以满足使用要求。由此得到结论，本文提出的多目标回波仿真方法在一定误差范围内能很好地模拟原始信号，且性能优良。
　　4 结 论
　　本文针对线性调频脉冲体制信号，分析了多目标回波信号的幅度和相位特性，并提出一种基于DDS的频率扫描模式产生LFM信号，并通过幅相调制引入多目标的幅度和相位信息的回波产生方法。仿真结果表明，此方法产生回波的脉冲压缩结果和理想结果基本一致，有很好的目标检测性能；说明此方法能够很好地模拟LFM的多目标回波信号。同时，经过实测验证，本文提出的方法不仅能很好地完成预想功能，而且具有结构简单，功耗低等优势，应用前景广阔。
　参考文献
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