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标题: 基于DDS幅相调制的多点目标回波信号的研究 [打印本页]

作者: 520503 时间: 2013-12-21 10:46 标题: 基于DDS幅相调制的多点目标回波信号的研究

0 引言
由于DDS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，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”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。
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：
(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(FrequencyTuning Word)、POW(Phase Offset Word)、ASF(Ampli-tude 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(DigitalRamp 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：

式中：T 为脉冲宽度;f0 为载波频率;K = B T 为调频斜率，B 为信号带宽，rect(t T ) 为矩形脉冲信号，表达式为：

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sΣ(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f0 =60 MHz,带宽B =20 MHz,时宽T =4 μs的LFM 信号，采样频率为1 000 MHz,POW 时钟速率fPOW =125 MHz,相位量化Q 位数为8 b,三点目标相对于发射信号的时延为1 μs,4 3 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。

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