多通道一体化数字收发电路设计

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1、多通道一体化数字收发电路设计【关键词】数字阵列雷达数字收发数控振荡器直接数字频率合成1概述数字阵列雷达是一种接收波束和发射波束都采用数字波束形成技术实现的有源相控阵雷达，由于数字阵列雷达具有瞬时动态大、波束扫描灵活、抗干扰能力强等特点，因此数字阵列雷达正成为未来有源相控阵雷达发展的重要方向之一。数字收发电路是数字阵列雷达的关键部件，是实现收发全数字波束合成的主要电路，数字收发电路是集数字接收、数字波形产生、大容量数据传输、发射波形移相、模拟收发通道控制等功能一体的多功能模块，实现雷达信号的数字接收和数字波形产生功能，一个

2、数字阵列雷达系统一般都包含成千上万个数字收发电路。因此集成化、高性能和软件化的数字收发电路设计是数字阵列雷达技术发展的重要方向。本文以此为出发点，结合某S波段数字阵列雷达的使用需求，研制了一款大带宽、集成化和软件化数字收发电路模块，该模块以Altera公司StratixIV系列高性能FPGA为核心，结合Linear公司8通道集成ADC和国产化高性能4通道集成DDS实现了16通道的一体化数字收发电路的设计，采用了软件化数字接收技术、参数化波形产生技术、大容量数据传输技术、宽带时延补偿技术和子阵波束合成技术，具有集成化、软件

3、化和多功能特点。2电路组成文/张卫清朱亮许厚棣一体化数字收发电路是数字阵列雷达的关键部件之一，本文讨论了一种一体化数字收发电路的设计方法，以高性能FPGA为核心，结合多通道ADC和多通道DDS，在一块电路板上集成了16个独立的数字接收机和数字波形产生器。电路可实现大带宽、多载波信号接收和多调制形式波形产生功能，同时采用光纤数据传输技术实现了数字回波信号和波形控制参数的实时传输。摘要多通道一体化数字收发电路由高性能FPGA、多通道ADC、多通道DDS、光/电转换、时钟管理和电源管理等单元组成，其组成框图如图1所示。在图1所

4、示的多通道一体化数字收发电路组成框图中，主要组成单元的功能为：（1）4通道DDS内部集成4个独立的DDS内核和DAC，每个DDS核中频率、相位和幅度都单独可控，用于产生各种复杂调制方式的雷达中频信号，并实现发射信号相位和时延补偿。（2）8通道ADC内部集成了8个独立的ADC核，实现8路模拟中频信号模拟到数字的转换，数字信号通过高速串行LVDS接口输出。（3）大规模可编程逻辑器件（FPGA）集成了高速LVDS接口、Transceiver接口、信号处理器，RAM、逻辑单元等资源，用于实现数字下变频、数字滤波、数字波束合成、时

5、延补偿和高速数据传输等功能。图1：多通道一体化数字收发电路组成框图图2：LTM9011模数转换器动态性能图电子技术•ElectronicTechnology108•电子技术与软件工程ElectronicTechnologySoft0cm0pt;mso-layout-grid-align:none"class=MsoNormalalign=left>3电路设计3.1数字接收电路设计数字接收机电路中的多通道高速ADC采用Linear公司的LTM9011，该ADC集成了8个独立ADC，采样率最高为125

6、MSPS，量化精度为14位，全功率带宽为800MHz，在高中频信号输入时，仍具有较好的动态性能，其动态性能如图2所示。数字正交解调采用软件无线电架构，首先中频模拟信号经ADC完成采样和量化，形成数字中频信号，该信号与数控振荡器产生的同相分量和正交分量分别相乘，在分别进行低通滤波，最后形成所需的基带I、Q数据，其实现框图如图3所示。本电路采用带通采样原理，模拟中频频率为330MHz，采样时钟为120MHz，根据带通采样定理分析，当模拟中频信号频率fin与采样频率fs满足式（1）时为最佳采样。（1）上式中B为信号带宽，因此，

7、正交解调过程可以推导如下：（2）经分析，可以看出为周期序列，其取值只有{1，0，-1，0}四种情况，同理，正交分量中的取值也只有{0，1，0，-1}四种情，因此，满足最佳采样的正交解调过程可以简化为加减运算，节省了FPGA片内乘法器资源。NCO是采用数字合成的方法产生数字混频中所需的本振信号，在NCO电路中，如果输入采样数据率为fs，相位累加器位宽为Nθ，频率控制字为△θ，则输出频率为（3）频率分辨率为：（4）相位-正余弦幅度值映射方法主要有：ROM查找表法、CORDIC和多项式逼近等方法，综合FPGA资源以及NCO输出

8、信号的无杂散动态范围，本设计采用CORDIC方法。3.2波形产生电路设计直接数字频率合成器(DDS)采用全数字结构，通过控制逻辑产生的频率字、相位字、幅度字来控制DDS核产生正弦或余弦波形。可以方便的产生单点频、频率键控（FSK）、相位键控（PSK）、扫频信号等多种信号形式，广泛地应用于现代相控阵雷达系统中。波形产生