直接数字合成技术在雷达接收机中的应用

第６期　２０１１年１２月　雷达科学与技术　

Ｒａｄａｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｆｏｇｙ　Ｖｏ１．９　Ｎｏ．６　

Ｄｅｃｅｍｂｅｒ　２Ｏ１１　

直接数字合成技术在雷达接收机中的应用　李浩　，向仁强　，杨丹峰　，何俊伟。　（１．解放军陆军军官学院五系４２队，安徽合肥２３００３１；２．７１２６２部队司令部，河南确山４６３２００）　

摘　要：首先概述了雷达接收技术的发展，雷达接收技术已向数字化方向发展。ＤＤＳ具有频率分辨率　高、频率转换速度快、频率转换时相位连续、输出相位噪声低和可以产生任意波形等优点。ＤＤＳ技术已在雷　达、通信、电子对抗等领域得到广泛应用。论述了ＤＤＳ的工作原理、基本结构，分析了基于ＤＤＳ技术的任意　雷达信号波形的形成，阐明了使用ＤＤＳ产生任意雷达信号波的优缺点，并提出了减少杂散的方法。结果表　明，ＤＤＳ技术可以精确地形成所需要的各种雷达信号波形。　关键词：直接数字合成（ＤＤＳ）；任意波形；雷达接收技术；数字化接收机　

中图分类号：ＴＮ７７３；ＴＮ９５７．５　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—２３３７（２０１１）０６～０５７９—０６　

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｄｉｒｅｃｔ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｉｎ　Ｒａｄａｒ　Ｒｅｃｅｉｖｅｒ　ＬＩ　Ｈａｏ　，ＸＩＡＮＧ　Ｒｅｎ—ｑｉａｎｇ　，ＹＡＮＧ　Ｄａｎ—ｆｅｎｇ　，ＨＥ　Ｊｕｎ—ｗｅｉ　（１．Ｎｏ．５　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＭｉｌｉｔａｒｙＡｃａｄｅｍｙ　ｏｆＰＬＡ，Ｈｅ　２３００３１，Ｃｈｉｎａ　２．Ｈｅａｄｑｕａｒｔｅｒｓ，Ｕｎｉｔ　７１２６２　ｏｆ　ＰＬＡ，Ｑｕｅｓｈａｎ　４６３２００，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｒａｄａｒ　ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｉｓ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｒｔｉｃｌｅ．Ｄｉｒｅｃｔ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｓｙｎ—　ｔｈｅｓｉｓ（ＤＤＳ）ｈａｓ　ｍａｎｙ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｅ．ｇ．，ｈｉｇｈ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｓ，ｆａｓｔ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｓｐｅｅｄ，ｉｏｗ　ｐｈａｓｅ　ｎｏｉｓｅ，ｔｈｅ　ａｂｉｌｉｔｙ　ｔｏ　ｓｗｉｔｃｈ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ　ｗｈｉｌｅ　ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｐｈａｓｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｂｉｌｉｔｙ　ｔｏ　ｐｒｏｄｕｃｅ　ａｒｂｉ—　ｔｒａｒｙ　ｗａｖｅｆｏｒｍｓ．Ｎｏｗ　ｔｈｉｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｉｅｌｄｓ　ｏｆ　ｒａｄａｒ，ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｗａｒｆａｒｅ，ｅｔｃ．Ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｂａｓｉｃ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ＤＤＳ　ａｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｒｂｉｔｒａｒｙ　ｒａｄａｒ　ｗａｖｅｆｏｒｍｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＤＤＳ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ａｎｄ　ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｕｓｉｎｇ　ＤＤＳ　ｔｏ　ｐｒｏｄｕｃｅ　ａｒｂｉｔｒａｒｙ　ｒａｄａｒ　ｗａｖｅｆｏｒｍｓ　ａｒｅ　ｉｌｌｕｍｉｎａｔｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ　ｓｐｕｒ　ａｒｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ＤＤＳ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｃａｎ　ｆｏｒｍ　ａｌｌ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｒａｄａｒ　ｗａｖｅｆｏｒｍｓ　ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｉｒｅｃｔ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ（ＤＤＳ）；ａｒｂｉｔｒａｒｙ　ｗａｖｅｆｏｒｍ；ｒａｄａｒ　ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ；ｄｉｇｉｔａｌ　ｒｅ—　ｃｅｉｖｅｔ　

１　引言　随着高速大规模集成电路技术的发展，近年　出现了直接数字合成（ＤＤＳ）技术。ＤＤＳ是一种新　型的频率、相位波形合成技术，它充分利用了大规　模集成电路的快速、低功耗、大容量、体积小等特　点，与传统的频率合成器相比，具有相位噪声低、　频率分辨率高、转换迅速等优点，它的频率、相位　变化连续性可以用于相位及频率调制，快速频率　变换特性用于频率捷变和扩频系统，因此ＤＤＳ可　广泛地应用于雷达领域的捷变频雷达、有源相控　阵雷达、低截获概率雷达＿１］，通信领域的跳频通信、　

收稿日期：２０１１－０４　０９；修回日期：２０１Ｉ－０６　０２　

扩频通信，电子对抗领域的干扰和反干扰等方面。　科学技术的发展使得雷达对接收信号的要求越来　越高。雷达接收信号必须具有频率捷变、波形参　数捷变和自适应跳频的能力。传统的模拟方法只　能产生单一的雷达接收信号，而利用ＤＤＳ技术是　解决这一问题的最好途径。　

２　雷达接收技术发展概述　雷达接收机的功能是完成雷达回波信号的功　率放大、频率变换与补偿、动态压缩、解调、检波及　模块变换，产生各种调制形式的雷达射频激励信　号与波形。随着电子系统综合一体化设计的要求　５８Ｏ　雷达科学与技术　第９卷第６期　越来越高和高速数字技术的广泛应用，雷达接收　技术已向综合射频和数字化方向发展。接收机在　功能上要求能模拟处理与产生综合雷达信号和能　产生电子战的测频与干扰信号；在性能上要求全　面提升工作带宽、相位噪声、杂散电平和动态范围　等指标。接收机的Ｔ／Ｒ组件带宽信号产生与调解　等都将逐步采用数字技术。　（１）模块化设计　用途各异的接收机由各种标准模块组成，进　行标准化设计和标准化生产是当今技术发展的潮　流。电子系统综合一体化要求能实现统一的标准　模块，即每个模块（ＳＲＵ）可以做到在线参数设置　下完成不同的功能。微波电路模块化实现的技术　难度较高，模数混合电路模块实现的技术难度低　一些。目前，信号产生电路模块、锁相电路模块和　中频采样电路模块已经能做到在线参数设置下完　成不同的信号产生模式、频率相位跟踪模式和检　波模式。统一模块化采用的主要技术有：①模块　标准化设计。综合射频系统的模块采用标准的控　制接口和外形结构。②模块功能化设计。模块划　分时功能尽可能独立，从而在系统功能（如频段）　扩展时只需增加模块数量即可。③通道复用设计。　方案设计时考虑分时工作方式，使接收通道和激　励通道能分时复用。　（２）高密度微波电路模块设计与仿真　宽带、多功能、小型化和高可靠性的电子综合　一体化要求更高集成度的微波芯片和在同一模块　中集成更多的微波芯片，以提高单一微波模块的　功能。目前，单微波芯片可以将低噪声放大电路、　｝昆频电路、振荡电路和检波电路等集成在一起，因　而多芯片微组装技术也得到了广泛的应用。　随着ＧａＡｓ、硅为基础的微波／毫米波单片集　成电路（ＭＩＭＩＣ）和超高速单片集成电路（ＶＨＳＩＣ）　的不断发展，微波电路和系统的设计与工艺研制　日益复杂，只有推广和发展ＥＤＡ技术，才能进一　步提高电路和系统的性能与功能、降低成本、缩短　研制周期。目前，基于矩量法的微波ＥＤＡ仿真软　件主要有ＡＤＳ、Ｓｏｎｎｅｔ、Ｚｅｌａｎｄ公司的ＩＥ３Ｄ、　Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　ｏｆｆｉｃｅ和Ａｎｓｙｓ公司的ＦＥＫＯ。基于时　域有限差分法的微波ＥＤＡ仿真软件主要有ＣＳＴ　ＭＩＣＲ（）ＷＡＶＥ　ＳＴＵＤＩＯ、　ＦＩＤＥＬＩＴＹ、　ＩＭＳＴ　Ｅｍｐｉｒｅ和ＣＦＤＲＣ。　（３）射频背板　电子综合一体化系统的复杂性越来越高，传　统的射频信号传输电缆数量越来越大。采用射频　印制背板（复合介质）作为模块间输入输出的射频　信号传输方式，不仅可以避免电缆的制作工艺、装　配及老化等问题，而且可提高系统的可测试性、叮　靠性、小型化和智能化等指标。　目前，国外已能对高速数模混合电路板进行　整版定量的电磁兼容性分析与仿真，能对１０　Ｇｂｉｔ／ｓ　的高速板在实验室内完成设计与验证。国内Ｉ　频　段射频信号印制背板传输已经开始应用，性能可　达到：隔离度≥６０ｄＢ、插损≤０．１５　ｄＢ／ｉｎ（不含连接　器）、驻波≤１．３＋０．１５（含连接器）。以印制背板　的方式传输ｓ频段和ｘ频段射频信号将会得到工　程应用。　（４）数字化接收机　随着大规模数字集成电路的不断发展，数字　技术越来越广泛地应用到雷达接收系统中。直接　数字合成器（ＤＤＳ）、大规模集成电路锁相环　（ＤＰＩ　Ｌ）、以高速Ａ／Ｄ及ＦＰＧＡ（ＥＰＩ　Ｄ）为基础的　数字正交相检和ＣＰＣＩ标准总线使雷达接收系统　的可靠性和可测试性大大提高，体积、重量大大下　降，智能化程度越来越高。与传统的模拟接收机　相比，数字接收机具有稳定性高、一致性好、可控　性强、设计灵活、线性特性好等优点，实现雷达接　收机的数字化可以大大提高雷达的整体性能。目　前，标准总线技术和基于标准总线的数字接收机　模块已广泛应用于雷达接收机中，采用ｌ　ＧＨｚ以　上时钟的ＤＤＳ可直接产生几百兆赫带宽的线性调　频信号；采用１　ＧＨｚ以上时钟的１２位高速Ａ／Ｄ、　１．５　ＧＨｚ以上时钟的１Ｏ位高速Ａ／Ｄ或２　ＧＨｚ以　上时钟的８位高速Ａ／Ｄ可以对米波甚至Ｌ频段雷　达回波信号直接采样。　（５）数字Ｔ／Ｒ组件　相控雷达Ｔ／Ｒ组件的进一步发展将是数字　Ｔ／Ｒ组件。此类组件的微波部分只含低噪声放大　器和功率放大器（ＬＮＡ／ＰＡ），而数字部分包含模　数变换器与数模变换器（ＡＤＣ／ＤＡＣ）、数字下变频　器与数字上变频器（ＤＤＣ／ＤＵＣ）和数字波形产生　器（ＤＷＧ），如图１所示。　２０１１年第６期　李浩：直接数字合成技术在雷达接收机中的应用　５８１　图１数字Ｔ／Ｒ组件框图　数字Ｔ／Ｒ组件的特点：①实现了收发完全数　字波束形成（ＤＢＦ）和目标信息的全息传输与处理。　②形成统一的频率／幅相控制字，控制ＤＤＳ工作，　输出经过上变频模式形成所需工作频率。接收方式　的工作原理与通常意义上的ＤＢＦ接收机的相同。　③以ＤＤＳ为中心产生的雷达信号波形，精度大大　提高，变换更加快速灵活，种类不再受设备量的任　何限制。④传统移相器一般只有５位～６位，相位　分辨率误差是１　１．２５。～５．６２５。；数字式相位控制可　达１０位～１４位，相位分辨率为０．３５。～０．０２２。，而　且移相精度高，不需要修正。⑤数字式全功能Ｔ／Ｒ　组件只需外界提供高质量的基准时钟信号，各种　接口关系全部数字化。　

３　直接数字合成技术的应用　频率合成理论目前主要包含四种技术：直接　模拟频率合成、锁相频率合成、直接数字频率合成　（ＤＤＦＳ，简称ＤＤＳ）和混合式频率合成技术。　直接数字合成（ＤＤＳ）技术是一种新的信号合　成技术，它将先进的数字信号处理方法引入信号　合成领域，能够精确地产生所需要的各种复杂程　度的信号。直接数字频率合成是指从相位量化概　念出发直接合成所需波形，是直接数字合成最直　接的应用。１９７１年，美国学者Ｔｉｅｒｎｃｙ，Ｒａｄｅｒ和　Ｇｏｌｄ提出这一概念，近年来随着数字集成电路和　微电子技术的快速发展，直接数字合成技术得到　了飞速的发展ｌ２＿３ｌ。同时，它将先进的数字信号处　理（ＤＳＰ）理论和方法引入到频率合成领域中，从而