CN116500551B - 一种多波段合成孔径雷达调频信号输出方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多波段合成孔径雷达调频信号输出方法，基于AD9162 DAC芯片的中频输出方案，三个波段均产生中频信号，无需正交调制，L、S波段信号直接由DAC芯片产生，无需上变频；X波段需要进行一级上变频。本发明降低了芯片的使用数量，降低了射频链路的复杂度，可有效的降低系统的体积和重量。
Description
技术领域
本发明属于合成孔径雷达相信号输出技术领域，具体涉及一种多波段合成孔径雷达调频信号输出方法。
背景技术
线性调频信号是脉冲压缩体制雷达中广泛应用的大时宽带宽积信号，广泛应用于雷达、电子对抗等领域。随着合成孔径雷达应用需求、应用模式的增加以及各种新体制雷达的诞生，线性调频信号的带宽、时宽以及工作频段都在增加，产生方式需要更加灵活，因此，对线性调频信号的产生和发射技术提出了更高的要求。
通常，雷达发射的线性调频信号由基带信号产生模块、低通滤波模块、模拟正交调制模块、带通滤波模块以及放大模块等产生。首先，基带信号产生模块产生两路正交的I、Q基带信号，然后信号进入低通滤波模块，由该模块滤除基带信号外的谐波分量和噪声，滤波后的信号仅剩零频的调频信号。模拟正交调制模块的调制信号为两路正交的射频本振信号（一级上变频采用射频本振，若采用多级上变频则为较低速的本振信号），基带信号经过该模块后便实现正交调制和上变频功能。经过上变频后的调频信号经过带通滤波模块后，滤除带外的杂波和噪声，最后经过射频放大模块进行功率放大，形成待发射的线性调频信号。在多波段雷达系统中，特别是P波段、L波段、S波段、C波段等频段较低的系统中，该信号产生方式必须存在多个射频本振，多个正交调制模块以及滤波模块，系统的链路增加、复杂度增加。
随着芯片技术的发展，ADI、E2V、TI等公司推出了采样率高达几GSPS甚至十几GSPS的数模转换芯片（DAC），其输出带宽也可以达到几GHz，输出信号在第二、第三奈奎斯特域仍旧具有良好的特性。本发明基于ADI公司推出的高速数模转换芯片AD9162，采用输出信号的第一、第二或者第三奈奎斯特域，无需经过正交调制和上变频，直接输出高达C波段（4~8GHz）的射频信号，在多波段合成孔径雷达系统中，简化了每个波段的信号产生和发射链路，降低了射频模块的设计难度，节约了成本，为设备小型化的设计压缩了空间。
在L、S、X三波段相控阵雷达系统中，传统的信号发射链路如图1所示，链路由数字模块和射频模块两部分组成，数字模块主要包含FPGA和六路DAC芯片，六路DAC芯片产生三个波段的基带信号；射频模块主要包含三个波段的发射链路和基准信号源，每个链路包含低通滤波、正交调制、带通滤波以及功率放大等模块，基准信号源模块产生数字模块所需要的采样时钟以及三个波段所需要的本振时钟。
由图1可以看出，传统的方案中需要用六片DAC芯片产生三个波段的基带信号，同时对每个波段I/Q信号的幅度一致性、相位一致性、同步性提出了很高的要求，才能保证射频输出信号的性能；三个射频链路中均需要进行正交调制，基准信号源需要产生三个不同的本振时钟，增加了射频链路的复杂度，同时也增加了系统的体积、重量和物料成本。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种多波段合成孔径雷达调频信号输出方法，基于AD9162 DAC芯片的中频输出方案，三个波段均产生中频信号，无需正交调制，L、S波段信号直接由DAC芯片产生，无需上变频；X波段需要进行一级上变频。本发明降低了芯片的使用数量，降低了射频链路的复杂度，可有效的降低系统的体积和重量。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种多波段合成孔径雷达调频信号输出方法，包括如下步骤：
步骤1、将数字模块输出的模拟信号输入射频模块；
步骤2、对射频模块进行设计，使得L、S、X三个波段均产生中频信号，无需正交调制，L、S波段的信号直接由DAC芯片产生，不进行上变频；X波段的信号进行一级上变频，从而输出信号。
进一步地，所述步骤1中，所述数字模块包括DAC芯片，所述DAC芯片配置三种工作模式：不归零模式、混合模式以及归零模式，不同的工作模式下具有不同的输出特性。
进一步地，所述不归零模式输出第一奈奎斯特域频带，最大输出带宽为零频至2.5GHz；所述归零模式输出第二、第三奈奎斯特域频带；所述混合模式的输出带宽为1.5GHz至7.5GHz，适用于合成超出DAC芯片本身采样率的调制信号。
进一步地，所述步骤2中的对射频模块进行设计包括对L波段链路的设计、对S波段链路的设计和对X波段链路的设计。
进一步地，所述对L波段链路的设计包括：将DAC芯片采样率设计为4400MSPS，L波段信号输出频率范围为1150MHz~1450MHz，即1300MHz的中心频点，300MHz的带宽；DAC芯片采用不归零模式，使用第一奈奎斯特域频带信号，获得带宽300MHz，中心频点1.3GHz，幅度大于-5dBm的模拟信号；数字模块输出的模拟信号包含多次谐波信号，进入到射频模块后首先进行低通滤波，然后进行功率放大，最后得到一个带宽300MHz，中心频点1.3GHz，幅度大于10dBm，带外杂波抑制大于60dB的射频信号；所述DAC芯片直接输出射频信号。
进一步地，所述对S波段链路的设计包括：将DAC芯片采样率设计为4400MSPS，S波段信号输出频率范围为3040MHz~3440MHz，即3240MHz的中心频点，400MHz的带宽；所述DAC芯片采用混合模式，使用第二奈奎斯特域频带信号，获得带宽400MHz，中心频点3.24GHz，幅度大于-10dBm的模拟信号；数字模块输出的模拟信号包含多次谐波信号，进入到射频模块后首先进行带通滤波，然后进行功率放大，最后得到一个带宽400MHz，中心频点3.24GHz，幅度大于10dBm，带外杂波抑制大于55dB的射频信号；所述DAC芯片直接输出射频信号。
进一步地，所述对X波段链路的设计包括：将DAC芯片采样率设计为4400MSPS，输出中频信号频率范围为5800MHz~6000MHz，即5400MHz的中心频点，1200MHz的带宽；DAC芯片采用混合模式，使用第三奈奎斯特域频带信号，获得带宽1200MHz，中心频点5400MHz，幅度大于-20dBm的模拟信号；数字模块输出的模拟信号包含多次谐波信号，进入到射频模块后首先进行带通滤波，得到一个单频谱的中频信号，所述中频信号通过上变频模块与4.2GHz进行混频，将信号其调制到9.6GHz，此时通过上变频后，存在一个镜频信号，利用第二级带通滤波模块滤除无用信号，最后进行功率放大，最后得到一个带宽1200MHz，中心频点9.6GHz，幅度大于10dBm，带外杂波抑制大于45dB的射频信号。
有益效果：
1、传统的射频信号输出链路需要DAC输出两路正交的I、Q信号，同时需要保证I、Q两路信号的严格正交性，需要进行I、Q两路信号的同步性设计，否则在正交调制后会存在频谱泄露，降低发射信号的质量，而本发明输出中频信号，简化了数字模块的设计，降低了设计难度，同时还能提高系统的可靠性，使得该系统不需要考虑因温度、时钟抖动等外界环境影响两路信号之间的幅相一致性、同步性等。
2、传统的射频信号输出链路中，射频模块需要先进行第一级低通滤波，然后进行模拟正交调制，再进行第二级带通滤波，最后进行功率放大，而本发明中L、S波段仅需要最后两级，简化了射频模块的设计，降低了射频模块的设计难度。
3、本发明中L、S波段相对于传统方案，不需要正交调制模块所需要的本振信号，可以在不修改基准源输出采样时钟的前提下（滤波器需要变化），输出不同频段不同中心频点的射频信号，有利于模块化设计；
4、本发明受益于芯片技术的发展，输出带宽相对于传统方案较宽，而且更为灵活；
5、本发明相对于传统方案，减少了元器件数量，同时还能降低系统功耗，有利于系统的小型化设计、降低物料成本。
附图说明
图1为传统链路方案图；
图2为信号输出链路框图；
图3为数字模块设计框图；
图4为AD9162不同模式频率响应特性图；
图5a，图5b为AD9162芯片在NRZ模式、MIX模式性能图；其中图5a为AD9162 NRZ模式，图5b为MIX模式；
图6为L波段链路图；
图7为S波段链路图；
图8为X波段链路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明采用的中射频信号输出设备由数字模块和射频模块两部分组成，其中数字模块主要由FPGA芯片和DAC芯片AD9162组成，射频模块主要由基准源模块、三个波段的发射链路等组成。
信号输出链路如图2所示，数字模块主要包含一片FPGA芯片和三片DAC芯片，实现三个波段的数模转换，产生需要的中频信号。射频模块主要包含基准源模块、三个波段的发射链路，其中，基准源模块为DAC提供高质量的4.4GHz采样时钟、为X波段提供4.2GHz上变频时钟以及为系统内的其他设备提供工作时钟；三个波段的发射链路完成三个波段的射频信号输出。
如图3所示，所述数字模块主要包含一片FPGA芯片、三片DAC芯片AD9162和时钟芯片（LMK04828）组成，其中FPGA芯片主要完成DAC芯片配置、时钟芯片配置、按照系统要求实时产生不同波段的数据以及实现FPGA芯片与DAC芯片间的数据传输；DAC芯片主要实现三个波段的数模转换，产生需要的中频信号；时钟芯片产生DAC芯片和FPGA芯片工作所需要的时钟，包括同步参考时钟SYSREF、核心时钟GLBCLK、以及FPGA高速收发器的参考时钟GT_REF；分频器产生时钟芯片LMK04828的工作时钟；时钟分配产生分频器与DAC芯片的工作时钟；采集时钟为DAC芯片的采样时钟。
所述数字模块的设计关键在于DAC芯片的输出，AD9162是一款16bit分辨率、最高采样率高达12GSPS的RF数模转换器，最大输出带宽高达7.5GHz，具有超低噪声和低杂散性能。该芯片可配置三种工作模式：不归零（NRZ）模式、混合（MIX-MODE）模式以及归零（RZ）模式，不同的工作模式下具有不同的输出特性。
如图4所示，NRZ模式适用于第一奈奎斯特域频带输出，最大输出带宽为零频至2.5GHz；RZ模式主要输出第二、第三奈奎斯特域频带，能够为高频信号的输出提供较好的带内特性，但是该模式下输出的信号功率较小，信噪比也相对较低；MIX模式是该类型DAC较为独特的设计，输出带宽为1.5GHz至7.5GHz，第二奈奎斯特域频带的信号性能最佳，信号幅度也较高，第三奈奎斯特域频带的输出也能保持相对较好的性能，因此，该模式非常适用于合成超出DAC本身采样率的调制信号。
图5a，图5b为AD9162芯片在NRZ模式、MIX模式性能图；其中图5a为AD9162 NRZ模式，图5b为MIX模式；该芯片在NRZ模式下无杂散动态范围（SFDR）可以达到60dB以上，在MIX模式下无杂散动态范围（SFDR）可以达到50dB以上，由此可见，该芯片在中频信号输出模式下具有很好的特性。
本发明的一种多波段合成孔径雷达调频信号输出方法，包括如下步骤：
步骤1、将数字模块输出的模拟信号输入射频模块；
步骤2、对射频模块进行设计，使得L、S、X三个波段均产生中频信号，无需正交调制，L、S波段的信号直接由DAC芯片产生，不进行上变频；X波段的信号进行一级上变频，从而输出信号。
所述步骤2中，所述射频模块的设计包括L波段链路的设计、S波段链路的设计和X波段链路的设计。
（1）L波段链路的设计：
图6为L波段的信号发射链路图，其中，DAC芯片采样率设计为4400MSPS，L波段信号输出频率范围为1150MHz~1450MHz，即1300MHz的中心频点，300MHz的带宽。DAC芯片采用NRZ模式，使用第一奈奎斯特域频带信号，可获得带宽300MHz，中心频点1.3GHz，幅度大于-5dBm的模拟信号。数字模块输出的模拟信号包含多次谐波信号，进入到射频模块后首先进行低通滤波，然后进行功率放大，最后便可以得到一个带宽300MHz，中心频点1.3GHz，幅度大于10dBm，带外杂波抑制大于60dB的射频信号。
该设计中，DAC芯片直接输出射频信号，射频模块中仅需要进行滤波和放大，简化了链路设计，降低系统的尺寸和功耗，节省了成本，同时提高了信号质量。
（2）S波段链路的设计：
图7为S波段的信号发射链路图，其中，DAC芯片采样率设计为4400MSPS，S波段信号输出频率范围为3040MHz~3440MHz，即3240MHz的中心频点，400MHz的带宽。DAC芯片采用MIX模式，使用第二奈奎斯特域频带信号，可获得带宽400MHz，中心频点3.24GHz，幅度大于-10dBm的模拟信号。数字模块输出的模拟信号包含多次谐波信号，进入到射频模块后首先进行带通滤波，然后进行功率放大，最后便可以得到一个带宽400MHz，中心频点3.24GHz，幅度大于10dBm，带外杂波抑制大于55dB的射频信号。
该设计中，DAC芯片直接输出射频信号，射频模块中仅需要进行滤波和放大，简化了链路设计，降低系统的尺寸和功耗，节省了成本，同时提高了信号质量。
（3）X波段链路设计
X波段输出信号中心频点9.6GHz，带宽1200MHz，显然仅靠DAC芯片的输出得不到想要的信号，因此，在DAC输出信号技术的基础上，利用模拟调制手段，得到更高频段的射频信号。
图8为X波段的信号发射链路图，该链路与L、S波段比增加了上变频模块和第二级带通滤波模块。DAC芯片采样率设计为4400MSPS，输出中频信号频率范围为5800MHz~6000MHz，即5400MHz的中心频点，1200MHz的带宽。DAC芯片采用MIX模式，使用第三奈奎斯特域频带信号，可获得带宽1200MHz，中心频点5400MHz，幅度大于-20dBm的模拟信号。数字模块输出的模拟信号包含多次谐波信号，进入到射频模块后首先进行带通滤波，得到一个单频谱的中频信号，该中频信号通过上变频模块与4.2GHz进行混频，将信号其调制到9.6GHz，然而此时通过上变频后，会存在一个镜频信号，需要利用第二级带通滤波模块滤除无用信号，最后进行功率放大，最后便可以得到一个带宽1200MHz，中心频点9.6GHz，幅度大于10dBm，带外杂波抑制大于45dB的射频信号。
在传统设计中，1.2GHz带宽需要I/Q正交调制才能实现，得益于芯片技术的发展，该DAC芯片输出5.4GHz中心频点、1.2GHz带宽的中频信号，射频模块仅需要进行滤波、放大和一级上变频，较传统方案降低了本振时钟，同时省掉了正交调制模块，简化了链路设计，提高了信号质量。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种多波段合成孔径雷达调频信号输出方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、将数字模块输出的模拟信号输入射频模块；所述数字模块包括DAC芯片，所述DAC芯片配置三种工作模式：不归零模式、混合模式以及归零模式，不同的工作模式下具有不同的输出特性；
步骤2、对射频模块进行设计，使得L、S、X三个波段均产生中频信号，无需正交调制，L、S波段的信号直接由DAC芯片产生，不进行上变频；X波段的信号进行一级上变频，从而输出信号，包括：
对L波段链路进行设计，包括：将DAC芯片采样率设计为4400MSPS，L波段信号输出频率范围为1150MHz~1450MHz，即1300MHz的中心频点，300MHz的带宽；DAC芯片采用不归零模式，使用第一奈奎斯特域频带信号，获得带宽300MHz，中心频点1.3GHz，幅度大于-5dBm的模拟信号；数字模块输出的模拟信号包含多次谐波信号，进入到射频模块后进行首先低通滤波，然后进行功率放大，最后得到一个带宽300MHz，中心频点1.3GHz，幅度大于10dBm，带外杂波抑制大于60dB的射频信号；所述DAC芯片直接输出射频信号；
对S波段链路进行设计，包括：将DAC芯片采样率设计为4400MSPS，S波段信号输出频率范围为3040MHz~3440MHz，即3240MHz的中心频点，400MHz的带宽；所述DAC芯片采用混合模式，使用第二奈奎斯特域频带信号，获得带宽400MHz，中心频点3.24GHz，幅度大于-10dBm的模拟信号；数字模块输出的模拟信号包含多次谐波信号，进入到射频模块后首先进行带通滤波，然后进行功率放大，最后得到一个带宽400MHz，中心频点3.24GHz，幅度大于10dBm，带外杂波抑制大于55dB的射频信号；所述DAC芯片直接输出射频信号；
对X波段链路进行设计，包括：将DAC芯片采样率设计为4400MSPS，输出中频信号频率范围为5800MHz~6000MHz，即5400MHz的中心频点，1200MHz的带宽；DAC芯片采用混合模式，使用第三奈奎斯特域频带信号，获得带宽1200MHz，中心频点5400MHz，幅度大于-20dBm的模拟信号；数字模块输出的模拟信号包含多次谐波信号，进入到射频模块后首先进行带通滤波，得到一个单频谱的中频信号，所述中频信号通过上变频模块与4.2GHz进行混频，将信号其调制到9.6GHz，此时通过上变频后，存在一个镜频信号，利用第二级带通滤波模块滤除无用信号，最后进行功率放大，最后得到一个带宽1200MHz，中心频点9.6GHz，幅度大于10dBm，带外杂波抑制大于45dB的射频信号。
2.根据权利要求1所述的一种多波段合成孔径雷达调频信号输出方法，其特征在于，所述不归零模式输出第一奈奎斯特域频带，最大输出带宽为零频至2.5GHz；所述归零模式输出第二、第三奈奎斯特域频带；所述混合模式的输出带宽为1.5GHz至7.5GHz，适用于合成超出DAC芯片本身采样率的调制信号。
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2023
- 2023-06-21 CN CN202310740879.2A patent/CN116500551B/zh active Active
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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