基于DDS的相控阵天线信号发生器的设计与实现

摘要

20世纪60年代，随着相控阵雷达的出现，相控阵天线就成为相控阵雷达研究领域的一个重要方面。相控阵天线的核心研究内容就是产生相位可控的波形输出。随着现代数字技术以及微电子技术发展，信号的相位控制方法已经由传统的模拟控制发展到现在的数字控制。数字相位控制具有精度高、可编程、稳定度高等优点，已经成为相控阵天线波形相位控制的主要方式。
　　 本文研究了多路相位可控的视频信号发生器以及在该视频信号发生器基础上S波段相控阵天线系统的设计，并研究了本振信号发生器，实现了2GHz本振信号的输出。
　　 本文首先基于相控阵天线的原理，阐述了相控阵天线相位与天线最大辐射方向的关系，然后以数字频率合成技术为基础，阐述了几种频率合成实现方案，通过比较，最终用基于DDS的方式实现频率合成。进而，详细分析了DDS的原理，以AD9912为核心，实现了多路相位数字可控的视频信号发生器的硬件设计。在软件编程中，基于PC机USB接口实现了对DDS板相位、频率控制。同时，实现了本振信号发生器的硬件设计。最后，对视频信号发生器和本振信号发生器的输出波形进行了波形分析和频谱纯度分析。
　　 本文基于DDS设计实现的视频信号发生器，具有频率转换速度快、相位控制精度高、灵活方便等优点。同时波形相位采用14位的数字控制，该14位控制字既可以由MCU产生，也可以由上位PC机算法产生，通过USB下传到控制板，具有灵活控制、上位机软件兼容性高的优点。用AD8302测量多路视频信号相位差，与控制板形成闭环反馈，实现了对输出信号相位信息的捕捉和相位同步的控制。

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论文说明：图表目录、注释表

声明

第一章绪论

1.1研究背景

1.2主要相控阵雷达类型及其特点

1.3相控阵天线信号发生器设计指标

1.4本文研究内容

第二章数字相控阵天线系统的设计

2.1相控阵天线

2.1.1 相控阵天线的特点

2.1.2相控阵天线的基本原理

2.2数字相控阵天线的实现方案分析

2.2.1 模拟相控阵天线与数字相控阵天线

2.2.2基于DDS数字相控阵天线频率合成

2.2.3 DDS+PLL频率合成

2.2.4 DDS+PLL频率合成实现方案

2.3方案设计

2.4上变频在相控阵天线系统中应用分析

2.5小结

第二章DDS技术分析

3.1 DDS简介

3.2 DDS的基本原理

3.3 DDS的结构

3.3.1频率累加器

3.3.2相位累加器

3.3.3相幅转换

3.3.4 DAC

3.4 DDS的杂散分析

3.4.1理想DDS的条件

3.4.2实际DDS的杂散来源

3.5 DDS的性能特点及应用

3.6 DDS的实现方法分析

3.6.1 基于FPGA的DDS

3.6.2专用DDS芯片

3.6.3 DDS实现方法的选择

3.7小结

第四章相控阵天线信号发生器的硬件设计

4.1视频信号发生器的设计

4.2 ARM控制器

4.3 AD9912 1GSPS 3.3V DDS简介

4.3.1 AD9912主要技术特性

4.3.2 AD9912引脚功能

4.3.3 AD9912的频率和相位控制

4.3.4 AD9912的DAC全扫描电流

4.3.5系统时钟输入

4.3.6 AD9912串行控制端口

4.4四片AD9912相位同步的实现

4.4.1 外部时钟同步

4.4.2 UPDATE信号同步

4.4.3相位差检测及闭环补偿

4.5 USB数据传输模块

4.5.1 PDIUSBD12芯片内部结构

4.5.2 PDIUSBD12与S3C44BOX的连接

4.6本振信号发生器的硬件设计

4.6.1 PLL工作原理

4.6.2 ADF4360-1芯片介绍

4.6.3 ADF4360-1电路设计

4.7小结

第五章相控阵天线信号发生器的软件设计

5.1视频信号发生器软件流程

5.2 AD9912驱动程序

5.2.1 AD9912串行控制方式

5.2.2 SPI_Write函数

5.2.3 AD9912寄存器赋值

5.2.4 UPDATE信号有效

5.3 AD7895驱动及相位反馈补偿

5.3.1.AD7895驱动程序

5.3.2相位反馈补偿

5.4 USB1.1 固件程序

5.4.1 USB简介

5.4.2固件程序

5.5 PC端控制程序

5.5.1 C++Builder简介

5.5.2基于C++Builder的DDS控制软件

5.6本振信号发生器的软件设计

5.6.1 ADF4360-1锁存器

5.6.2 ADF4360-1串行控制时序

5.6.3 R、C、N锁存器赋值

5.7小结

第六章相控阵天线信号发生器的测试与分析

6.1视频信号发生器USB通信测试

6.2视频信号发生器波形时域与频域的测试

6.2.1 100MHz输出信号分析

6.2.2 300MHz输出信号分析

6.3视频信号发生器相位控制测试

6.4本振信号发生器的测试

6.5小结

第七章总结与展望

参考文献

致 谢

在学期间发表的学术论文和参与的科研项目

附 录