摘 要 本文介绍了一种DDS（直接数字频率合成器）的NFLM（非线性调频信号）的硬件系统框图和软件的实现方法，信号软件实现方法采用分段折线拟合来近似产生NFLM信号，通过FPGA（现场可编程门阵列）控制DDS输出信号的指标，可以方便地实现该数字波形产生器，产生不同时宽、带宽NLFM信号。试验证明该信号具有低相噪、低脉压旁瓣，实现简单等优点。
关键词 直接数字频率合成器；非线性调频信号；现场可编程门阵列
前言
在脉压体制的雷达系统中，线性调频信号对提高雷达性能方面具有一定的优势，但其脉冲压缩时会有较高的旁瓣，影响邻近弱目标的检测，如果采用加权的方法抑制距离旁瓣，将会引起信噪比损失，降低雷达的距离分辨力，使其应用受到了限制。而非线性调频信号因其固有的距离旁瓣较低，无须加权就可获得很高的主旁瓣比、较窄的主瓣宽度和良好的多普勒响应能力。另外，从雷达信号的低截获概率方面考虑，由于时宽带宽的平方根与截获因子成反比，脉冲压缩信号也是实现雷达低截获概率的主要技术措施之一。本文研究了如何在工程中产生非线性调频信号。采用现今最新的DDS器件（AD9914），做为主控制器件通过分段线性折线逼近法产生非线性调频信号。
1 原理
一般实现NLFM主要有模拟法、数字线性逼近法和数字阶梯逼近法三种。模拟法采用声表面波技术，缺点是对温度特别敏感；数字线性逼近法是根据LFM易实现和NLFM频率随时间呈非线性变化的特点，将NFLM信号做数段LFM信号的合成；数字阶梯逼近法用直接读取法将形成NLFM的数据存储在ROM，即波形分成无数的小阶梯，一次性将其全部读出，该法对控制字传输速率无限制，但因存储数据容量有限，会产生相对理想波形的误差。此法适于实现小时宽频宽乘积的NLFM信号。本文采用第二种方法产生非线性调频信号[1]。
基本原理：NLFM信号是LFM信号的加权。根据最小逗留相位原则，加权可理解为是在一LFM信号上加一无穷级数，即利用相位逗留的方法，以时宽T=100μs、带宽B=10MHz、采样率fs=160MHz为例，搜索最小脉压副瓣电平对应的参数K，产生NLFM信号。利用相位逗留的方法，得到信号的群延时如式（1）所示：
（1）
其中：：信号时宽
：信号带宽
：信号频率
：信号时延
：非线性调频系数
按0≤K≤1、步長0.001分别产生NLFM信号并计算脉压结果归一化副瓣电平。当K=0.933时脉压结果归一化副瓣电平最小，为-49.5dB，理论仿真脉压结果如图1所示。
2 工程实现
在设计中选用了Analog Device公司的高性能DDS芯片AD9914，可以满足指标要求，其主要特性如下：
（1）2400MHz-2500MHz内部时钟，内置20倍至510倍的可编程参考时钟倍频器；
（2）集成的12位输出DAC；
（3）优异的SFDR性能：90dB@170MHz（±1MHz）；
（4）两个32位的可编程频率字寄存器；
（5）两个16位的可编程相位偏移量寄存器；
（6）单频模式、PROFILE调制模式、数字斜坡调制模式、并行端口调制模式及可编程调制模式；
（7）12位幅度调制寄存器以及可编程键控幅度整形功能；
（8）输出反SIN（x）/x校正；
（9）10MHz两线或三线SPI兼容串行或100MHz并行8位编程。
AD9914内部共有112个8位寄存器，正是通过对以上各寄存器的写操作从而完成对AD9914的工作模式、输出波形（频率、相位、幅度）、频谱特性以及功耗等的设置，由于AD9914的内部寄存器较多，全面地了解各寄存器控制字并根据输出要求对其编程成为整个频率合成器设计中的核心内容。硬件设计信号产生系统主要由FPGA、AD9914、带通滤波器、放大器以及相关的时钟、电源等组成。其中FPGA在外部时钟的驱动下，产生AD9914所需要的控制信号；AD9914根据FPGA的相关控制字产生不同的模拟信号。系统框图如下图2所示。
软件系统的主要功能是：在确定了非线性调频信号的时频曲线f（t）后，根据信号的形式及附带参数，设置并实时控制DDS等硬件产生所需的信号。非线性调频信号可选择不同的方法来实现。传统方法是D/A转换法，首先利用MATLAB计算出信号的浮点值，并量化成相应的定点值，存储在FPGA的RAM里，在参考时钟和地址控制下输出各时刻相对应的信号，经过D/A转换器件将量化值平滑转化为模拟值，输出期望的模拟信号，但这种方法要求极高的参考时钟和大量的存储空间，否则精度太低使信号质量很差，而这些条件在实际的工程应用中是很难满足的[2]。
本文采用“S”形的频率-时间曲线的要求来产生非线性调频信号，可以有两种逼近实现方法：阶梯形逼近或折线形逼近。在同样采样间隔条件下，折线形逼近的误差要小许多。这是因为若用曲线的多项式展开拟合理论来分析，折线形逼近的误差是二次项以上的成分，而阶梯形逼近的误差是一次项以上的成分。如果采用阶梯形逼近的方法，DDS芯片输出信号的频率通过改变频率控制字来改变，而且每改变一次频率需要输出更新信号进行一次更新，那它将受到控制器参考时钟的限制，同时也增大了频率变化的时间，使输出信号精度不高，且需要大量的存储空间来存储数据，增加了工程实现的难度。本文为了保障信号的质量，实现简捷，采用了折线形逼近的平滑拟合方法，该方法的实现流程：①首先将AD9914进行软复位；②使DDS芯片工作在数字斜坡模式，为缩短频率转换时间，选择并行传输方式，因为它比串行方式传输速率更快；③将初始频率f0写入频率寄存器；④为了使频率随时间的变化满足f（t）特性，利用MATLAB根据以上所述的原理产生f（t）数据；⑤将脉宽T分成N个时间段，每个时间段长度为ч，T=N*ч；⑥根据相应的要求产生N段线性调频信号。
3 试验结果验证
非线性调频信号参数：中心频率为200MHz，信号带宽为10MHz，时宽为100μs。对由DDS产生的信号用数据采集器进行数据的采样并送入计算机进行分析处理。下面将给出非线性调频信号数据采集后的处理结果，如图3所示为鉴相后的脉压结果。
4 结束语
本文介绍了非线性调频信号的理论产生方法以及软硬件的工程实现方法，并给出了实际输出信号的实测指标，本文所采用的方法具有很大优势，其性能完全符合工程实际所需要的技术指标。
参考文献
[1] 戈稳.雷达接收机技术[M].北京：电子工业出版社，2005：177.
[2] 罗军辉.MATLAB 7.0在数字信号处理中的应用[M].北京：机械工业出版社，2005：57-58.
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