DDS的触发抖动引起IQ相位突跳的研究

（海军装备部驻上海地区军事代表局，上海 200083）

0 引言

随着雷达技术的发展，线性调频信号已经广泛应用于高分辨率雷达领域。直接数字频率合成（Direct Digital Synthesizer，DDS）是现代雷达特别是合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）获得线性调频信号的主要方法[1-2]。DDS技术的优点在于相对带宽宽、转换时间短、频率分辨率高、输出相位可连续等方面。而随着DDS系统时钟的不断提高，DDS 触发信号的微小抖动都会导致发射信号的相位突跳，它破坏了相参雷达的相参性，相当于对发射信号添加了一种随机的二相调制，导致接收的IQ 解调信号相位突跳，影响雷达动目标的检测和SAR成像[3-4]。本文将对此问题作深入的分析，并给出相应的解决方法。

1 DDS技术和雷达基带信号产生的基本原理

直接数字频率合成（DDS）的基本原理是利用采样定理，通过查表法产生波形。DDS 主要由相位累加器、正弦查询表、D/A转换器、低通滤波器和参考时钟5个部分组成，如图1所示。

图1 DDS 原理框图

相位累加器在每一个时钟沿与频率控制字K 累加一次，当累加器大于2N时，相位累加器相当于做一次求模取余运算。正弦查找表ROM 在每一个时钟周期内，根据送给ROM的地址取出ROM 中已存储的相对应的正弦幅值（二进制码）；然后将该数值送给D/A转换器变换为模拟量；最后经过低通滤波器滤去高频分量，得到较纯净的正弦波。目前，DDS的实现方法有两种：一种利用专用的DDS 芯片来实现，典型的DDS 集成芯片如美国AD 公司生产的AD985x系列产品，参考时钟从几十MHz 到1 GHz；一种利用通用的FPGA 器件进行专门设计[5]。在雷达设备中通常采用第一种方法。

应用DDS技术来产生雷达基带信号的原理如图2所示。

图2 雷达基带信号产生原理

由图2可以看出，雷达的相参基准源是一高稳定度的晶振，它的一路输出倍频后作DDS的系统时钟fS；一路输出分频后送定时器作基准时钟ftimer，由定时器输出PRF 触发信号去触发DDS 电路产生相应的雷达波形。DDS 工作的时序如图3所示，图3中，在触发之后可以立即输出波形。实际上，大多数DDS 器件在触发信号和输出之间存在一定的延迟[5-6]。但是这个延迟时间是固定的，因此这里不予考虑。

图3 DDS 工作时序图

如果DDS的系统时钟fS和定时器的基准时钟ftimer是整数倍的关系，则因为是来自同一个基准源，所以fS的上升沿和PRF 触发脉冲的前沿通常是对齐的。

2 PRF 触发信号抖动引起DDS 输出的相位突跳

在实际电路中，PRF 触发信号在分频整形和长线传输后前沿的抖动是难以避免的，即使这种抖动较小，但只要满足特定条件，也会引起DDS 输出信号的相位突跳，如图4所示。

图4 PRF 触发信号抖动引起两个DDS 输出

DDS 芯片在每个系统时钟读取触发信号的状态，当判断触发信号出现上升沿后，在DDS系统时钟的下一个上升沿开始按照新装订的参数产生输出信号。如图4所示，当PRF 触发信号的上升沿超前DDS系统时钟fS的上升沿一定时间时，输出波形为DDS 输出1，当PRF 触发信号的上升沿落后DDS系统时钟fS的上升沿一定时间时，输出波形为DDS输出3。由于抖动的影响，PRF信号的上升沿在1和3 之间随机变化，因而DDS的输出波形也在随机跳变。

对于DDS 输出为点频的情况，DDS 输出1 和DDS 输出3 之间的相位突跳∆θ可以由公式求出：

∆θ=2πfO/fS。

根据奈奎斯特定理，DDS的输出频率不会超过1/2系统时钟，故DDS的触发抖动造成的相位突跳小于180°。

随着DDS的系统时钟频率不断提高，触发脉冲抖动的影响越来越大。目前集成的DDS 芯片的工作时钟已经到了1 GHz 以上，这种现象出现的几率大大增加。

在雷达系统中，DDS 输出的基带信号，经过上变频、倍频等中间过程后，变换到发射信号，再经发射机放大后通过天线辐射出去，基带信号的相位突跳必然带来发射信号的相位突跳；回波信号送到接收机，因为发射和接收为同一个基准参考源，所以接收是相参的，回波信号经过下变频和IQ 解调后的视频信号的相位也是突跳的。

这种现象对发射信号添加了一种随机的二相调制，这样就破坏了相参雷达严格的相参性要求，并且会对雷达的相参积累和目标检测产生影响[4]。不仅如此，这种现象还使得来自同一个目标的雷达回波相对于PRF的延迟时间出现抖动，从而会影响对目标距离的精确测量。雷达的距离分辨率和测量精度越高，这种抖动的影响越大。因此，对于距离分辨率很高的SAR 而言，解决好抖动问题，关系重大。

3 相位突跳的实验研究

通过上面的讨论，基本清楚了DDS的触发信号的抖动是如何导致基带信号的相位突跳，并最终引起接收的IQ 检波信号的相位突跳的。然而实际工作中，IQ信号出现相位突跳呈现无规律性。为了进一步证实就是DDS 触发信号的抖动造成的IQ相位突跳，必须结合上述理论分析进行实验验证。

在实验中，用示波器监测触发脉冲、DDS时钟、IQ 输出，通过调整触发脉冲的输出延时，使得脉冲前沿的抖动处于或者不处于DDS时钟信号的上升沿，如图5和图6所示。正如前面所分析的那样，IQ 输出相位突跳有时频繁出现，有时完全消失。

图5 有IQ相位突跳时

通过上述实验基本肯定了：IQ相位的突跳正是由于DDS 触发脉冲的抖动与DDS时钟时序引起的。

上述实验也提供了解决问题的线索。由图5和图6显然可以看出，DDS 触发脉冲的前沿抖动相对于DDS时钟周期是很小的，只要将DDS 触发脉冲和DDS时钟的相对延时作合适的调整就可以了，延时哪一个信号都是可行的。为此选择将定时器送来的DDS 触发脉冲在进入DDS 芯片之前作适当的延时。

但是，实际操作中存在以下问题：即实际的DDS 触发脉冲和DDS时钟的相对延时关系和用电缆、探头测试时在示波器上显示的并不一致，尤其在DDS时钟频率很高的时候会相对偏差更大。从上面所做实验中保存下来的两幅图就很明显的看出，示波器显示的似乎和理论分析的情况刚好相反。这当然只是一种巧合，因此要避开这个问题。

继续上面的实验：通过调整脉冲延时，找到相位抖动最严重的时序图后，以它为参考，在同样的条件下（即使用同样的电缆和探头，监测同样的测试点），触发脉冲更换为定时器提供，将其前沿调整到时序图中的相对位置再延时1/2个DDS时钟周期。（要注意的是：示波器上显示的时序关系可能和实际的刚好相反，如图5和图6所示，这也是找参考时序图的原因）。

经过调整DDS 触发脉冲的延时后，分机在多次实验都未出现IQ相位突跳的问题。

4 实验结果分析

实验结果表明，如果PRF 触发信号与DDS时钟的时序关系不合适，则会引起发射的LFM信号和接收机输出的IQ信号的相位突跳。而通过调整PRF 触发信号相对于DDS系统时钟的延迟，完全可以避免此现象的出现。

理论上，使PRF 触发脉冲的上升沿处于DDS系统时钟两个相邻上升沿的中间位置（相位相差180°），允许的PRF 抖动范围最大，如图7所示。在这种情况下，只要PRF 抖动小于1/2个DDS系统时钟，就完全可避免相位突跳的产生，得到稳定的输出信号。这也意味着，在电路设计上，必须避免PRF 脉冲由于阻抗匹配不好而失真过大，并且尽量减少叠加在PRF 和DDS时钟信号上的随机噪声。

图7 PRF 触发信号与DDS时钟的最佳相位关系

首先，这种正确的时序关系需要依靠DDS 控制电路的设计来解决；其次，在DDS时钟频率高达GHz级下，PCB 走线的长度影响很大，因此对PCB设计也提出越来越高的要求；另外，系统装配、连线的离散性、芯片延迟时间的不确定性、噪声和工作温度都可能影响触发信号上升沿的波形和延迟时间，从而对时序关系产生影响。这些不确定性因素不能仅依靠设计解决，而必须通过试验来精确测量。

进行试验测量时，线缆的长度、测量点位置的选择都会引起信号的延迟。因此，示波器上显示的信号相位关系可能与DDS 芯片内部的信号相位关系不同有关。首先，找到相位跳变最严重时的延迟时间T0，这相当于图4中的相位关系；然后，调整PRF 脉冲的延迟时间与T0相差1/2个DDS系统时钟周期，超前或落后均可，得到相当于图7的相位关系，从而有效地避免PRF 脉冲前沿抖动的影响。

5 结论

随着DDS系统时钟频率的不断提高，如果DDS触发信号的抖动超出了DDS 工作时钟的上升沿，就可能出现发射信号在脉冲之间存在相位突跳，最终导致接收的IQ相位突跳。解决的办法是将DDS系统时钟信号或者触发脉冲做适当的延时，使得触发脉冲信号的前沿落在DDS系统时钟的两个上升沿中间，只要保证触发脉冲前沿的抖动不超过DDS系统时钟的一个周期，就可以避免突跳。因为DDS触发脉冲和DDS时钟的传输延时受到多种因素的影响，无法准确预测，所以在具体的电路设计中，可以在这两个信号的通路上预先加入延时电路，以便在生产阶段将时序调整到最稳定的状态；另外，在满足设计要求的情况下应该尽量降低DDS时钟的工作频率。

[1]MERRILL I SKOLNIK.雷达系统导论[M].3 版.北京:电子工业出版社,2006:549-562.

[2]WU Y,LI J.The design of digital radar receives[J].Proc.IEEE National Radar Conf.1997,34(2):207-210.

[3]DAVIDSON W,WONG F H,CUMMING I G.The effect of pulse phase errors on the chirp scaling SAR processing algorithm[J].IEEE Trans.on Geosciences and Remote Sensing,1996,34(2):471-478.

[4]周健.雷达频率源中DDS的触发抖动对目标检测的影响[J].电子工程师,2004,30(4):4-6.

[5]张冬梅,杨建宇,熊金涛.基于FPGA 实现DDS技术的雷达波形产生器的设计[J].现代电子技术,2005,195(4):103-105.