【正文】 t up frequency conversion at the intermediate frequency (IF) by DSP devices. Here, we adopt a way of digital up frequency conversion twice with DSP and orthogonal DUC AD9857. The DSP produces base band signal at relative low frequency, and make interpolation to improve data rate. After that, the data flows to AD9857, and AD9857 implements secondary interpolation, quadrature modulation, D/A transformation controlled by DSP. Finally the DUC system outputs analog IF signal. The scheme has simple structure with flexible control and can well satisfy the requirement of SDR.The paper also makes an investigation about FMICW on its parameter design and performance, and lays out the whole process and result.Key words: DUC，DSP，AD9857, HFSWR目 錄摘 要 IABSTRACT II第一章 緒論 1167。 高頻地波雷達(dá) 1167。 基于軟件無(wú)線電的雷達(dá)通用平臺(tái) 2 軟件無(wú)線電概述 2 雷達(dá)通用硬件平臺(tái) 3167。 本文各章內(nèi)容安排 5第二章 數(shù)字上變頻相關(guān)理論 7167。 多速率信號(hào)處理理論 8 整數(shù)倍內(nèi)插 8 整數(shù)倍抽取 9 采樣率分?jǐn)?shù)倍變換 11167。 高效數(shù)字濾波理論 12 半帶濾波器（HB） 12　積分梳狀濾波器(CIC) 13167。 數(shù)字混頻正交變換理論 15第三章 線性調(diào)頻中斷連續(xù)波體制分析 17167。 調(diào)頻中斷連續(xù)波工作原理 17 FMICW信號(hào)波形 17 距離信息的提取 19 速度信息的提取 20167。 調(diào)頻中斷連續(xù)波體制性能分析 22167。 雷達(dá)基本參數(shù)設(shè)計(jì) 25第四章 硬件電路設(shè)計(jì) 27167。 上變頻系統(tǒng)總體規(guī)劃 27167。 芯片選型 27 數(shù)字信號(hào)處理器TMS320VC5409 28 數(shù)字上變頻器AD9857 32 片外RAM、ROM及接口電路 33167。 硬件電路模塊設(shè)計(jì) 35 電源模塊設(shè)計(jì) 35 C5409片外存儲(chǔ)器配置 36 C5409與AD9857接口分析 36167。 印制電路板（PCB）設(shè)計(jì) 39第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 43167。 DSP集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS 43167。 AD9857參數(shù)設(shè)計(jì) 44167。 軟件設(shè)計(jì)與仿真 45 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 45 算法有效性驗(yàn)證 47第六章 總結(jié)與展望 51參考文獻(xiàn) 52致 謝 55第一章 緒論海洋是人類(lèi)賴(lài)以生存和發(fā)展的重要環(huán)境，是地球表面尚未得到充分利用的巨大資源寶庫(kù)，尤其是在人類(lèi)社會(huì)面臨人口膨脹、資源匱乏、環(huán)境污染等一系列重大難題的今天，海洋的充分開(kāi)發(fā)利用是人類(lèi)社會(huì)面臨的重大任務(wù)和研究課題。海上的任何活動(dòng)，無(wú)論是海洋開(kāi)發(fā)與研究，還是海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、災(zāi)害預(yù)報(bào)和保衛(wèi)領(lǐng)海主權(quán)，都依賴(lài)于對(duì)風(fēng)、浪、流、潮等海洋環(huán)境要素基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、變化規(guī)律的掌握和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。因此迫切需要先進(jìn)的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備和技術(shù)，對(duì)海洋環(huán)境實(shí)現(xiàn)全方位、多手段的立體監(jiān)測(cè)，及時(shí)準(zhǔn)確地掌握海洋自身運(yùn)動(dòng)變化的規(guī)律。167。 高頻地波雷達(dá)國(guó)際上近三十年發(fā)展起來(lái)的高頻地波雷達(dá)是一種可以連續(xù)監(jiān)測(cè)大面積海域的遙感設(shè)備，可以探測(cè)到波浪的定向分布、流速流向、風(fēng)速風(fēng)向等海洋表面動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)要素的信息，以及海面上低速移動(dòng)的艦船、低空飛行的飛機(jī)等硬目標(biāo)。高頻地波雷達(dá)用于海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)具有明顯的優(yōu)勢(shì)：覆蓋范圍大，探測(cè)精度高，運(yùn)行費(fèi)用低廉，實(shí)時(shí)性好，不受天氣及海洋氣象條件影響，可全天候工作，并能探測(cè)到視距以外的海域，是現(xiàn)有海洋遙感設(shè)備不可替代的關(guān)鍵技術(shù)[1,2,3]。武漢大學(xué)于1986年開(kāi)始用高頻無(wú)線電波探測(cè)海洋表面狀態(tài)參數(shù)的研究，并于1993年利用自行研制的海態(tài)監(jiān)測(cè)分析雷達(dá)OSMAR(Ocean State Measuring and Analyzing Radar)在廣西北海圓滿完成現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)[1]，隨后于2000年成功研制了兩部探測(cè)風(fēng)、浪、流及海上低速移動(dòng)目標(biāo)的中遠(yuǎn)程高頻地波雷達(dá)OSMAR2000。整體性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)外90年代中期先進(jìn)水平[4]。2001～2003年，結(jié)合當(dāng)前最新集成電路技術(shù)和新興的軟件無(wú)線電技術(shù)，對(duì)OSMAR2000的接收系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)，取名OSMAR2003，新的雷達(dá)系統(tǒng)集成度更高，靈活性更強(qiáng)，可操作性更好。設(shè)計(jì)雷達(dá)系統(tǒng)的傳統(tǒng)方法是根據(jù)探測(cè)目標(biāo)的性質(zhì)，采用基于硬件、面向用途的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出的雷達(dá)系統(tǒng)往往功能比較單一、靈活性差，無(wú)法適應(yīng)在不同的環(huán)境下對(duì)不同屬性的目標(biāo)進(jìn)行智能化跟蹤探測(cè)的需要，若探測(cè)任務(wù)變更，原有的設(shè)備就可能無(wú)法勝任，需要更換整套設(shè)備。不僅雷達(dá)研制單位需要付出許多重復(fù)性勞動(dòng)，雷達(dá)用戶也增加了額外的購(gòu)買(mǎi)成本，給使用和維護(hù)雷達(dá)也帶來(lái)極大的不便。若能研制出同時(shí)兼顧近程、中程和遠(yuǎn)程的高頻地波雷達(dá)通用平臺(tái)，利用軟件重新配置雷達(dá)工作參數(shù)來(lái)完成不同海域的探測(cè)任務(wù)，就能實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，真正體現(xiàn)出高頻地波雷達(dá)在海洋遙感、目標(biāo)探測(cè)等方面廉價(jià)高效的優(yōu)勢(shì)。 167。 基于軟件無(wú)線電的雷達(dá)通用平臺(tái)軟件無(wú)線電是在20世紀(jì)90年代初期提出來(lái)的一種新的無(wú)線通信系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。它的基本思想是以開(kāi)放的、可擴(kuò)展的、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的硬件為通用平臺(tái)，把盡可能多的通信功能用可升級(jí)、可替換的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果能把軟件無(wú)線電的設(shè)計(jì)思想應(yīng)用于雷達(dá)的設(shè)計(jì)研制，也就是實(shí)現(xiàn)軟件化雷達(dá)，那么就能比較圓滿的解決目前雷達(dá)設(shè)計(jì)中所存在的問(wèn)題。在無(wú)須更換硬件設(shè)備的情況下就可以探測(cè)不同的海域，或執(zhí)行同一海域的不同探測(cè)任務(wù)。 軟件無(wú)線電概述眾所周知，由于無(wú)線通信設(shè)備簡(jiǎn)單、便于攜帶、易于操作、架設(shè)方便等特點(diǎn)，在現(xiàn)代通信中的起著舉足輕重的作用，廣泛的應(yīng)用也使得無(wú)線通信系統(tǒng)的種類(lèi)越來(lái)越多，越來(lái)越復(fù)雜。不同的無(wú)線通信系統(tǒng)由于自身的特點(diǎn)而應(yīng)用于不同的場(chǎng)合：短波電臺(tái)適合遠(yuǎn)距離傳輸，發(fā)射功率不大，其“中繼系統(tǒng)”電離層不會(huì)被摧毀；衛(wèi)星通信能傳播高質(zhì)量的信息，提供很寬的頻帶；微波通信抗干擾能力強(qiáng)，適合大數(shù)據(jù)量傳送，但只能用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸。然而工作頻段、波形結(jié)構(gòu)、調(diào)制方式、通信協(xié)議、數(shù)字信息的編碼加密方式等的不同，極大的限制了不同通信系統(tǒng)之間的通信互聯(lián)，給協(xié)同作戰(zhàn)、跨國(guó)經(jīng)商、海外旅游等活動(dòng)帶來(lái)極大的不便。為了解決兼容性問(wèn)題，各國(guó)進(jìn)行了積極探索，1992年5月，在美國(guó)電信系統(tǒng)會(huì)議（IEEE National Telesystems Conference）上，MITRE公司的Joe Mitola首次明確提出了軟件無(wú)線電的概念，其核心思想是：構(gòu)造一個(gè)具有開(kāi)放化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺(tái)，使A/D和D/A盡量接近天線，并通過(guò)軟件加載實(shí)現(xiàn)各種無(wú)線通信系統(tǒng)的不同功能[5]。軟件無(wú)線電的主要特點(diǎn)可以歸納如下：1. 系統(tǒng)功能軟件化：軟件無(wú)線電將A/D和D/A變換盡量向射頻端靠攏,將中頻以下全部進(jìn)行數(shù)字化處理，使通信功能由軟件來(lái)控制，硬件系統(tǒng)的更新?lián)Q代變成軟件版本的升級(jí)，開(kāi)發(fā)周期與費(fèi)用大為降低。2. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)模塊化：采用模塊化設(shè)計(jì)，模塊的物理和電氣接口技術(shù)指標(biāo)符合開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)。同類(lèi)模塊通用性好，通過(guò)更換或升級(jí)某模塊就可實(shí)現(xiàn)新的通信功能。3. 利于互換：不同的通信系統(tǒng)都基于相同標(biāo)準(zhǔn)的硬件平臺(tái),只要加載相應(yīng)的軟件就可完成不同的電臺(tái)與不同系統(tǒng)之間的互聯(lián)。4. 系統(tǒng)監(jiān)控方便：由于軟件無(wú)線電至少在中頻以下進(jìn)行數(shù)字化處理,通過(guò)軟件就可很方便地完成寬帶天線監(jiān)控、系統(tǒng)頻帶調(diào)整、信道監(jiān)測(cè)與自適應(yīng)選擇、信號(hào)波形在線編程、調(diào)制解調(diào)方式控制及信源編碼與加密處理。 雷達(dá)通用硬件平臺(tái)數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是整個(gè)雷達(dá)軟件無(wú)線電技術(shù)的靈魂和核心，而接收和發(fā)射系統(tǒng)則為軟件無(wú)線電技術(shù)的應(yīng)用提供了舞臺(tái)。我們可以這樣理解：發(fā)射系統(tǒng)通過(guò)軟件控制而任意變換各種波形；接收系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)可在一個(gè)通用的、開(kāi)放式的硬件平臺(tái)，盡可能用軟件來(lái)接收各種形式的信號(hào)，完成各種算法的運(yùn)算，輸出各種數(shù)據(jù)格式的運(yùn)算結(jié)果；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)則以嵌入式計(jì)算機(jī)作為通用的、開(kāi)放式的硬件平臺(tái)，盡可能用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)各種目標(biāo)數(shù)據(jù)處理功能、多雷達(dá)信號(hào)特征融合功能和外設(shè)通信功能。這樣，應(yīng)用軟件無(wú)線電技術(shù)的雷達(dá)就具有很好的互通性、靈活性和兼容性，使系統(tǒng)互聯(lián)和升級(jí)變得非常方便，因而也具有很好的可靠性；抗干擾性、抗摧毀性、保密性和安全性。因此軟件無(wú)線電成為數(shù)字雷達(dá)系統(tǒng)的突破性技術(shù)。1. 硬件平臺(tái)原理圖11 雷達(dá)通用硬件平臺(tái)原理圖雷達(dá)通用硬件平臺(tái)原理框圖[2,6]如圖11所示。雷達(dá)處理中頻為，發(fā)射與接收中基帶信號(hào)與中頻信號(hào)之間的變換都在數(shù)字域中完成。混頻器的本振頻率為，射頻信號(hào)頻率為。發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)生過(guò)程是：先由DSP產(chǎn)生兩個(gè)正交的基帶，經(jīng)軟件調(diào)制后送入數(shù)字上變頻器（DUC）中進(jìn)行內(nèi)插處理、正交數(shù)字混頻，以提高輸出信號(hào)的數(shù)據(jù)率，輸出的數(shù)據(jù)送入數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC），由DAC變成模擬中頻信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)濾波和功率放大后進(jìn)入混頻器混頻得到射頻信號(hào)，再經(jīng)過(guò)射頻端電路送到天線上發(fā)射出去。雷達(dá)接收信號(hào)的過(guò)程與發(fā)射信號(hào)相反，接收信號(hào)經(jīng)過(guò)射頻端濾波放大后，與本振信號(hào)混頻，得到中頻處理信號(hào)，再次濾波放大后，送入模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過(guò)數(shù)字下變頻器（DDC）降速處理得到低速基帶數(shù)字信號(hào)，最后送給DSP處理。由圖上可以看出，從基帶信號(hào)的產(chǎn)生到雷達(dá)處理中頻全部都在數(shù)字域中完成，這種設(shè)計(jì)思想帶來(lái)的最大好處是靈活性強(qiáng)，便于修改。圖中省略了DSP芯片的一些外設(shè)設(shè)備，如片外RAM和FLASH等(后文會(huì)詳細(xì)介紹)，選擇不同的芯片，平臺(tái)結(jié)構(gòu)也會(huì)稍有變化。如圖中標(biāo)識(shí)的，受限于目前DSP的處理能力，數(shù)字上/下變頻由專(zhuān)用的芯片來(lái)完成，然而隨著數(shù)字技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，DSP芯片的規(guī)模和速度的進(jìn)一步提高，最終所有的數(shù)字信號(hào)處理將由DSP芯片完成，從而真正實(shí)現(xiàn)軟件無(wú)線電。2. 硬件平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)軟件無(wú)線電有很多優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)它也對(duì)相關(guān)技術(shù)提出了更高的要求?；谲浖o(wú)線電的通用硬件平臺(tái)的具體實(shí)現(xiàn)，需要以下關(guān)鍵技術(shù)[6,7,8,9]：l 開(kāi)放式總線結(jié)構(gòu)軟件無(wú)線電的一個(gè)重要特點(diǎn)是其開(kāi)放性，這主要體現(xiàn)在軟件無(wú)線電所采用的開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)化的總線結(jié)構(gòu)上，只有采用先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)化總線，才能發(fā)揮軟件無(wú)線電適應(yīng)性廣，升級(jí)換代方便等特點(diǎn)。高頻地波海洋監(jiān)測(cè)雷達(dá)的系統(tǒng)總線的選擇從VME到VXI再到如今的LXI，總線性能不斷優(yōu)化，可靠性和數(shù)據(jù)傳輸率也不斷提高。l 高速數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)DSP芯片是軟件無(wú)線電的靈魂和核心所在，軟件無(wú)線電的靈活性、開(kāi)放性、兼容性等特點(diǎn)主要通過(guò)DSP芯片為中心的通用硬件平臺(tái)及DSP軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。從前端接收下來(lái)的信號(hào)，或從功放發(fā)射出去的信號(hào)都要經(jīng)過(guò)DSP芯片的處理：或頻譜分析、信號(hào)解調(diào)、信號(hào)類(lèi)型識(shí)別，或進(jìn)行信號(hào)的數(shù)字上下變頻，或進(jìn)行各種各樣的數(shù)字調(diào)制、數(shù)字濾波、比特流的編碼、譯碼、同步信號(hào)的獲取等等。軟件無(wú)線電中的DSP芯片除了能適應(yīng)運(yùn)算處理的高速度、高精度、大動(dòng)態(tài)范圍、大運(yùn)算量外，還應(yīng)具有高效率的結(jié)構(gòu)和指令集、較大的內(nèi)存容量、較低的功耗等特點(diǎn)。DSP芯片擅長(zhǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，但在智能控制方面有所欠缺。上面提到，如果采樣速率較高，DSP處理數(shù)據(jù)的壓力將會(huì)非常大，即使是目前處理速度最快的單片DSP芯片TI公司的C6X系列，這還不能完全滿足軟件無(wú)線電的要求。另外系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理時(shí)，大量的數(shù)據(jù)要進(jìn)出DSP，DSP吞吐數(shù)據(jù)能力的不足也是一個(gè)瓶頸。因此很難用DSP直接處理寬帶射頻或中頻信號(hào)。由于實(shí)際通信往往是窄帶的，其信號(hào)帶寬為幾十或幾百，可以用多速率信號(hào)處理技術(shù)對(duì)信號(hào)預(yù)處理，再由DSP完成各種功能。目前采用的辦法是用DUC，DDC或FPGA等專(zhuān)用芯片先完成數(shù)據(jù)處理的部分功能，再用DSP處理剩余的工作。另外，也可以利用多個(gè)DSP并行處理的方法來(lái)提高DSP的數(shù)據(jù)處理能力。在使用多個(gè)處理器時(shí)，必須采用合理有效的方法來(lái)連接和協(xié)調(diào)它們之間的工作，例如：共享中間結(jié)果、程序信息、協(xié)調(diào)工作內(nèi)容等，這需要在多個(gè)處理器之間采用高速專(zhuān)用的數(shù)據(jù)鏈路。l 數(shù)字上/下變頻技術(shù)傳統(tǒng)的雷達(dá)發(fā)射通道采用模擬變頻技術(shù)，用模擬基帶信號(hào)和本振信號(hào)混頻形成中頻已調(diào)信號(hào)，精度很難做得很高，線性度也不高，還有多次諧波。而數(shù)字上變頻技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高精度，高線性度，無(wú)諧波分量的頻譜搬移，而且由于有內(nèi)插過(guò)程，基帶信號(hào)的速率可以較低，這也為DSP處理基帶數(shù)字信號(hào)的調(diào)制編碼減輕了負(fù)擔(dān)。雷達(dá)對(duì)接收信號(hào)在中頻進(jìn)行數(shù)字化，ADC的采樣速率較高，用DSP器件或軟件對(duì)信號(hào)后處理的運(yùn)算量將會(huì)非常大。解決的辦法是， A/D變換之后先對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行下變頻，把采樣數(shù)據(jù)變換到基帶，再利用抽取濾波器降低數(shù)據(jù)速率，將這些運(yùn)算量大的任務(wù)交給專(zhuān)用芯片完成，既保持了軟件無(wú)線電的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)又具有可實(shí)現(xiàn)性。目前單片的DUC和DDC集成了頻率變換、數(shù)據(jù)率變換、數(shù)字濾波、增益控制、重采樣、數(shù)模轉(zhuǎn)換等一系列功能。DSP產(chǎn)生的兩路正交、同相數(shù)據(jù)通過(guò)DUC處理得到所需載頻的模擬信號(hào)；而采樣數(shù)據(jù)通過(guò)DDC處理后形成正交、同相兩路輸出，兩個(gè)通路上所用的處理單元相同，保證了兩路輸出在幅度和相位上具有較好一致性。l 高速A/D、D/A變換技術(shù)在軟件無(wú)線電通信體統(tǒng)中，要達(dá)到盡可能多的以數(shù)字信號(hào)形式處理無(wú)線信號(hào)，必須把ADC、DAC盡量靠近射頻前端，為了減少模擬環(huán)節(jié)，在較高的中頻，甚至射頻段就開(kāi)始對(duì)信號(hào)進(jìn)