(1.吉林省经济管理干部学院,长春 130021;2.长春理工大学,长春 130022)

1 引 言

随着汽车数量的快速增加，交通事故频繁发生，由此导致的生命财产损失数目惊人，所以，世界各国的汽车制造商、大学和科研院所先后投入大量的人力、物力、财力研制汽车防撞系统。但防撞雷达系统中扫频源的参数直接影响到雷达的可靠性和测距的性能，因而高稳定度的扫频源也成为整个汽车防撞雷达系统设计中的重要部分。

实现扫频源的方法通常有两种[1]，一种是混频的方法，另一种是直接数字频率合成(DDS)的方法。前者混频后的高次谐波直接影响扫频源质量，如果没有窄带滤波器，高次谐波将引起通信带宽内的噪声基底提升，使信噪比下降，降低了通信的距离，增加了通信的误码率，目前国内外大多数汽车防撞雷达都采用这种混频方法。DDS技术主要解决了高次谐波的问题，但杂散问题也是DDS技术不可避免的。AD公司新推出的AD9910芯片，解决了之前DDS芯片杂散高的问题[2]。本文主要设计了以AD9910为主芯片，以DSP(TMS320LF2407[3])作为控制芯片的汽车防撞雷达扫频源，利用AD9910输出的低杂散差分信号，后接低通声表滤波器或带通滤波器，滤除无关频率分量，从而得到某一频率上单一稳定的信号。

2 硬件电路设计

(1)AD9910介绍

AD9910集成了14位的D/A[4]，采样频率最大可达1 Gsample/s，最小频率步长约为0.23 Hz，同时也能实现快速的输出信号变化。输出信号的频率、相位和幅度可以同时改变，AD9910通过串行I/O口控制其内部的控制寄存器，利用这些寄存器可以完成快速跳频、扫频等实际工程的需要。它的输出信号参数通过改变相应的寄存器来完成，相应用法见软件设计部分。

AD9910支持只通过SDIO引脚进行读/写的二线模式和通过SDIO/SDO进行读/写的三线模式，两种模式都需要CS和I/O-RESET配合使用。它的控制信号来自于DSP，它的串口和DSP的SPI总线相连，由DSP控制AD9910的寄存器，进而控制输出信号的频率、相位和幅度。

(2)电源部分设计

AD9910芯片需要两个电源，分别为+1.8 V和+3.3 V。芯片的+3.3 V电源引脚直接接到DSP的+3.3 V电源上，而+1.8 V电源引脚则需要单独引入。基于以上情况，本设计采用+5 V电源输入，需要的+3.3 V和+1.8 V电源分别通过LM117和LM1764-1.8两个电源转化模块得到，并且两个模块最大输出电流分别为500 mA和2 A，电源容量满足要求。

不粘锅只是在铝锅、铁锅、不锈钢锅基础上加了一层不粘涂料，短期内可不生锈、不易粘锅、少油烟，清洁方便、导热均匀，但通常涂层会随着使用而消耗。

(3)串口规定

DSP的SPI总线的最快速率为10 Mbit/s(参考时钟为40 MHz)，完全可以满足DDS串口数据传输的要求。其中SCLK接到DSP的IOPC4，SDIO接到DSP的IOPC2，CS接到IOPC5，I/O-RESET接IOPC0，I/O-UPDATE接IOPC1。DDS参考时钟由恒温晶振OCXO提供。输出的差分信号通过耦合线圈合成一路信号后，再经过巴特沃兹滤波器去除一次高频分量[5]，这样可以得到纯净的有用信号，如图1所示。

图1 系统硬件框图Fig.1 System hardware block diagram

(4)倍频部分

DDS输出信号频率只有几百兆赫，而高频通信所用的频率源大多为几吉到几十吉赫，这样需要倍频。本设计采用的倍频系统是先二倍频、再三倍频、又二倍频的形式，每次倍频后使用窄带滤波器进行滤波，再进行下一次倍频。

理论上，只要滤波器带宽足够窄，便可以得到倍频后信号的任何高次谐波[6]。本设计就是采用这一点来实现的，即在尽可能少的倍频次数下得到高频率的有用信号。如第一次二倍频后，选取输出信号中4次或6次谐波作为下一级倍频的输入信号，这样就可以减少一次倍频过程。

在电路设计过程中，由于系统使用了+5 V、+3.3 V等多种数字电源和模拟电源，并且外加参考频率的输入线、输出信号的微带线和控制信号线同时存在于系统内部，因此在设计PCB电路板时为避免信号线间相互干扰，电源输入端通过电感和滤波电容进行滤波，数字地和模拟地通过电感耦合。

线性扫频源输出频率变化的时间差是一个十分重要的参数，以往的汽车防撞雷达中这部分大多数都达到了微秒数量级，与利用TMS320VC5416实现的防撞雷达系统[7]或利用AD9958实现的防撞雷达系统[8]相比，由于采用了AD9910芯片，本设计的频率变化可以在纳秒数量级内完成，这样就增加了在等速度条件下防撞雷达的预警时间，保证了防撞效果，大大提高了行车的安全性。

3 软件设计

本信号源软件设计部分主要就是对AD9910初始化的控制，把相应的控制字写入到寄存器内，如果需要改变频点、相位等参数，可以重新写控制字即可。

(1)串口初始化

本设计所使用的串口模式为二线模式，SDIO、SCLK和片选信号之间的时序如图2所示。数据在时钟上升沿有效，串口传输指令格式为先发送指令字节，再发送数据。

图2 串口时序图Fig.2 Serial interface sequential diagram

图2中，指令字节的格式如表1所示。

表1 指令字节Table 1 Instruction byte

表1中，R/W为读/写控制位，1为读，0为写，X为无效位。

A4～A0寄存器控制位，不同的数字组合代表对不同的寄存器进行读/写操作。在一帧数据中控制器先发送指令字节(高位在前，低位在后)，第二个字节后为数据部分，根据写入寄存器的不同，数据字节长度也不同。

DSP的开发系统是CCS(Code Composer Studio)，它支持C/C++语言，它初始化SPI总线程序如下：

int spiinitial()

{*SPICCR=0X0047;*SPICTL=0X0006;*SPIBRR=0X27;*SPICCR=*SPICCR|0X0080;}

写寄存器程序如下：

int spitrans(data)

{int f;*SPITXBUF=data;

while(1)

{f=*SPISTS&0X40;if(f==0x40) break;}

*SPIRXBUF=*SPIRXBUF;*PCDATDIR=(*PCDATDIR|0X0FF00)&0X0FF00;delay();}

(2)寄存器控制

由于DSP串口用8位数据传输，所以程序中spitrans()函数中数据为高8位有效，低8位补0，如spitrans(0xXX00);delay();…}，其中XX代表8位16进制数据。

4 测试与分析

测试所采用的是频谱分析议Aglient E4447A，DDS输出信号频谱如图3所示，信号输出幅度为-8 dBm，并可调整其大小，考虑到所接信号线和接头上的损耗，实际输出信号幅度应大于-8 dBm。从图中可以看出，经过低通滤波后的DDS输出信号的相噪已达-70 dBc/Hz@1 kHz，杂散已被滤除。

图3 AD9910输出信号Fig.3 The output signal of AD9910

图4 倍频后X频段信号Fig.4 X-band signal after frequency multiplication

倍频后频谱如图4所示。从图中可以看出，倍频后信号(X频段)的相噪为-70 dBc/Hz@1 kHz左右。由于倍频器有插入损耗，所以信号在高频段幅度下降到-16 dBm。在设计中，DDS参考时钟采用的是参数(频率稳定度、相噪)足够好的恒温晶振，所以，AD9910输出的射频信号就可以达到很高的精确度和较低的相位噪声。依靠 AD9910输出的多种多样的调制信号模式[9]，信号源不但能输出一定频率的正弦波，还能产生各种各样的调制信号，包括 AM、FM、ASK、FSK等信号模式，并且控制非常灵活。

5 结 论

上述分析和试验结果表明，本设计所提供的信号在幅度、相噪和稳定度完全满足整个汽车防撞雷达系统对这扫频源信号的要求。在实际的测试和多目标识别过程中，采用本设计的信号源作为本振(LO)或基带信号进行调制、解调也完全达到了要求。利用AD9910实现的扫频源具有误码率低的优点，并且在-40℃环境下仍可正常工作，在温度和可靠性上都有明显的提高。在设计PCB电路板时为避免电磁干扰，信号线与电源线间通过通孔隔离，去除了集肤效应。

由于AD9910芯片功耗较大，为保证长期可靠工作，在实际使用过程中，在芯片表面加一个散热片效果会更好。另外，在后续研发中为了增加毫米波汽车防撞雷达系统的预警距离，可以在扫频源信号接到射频前端前再加入一级或二级放大电路，放大信号的功率。

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1GSPS 3.3V CMOS Direct Digital Synthesizer[Z].MA,USA:Analog Devices,Inc.,2008.(in Chinese)

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LIANG Pin, CHEN Zhao-zhang, YU Jing-quan. Design of Anti-collision Radar for Automobiles Based on DSP and Its Signal Processing[J]. Microelectronics, 2007(5):628-635. (in Chinese)

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HUANG Yan-guo, XIAO Ding-hua, XU Lun-hui. A Millimeter Wave Automotive Anti-collision Radar System Based on DSP[J]. Microcomputer Information, 2008,24(9):111-113. (in Chinese)

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ZHAO Yun-di, YANG Xiao-xian. Design of Dual-channel Direct Frequency Synthesizer Based on DDS Chip AD9958[J]. Radio Engineering of China, 2006,36(3):45-50. (in Chinese)

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