1　引　言
　　多频连续波（MFCW）测距雷达采用比相制提取目标距离信息，因此相位差的测量精度直接影响到测距的精度。寻找一种高精度相位测量方法便成为提高系统测距精度的关键。近年来发展起来的DDS技术采用数字化结构，利用相位数字存储技术，具有精确的频率和相位分辨率。本文给出了一种基于DDS的高精度相位差测量模块的实现方法，该模块以高速DSP芯片作为控制和信号处理单元，具有精度高、控制灵活、体积小等特点。

2　背景系统工作原理
　　本文介绍的相位测量模块源于某多频连续波（MFCW）体制毫米波测距系统。毫米波与微波相比有许多独特的优点，他的波长短，波束窄，分辨能力强，易于轻小型化。
　　多频连续波测距又称多侧音比相制测距，是发射多个称为侧音信号的正弦波，根据接收信号相对发射信号相移来求得目标距离的测距体制。多频连续波雷达测距具有精度高、频带窄的优点。
    单频正弦波经待测距离R往返一次产生的收发相位差为：

其中：θ∈（0，2π）是仪器测得的相位零头，称为视在相差；
    C为光速；
　　λ是频率为f的信号的波长。
    从式（1）可计算出R：

　　由于R中所含测距单位的整数倍n不能由仪器直接测得，因此式（2）中有2个未知数：R和n，产生了距离多值性问题，即距离模糊。距离模糊限制了单频正弦波测距的最大不模糊距离_。果相位能以任意精度测得，则只要降低侧音频率，使，就能消除距离模糊。但是实际上测相误差不可避免，直接影响到测距精度。式（3）为测距精度与测相精度和频率之间的关系：

可见，频率的降低直接导致测距误差增大。
　　多频连续波雷达系统解决了上述矛盾，使得在测相精度不变的情况提高了测距精度。下面以三侧音为例，简单说明一下MFCW系统的解模糊原理。
　　设3个侧音频率分别为ω₁＜ω₂＜ω₃，对应的视在相差为Φ₁，Φ₂，Φ₃，由式（3）可见，同样测相误差下，测距精度逐渐提高；但同时出现了距离模糊。用频率最低的侧音信号得到无模糊但是误差最大的距离值，用他解除侧音ω₂的距离模糊后，精度改善为δR₂，依此类推，直至最高频率侧音信号的距离模糊得以解除。最终，测距精度取决于最高侧音频率的测距精度，最大不模糊距离取决于最低的侧音频率。
　　最高侧音由给定的测相随机误差δφ和测距随机误差δR决定，最低侧音频率应满足最大无模糊距离的限制。
　　本系统中间侧音频率配置采用了分散的直接频率配置方式，即侧音频率成倍数关系。

3　相位测量模块工作原理
　　系统中进行测相和信号处理部分原理框图如图1所示。

　　在每个测试周期，芯片DDS1和DDS2在DSP的控制下产生同频同相的两路单频正弦波信号。假设DDS产生的信号的频率为f₀，DDS1产生的这路信号用于调制35 GHz的毫米波信号。频率调制信号经天线发射出去。假设目标的距离为R，调制信号经目标反射回来，接收机对反射信号进行频率解调，解调出来的信号频率仍为f₀；将这个解调出来的回波信号与DDS2所产生的本振信号经整形后通过鉴相器进行比相；再将相位差经A／D转换为数字信号后送入DSP，DSP根据该值决定对DDS2输出波形进行的相位调整量；如此循环，调整DDS2的相位，直到回波相位与DDS2产生的信号相位相同，即检测A／D转换器送来的结果为0后，DSP根据记录下的总的相位调整量计算目标距离值。

4　系统实现
4．1　芯片简介
　　DDS利用数字技术重复扫描存储器来获取数据，实时构筑所希望的波形。DDS的基本工作原理：在每个时钟脉冲到来时，相位累加器将累加器输出的累积相位与预置的相位增量相加，然后以相加后的结果作为地址，对波形ROM进行寻址，取出与该相位对应单元中的幅度量化编码值，经D／A转换器将其转换为模拟取样值，再经过低通滤波器平滑得到符合要求的模拟量。这种频率合成方式可以获得高精度的频率和相位分辨率，宽的频率范围和快速的频率转换时间；而且，他还具有低相位噪声、设备结构简单、易集成、体积小、成本低等特点。DDS还可以完全采用数字调制方式代替模拟调制方式。本系统采用的AD9832是AD公司推出的采用CMOS技术生产的完全直接数字频率合成器。他的最高工作频率为25 MHz。
　　DSP芯片采用程序空间和数据空间分开的哈佛结构。多总线结构、流水线结构和多处理单元等特点使DSP芯片运行速度大大提高，特别适合进行实时信号处理。在复杂运算和高速数据处理上，DSP芯片有着传统的单片机不可比拟的优势。鉴于系统对于数据高速实时处理的要求，本系统选用了TI公司的TMS320VC5409芯片。该芯片具有以下主要特性：具有增强型哈佛结构，高速并行和带有专用逻辑的CPU设计；高度专业化的指令系统；模块化结构设计；先进的IC工艺；低功耗和提高抗核辐射能力的新静电设计方法。TMS320VC5409最高工作频率可达100 MHz；有3个多通道缓冲串　　口和1个8 b并行与外部处理器通信的HPI接口；有8个辅助寄存器和1个软件栈，允许使用业界最先进的DSPC语言编译器。
　　模数转换器采用了Maxim公司的MAX153，滤波器选用的是Maxim公司的MAX4352，鉴相器选用了Motorola公司的数字鉴频－鉴相器MC4044。
4．2　硬件电路及软件流程
　　在本系统中，2片DDS芯片AD9832和TMS320VC5409用同一个时钟信号源，保证两路DDS的输出信号严格同步。TMS320VC5409有3个多通道缓冲串口（McBSP），可以直接与DDS的端口相连，完成对DDS芯片控制字数据的写入。数据传输利用DSP片内可编程时钟，同步信号由McBSP每次数据发送时产生。同步信号有效后，在每个时钟的下降沿数据被　　写入DDS的数据寄存器。AD9832的相位寄存器由片28外引脚选通，由DSP的HPI（Host PortInterface）控制，此处HDx作为通用IO管脚。A／D转换输出通过并行口送入DSP，DSP根据该结果决定DDS2的相位增量。McBSP和HPI所具有的强大功能的智能外设，使DSP与DDS的接口电路十分简单并且控制灵活。如图2所示。

　　

　　上电后，DSP进行初始化，通过定义为缓冲串口的McBSP＃0，McBSP＃1同时分别给两路DDS的数据寄存器写数据；在这部分软件设计时，要特别注意McBSP数据输出时序与DDS接收数据时序的对应。双路DDS同时开始工作；等待至DDS1发射信号的回波回来，经滤波与DDS2产生的信号鉴相后，DSP控制AD转换器工作并取得转换结果，判断结果值，若不为0，通过HD0和HD1选择DDS2的相位寄存器改变DDS2输出信号的相位，重复鉴相过程；若结果为0，根据已记录的总的DDS2的相位调整量计算距离值。继续给两路DDS写第2、第3个侧音频率的数据，重复上述测相流程，直至多个侧音频率正弦波测距结束。
4．3　性能分析
　　DDS输出信号的相位精度和线性度直接影响到整个模块的测相精度。本方案中DDS的参考时钟频率为20 MHz，其输出频率f_out与时钟频率f_clk及频率控制码决定的相位增量Δφ的关系为：

5　结　语
　　要进一步改善模块测量精度，需尽量减少鉴频鉴相器输入信号的噪声和杂波；提高AD转换器过零点的测量灵敏度也是提高测量精度的关键之一。