张晓博 1 ，晋良念 1，2 （1.桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林 541004；2.广西无线宽带通信与信号处理重点实验室， 广西 桂林 541004）

摘要：为了解决传统探地雷达集成难度大的问题，提出一种基于先进软件无线电技术的全新探地 雷达设计方案。通过对 ADRV9002 的特性和开发方式进行研究，设计了能够满足探地需求的跳频 信号。为增强雷达检测和分辨率能力，同时考虑到发射的信号需要满足正交性，根据两种不同机 制的跳频信号分别设计了以时间分集和频率分集两种不同 MIMO 收发方式。根据实验结果对比可 知，ADRV9002的跳频速度优于 AD936X，可以为探地雷达系统设计提供更为快捷的设计思路。

关键词：探地雷达；软件无线电；ADRV9002；跳频信号；MIMO

Design of multi⁃channel ground penetrating radar transmitter based on ADRV9002

Abstract: In order to solve the difficulty of traditional GPR integration，a new GPR design scheme based on advanced software radio technology is proposed. By studying the characteristics and development mode of ADRV9002，the frequency hopping signal which can meet the requirements of ground exploration is designed. In order to enhance the detection and resolution ability of radar，and considering that the transmitted signal needs to meet the orthogonality，two different MIMO receiving and receiving modes with time diversity and frequency diversity are designed according to the frequency ⁃ hopping signals of two different mechanisms. According to the experimental results，the frequency hopping speed of ADRV9002 is better than that of AD936X，which can provide a faster design idea for GPR system design.

Keywords: ground penetrating radar；software radio；ADRV9002；frequency hopping signal；MIMO

    根据 2022 交通运输部统计，公路建设固定投资 28 527亿元，比往年增长 9.7%，公路的建设成本在稳 步上升[1] 。在这样的背景下，对公路病害的及时、准确检 测变得尤为关键，因此探地雷达应运而生。然而，国内 外大部分探地雷达不仅价格昂贵，而且由于都是基于硬 件进行设计，其功能设计上差异很大，改进功能必须从 硬件上入手，其通用性与灵活性受到了极大的限制[2] 。

    近年来，由于软件无线电技术拥有高度集成和 配置灵活的特征，它在商业和军事应用中都受到了 广泛的关注[3] 。软件无线电运用场景广泛，为探地场 景提供了一种可行性支持。在软件无线电领域，ADI 公司是软件无线电领域的领先企业，其 AD936X 系 列产品已经在各种监测系统中得到了广泛应用[4] ，而新推出的 ADRV 系列产品在性能上有了更大提升[5] ， 能在更多的应用场景中发挥潜能。

    该文基于上述探地雷达与软件无线电平台的发 展现状，选用 ADI公司的 ADRV 系列产品 ADRV9002 和 Xilinx 公司 ZYNQ-7000 系列的 ZC706 板卡搭建探 地雷达发信机平台，从信号模型出发，设计了较低成 本的探地雷达多通道发信机链路，并在平台上成功 实现了发射跳频信号，从而满足了对浅层地下目标 高分辨率检测的要求。 

1 多通道探地雷达发信机信号模型

    跳频信号是一种频率进行离散变化的信号，由 瞬时窄带合成大宽带，可以保证一定的距离分辨 率。跳频信号根据频率跳变的规律又分为均匀步进 频率（Step Frequency, SF）和随机步进频率（Random Stepped Frequency, RSF）。其中，均匀步进频率可以 通过多通道以时间分集的方式配置收发，随机步进 频率可以通过多通道以频率分集的方式配置收发。

    步进频雷达信号常规下的频率变化按照均匀步 进变化，信号模型为：

    式中，A为振幅，Tr 为脉冲的间隔，T为单个脉冲 的周期。fn=fc+nΔf，fn为第 n 个步进脉冲的载频，n=0， 1，2，…，N-1，fc为步进频的起始频率，Δf为均匀步进 频率的步进量，rect(·) 函数表示为：

    随机步进频率信号是基于均匀步进频扩展的一种 频率随机步进的信号，其频率由伪随机序列构成，即各 个脉冲的载频在指定的带宽内伪随机跳变。这种跳变 方式的优点是抗干扰能力强，在提高探测距离的同时， 能避免相同频段相邻雷达之间的干扰。其信号模型为：

    与步进频信号模型不同的是 fn是第 n 个脉冲的 跳频频点，fc是中心载频。跳频点在要求的工作频段 内随机分布，组成频点合集 fn={f0,f1,…,fN-1}。

2 多通道探地雷达发信机的设计方法

2.1 多通道发射机模型的设计

    相较于传统的单发单收探地雷达，MIMO 雷达可以增加更多采样点以丰富道路探测的数据。根据 通道收发频率应保持一致，联系该板特性，该文根据 11 发 11 收需求设计了两种 MIMO 收发方式，在符合 板卡设计的同时，也满足了跳频信号的发射需求。 实际设计由多块板扩展，图示以三块板为例。

    第一种均匀步进频率体制如图 1，通过时间分 集，单次单个天线发射，两个天线接收。板卡通道设 置双发双收（通过射频分选将一个通道接天线）。本 振信号由 LO1、LO2 复用产生，跳频本振同时作用于 两个发射通道和两个接收通道。两发射通道外接射 频 单 刀 双 掷 开 关 (SPDT)。 以 第 一 块 板 为 例 ，Tx1、 Rx1、Rx2 同时使用 LO1 和 LO2 遍历跳频点后，开关 切换到 Tx2。

    第二种随机步进频率体制如图 2，每个天线同时 进行收发，由于是基于伪随机的频率编码，所以各个 通道间信号保持正交。ADRV9002 单个板卡跳频可 以预加载 128 个频点，更多的跳频点则需要使用频 点实时加载方法。

2.2 通道发射链路的设计

    通道的发射链路如图 3 所示，由数据接口、数字 前端和模拟后端组成，基带数据由右端通过串行数 据接口进入数字前端。数字前端的处理部分包括插值滤波、正交幅相校正、本振泄露补偿、数字预失真 等。数字前端的信号经由数模转化（DAC）流入模拟后 端。模拟后端在经过滤波后与高频载波进行混频。

                                 图3 发射链路

2.3 跳频方案的设计

    由于 PLL 本身提供稳定频率需要一定时间，所 以快速跳频功能需要通过两个或多个 PLL 提供频 率，通过切换 PLL 达成频率的快速跳变。ADRV9002 中共有两个射频 PLL，所以使用两个 PLL 切换的方 式产生跳频载波。在 PLL1 的频率被通道开关选择 时，PLL2 已经在准备第二个跳频点，在合适的时间 将开关转到 PLL2 上，PLL1 再重新调谐，以此类推两 个 PLL相互作用。两个 PLL复用的情况下，单个 PLL 调谐时间满足：PLL 调谐时间≤2 次转换时间+1 次持 续时间。

    PLL 在不同的参考时钟下的重新调谐时间不 同，所以跳频的速度和 PLL 的参考频率源有着直接 的联系。ADRV9002 的 PLL 参考时钟对应调谐时间 如表 1所示。

3 基于ADRV9002的多通道探地雷达 发信机实现

3.1 硬件结构

    ADRV9002 射频收发通道为两发两收，其发射 频率支持范围为 30 MHz~6 GHz。可以工作在时分 双工和频分双工下。收发带宽最高可以达到 40M。该设计基于 Zynq-7000 系列的 ZC706 板配合 ADI 公 司的宽带收发器 ADRV9002 使用。ZC706 通过 FMC （FPGA Mezzanine Card）接口连接 ADRV9002。FMC 接口提供了多个高速数据通道、时钟和配置信号线， 以实现快速的数据传输和设备控制。

3.2 实现方法

    ADRV9002 作为 ADI 公司 2020 年新推出的板 卡，其内部已不开放寄存器，转而使用 SDK 直接使用 API。这样的好处是不再需要特别复杂的数据手册， 但是官方对于 API 的开发进度也影响了其开发功能 的 进 度 。 文 中 选 用 的 两 种 开 发 方 式 基 于 不 同 的 ZC706 启动方式，即通过修改 SW11 的五位拨码分别 选择 SD 卡启动方式或 JATG 方式进行调试。以 API 的 方 式 驱 动 ADRV9002 需 要 了 解 其 内 部 状 态 机。 ADRV9002驱动的状态转移如图 4所示。

    设备上电后首先执行初始化：初始化首先需要 对相关的数据结构进行初始化，完成后加载配置文 件，配置文件中包含了带宽、采样率、滤波器、端口选 择、自动增益控制(AGC)等设置。

    完成模拟后端和数字前端初始化后进入待机状 态（STANDBY）。在配置好所有无线电的参数后，对 通道通过校准掩码进行校准（CALIBRATED）。校准 成功后进入准备状态（PRIMED）。准备状态即天线 通道已经准备好可以启用射频状态（RF ENABLED）， 跳频过程中状态机会在准备状态和射频状态不停切 换。准备时间通常是 PLL 的重新调谐时间加上配置 的延时时间，这段时间内时序会确定下一个跳频的 LO 出现在哪个通道。在准备状态中也可以启用 ADRV9002的监控模式（静态省电模式）。

3.3 实现步骤

    ADRV9002的驱动有多种方式。其中，该文主要 通过官方提供的TES（Transceiver Evaluation Software） 方式和无操作系统（No-os）方式进行实现。用到的工 具为最新版本的Vivado和Vitis。对于驱动ADRV9002 跳频实现有以下步骤：

    定义全局变量：配置 ADRV9002 的数据结构需 要进行初始化。需要初始化的关键的配置结构体以 及 AGC（自动增益控制）等。配置结构体用于存储和 管理涉及 ADRV9002 射频物理设备的各种配置和状 态信息，其内部有非常多的成员需要被配置，包括片 上设备的详细信息、通信接口、GPIO 配置、时钟配 置、通道配置、设备文件配置等。

    初始化并导入配置：结构体初始化后，配置其可 以通过 API导入 json 格式的 profile 文件，完成一部分 参数的快速配置。profile 文件中主要由时钟、接收 通道、发射通道、系统模式和 fir滤波器五大配置参数 组成。profile 中的发射通道（tx profile）部分，其每行 都定义了一个发射通道的参数，如频带宽度、信号采 样率、功率放大设置等。在 profile 中修改好参数后 需要对存储配置的结构体进行检查，以防止配置信 息错误。检查完毕后设置跳频。

    设置跳频：跳频需要设置两个关键信号，HOP 信 号和 Setup 信号。HOP 信号可由 DGPIO 引脚触发。 Setup 信号复用了通道的使能引脚信号。Setup 信号 在 HOP 信号边缘之前的上升沿表示即将到来的跳 频属于 Tx 或 Rx。针对 PLL 的使用方式，在两种 PLL 使用模式中选择，分别是 PLL Mux和 PLL Return。针 对于跳频表的使用方式分为实时加载和预加载两种 方式。可使用 API 函数 adi_adrv9001_fh_Configure() 对跳频进行设置。

    执行校准：校准分为两部分，一部分为初始化 的校准，另一部分为执行期间的跟踪校准。初始 化校准发生于状态机切换到“校准”状态时，分别 对系统、发射或接收做校准。系统校准主要为对 PLL 的校准。发射校准包括幅相校正、本振泄露补 偿、环路延时和占空比校正，以及 DAC 和发射衰减 的校准。

4 测试结果与分析

    为了验证基于 ADRV9002 探地雷达平台发信机 满足跳频需求，主要以两类跳频信号为测试目标。 测试时钟采用设备晶振提供的 38.4 MHz时钟。测试时 采 用 示 波 器 RIGOL MSO5104 以 及 通 道 直 接 回 环。板卡晶振时钟为 38.4 MHz（T=0.005 μs）。测试 中首先设置跳频帧设为360 μs，转化速度设置为4 μs， 步进跳频信号用示波器采集的结果如图 5。示波器 网格间隔为 200 ns，可见跳频信号的帧持续时间占 1.8格，即每个频率持续时间为 200 ns×1.8=360 ns。

    修改帧时间，将跳频帧设置为 140 μs，跳频转化 时间设置为 60 个时钟周期。将示波器网格间隔设 置为 1 μs，测得跳频间隔为三格，即 3 μs，如图 6。选 用更快的时钟参考源可以将跳频速度最大化，最快 可适用 1 GHz的参考源。

    图 7、图 8 为通过使用 TES 软件为两种跳频信 号接收端进行跳频测试。由于测试步进频率太小 以及采样不足无法直观看到频率变化，图 7 中步进 频率以 40 MHz 为间隔，ADC 以 2.2 GSPS 采样，采样 4 096 个点。因为在一定的发射功率下，频率越大， 其幅度越小，所以可以观察图 7 中信号随着频率增 大幅度逐渐减小。图 8 中，随机步进频率信号的编 码集在 40~160 MHz 中以 20 MHz 为间隔随机编码。 ADC 采样率为 2.2 GSPS，采样 40 960 个点。通过测 试该平台不仅适用于步进频率同时适用于离散频 率编码信号。

5 结 论

    文中提出了一种基于 ADRV9002 的多通道探地 雷达发信机实现方案。通过配置软件无线电控制发 射链路完成了均匀步进频率和随机步进频率信号的 发信，并根据两种跳频信号设计了不同的 MIMO 收 发方式。根据测试每块板可以设置最多 128 个跳频 点数。文献[12]中评估的 AD936X 换频速度最快为 20.8 μs，文献[15]中评估的 AD936X 最快可以达到 15~25 μs。在实际不依赖外部时钟源的实验中， ADRV9002 以设备时钟 38.4 MHz 即可达到 3 μs的换 频时间，意味着该器件具有良好的跳频性能。该文 研究的软件无线电平台具有参数设置较为方便且低 功耗的特点。但由于其应用和 API 官方仍然在进一 步优化扩展中，其性能未得以完全展现。对于该软 件无线电的研究，希望其进一步为探地雷达以及其 他跳频应用提供支持。

参考文献：

 [1] 交通运输部.2022年交通运输行业发展统计公报 [N].中国交通报,2023-06-16(2). 

[2] 李佳蓉.基于全生命周期成本分析和车辆分担的 高速公路养护管理费定价研究[D].西安:长安大 学,2022.

 [3] 汤卫红,朱云昊.软件无线电技术及其在舰用雷达 装备中的应用探讨[J].现代导航,2022,13(3):223- 226. 

[4] 乔帅克.基于 FMCW 的 SDR 探地雷达应用研究 [D].西安:西安科技大学,2021.

 [5] 蔡元存,刘良涛,官超,等.应用于宽带收发器AD9361 的射频信号预选电路研究和设计[J].中 国无线电,2022(12):68-70. 

[6] 张澄安,李保国,杜志毅,等.基于软件无线电的雷 达嵌入式通信验证系统[J].信号处理,2021,37 (11):2041-2053. 

[7] 唐晗呈.小型化目标反射信息探测系统设计与实 现[D].成都:电子科技大学,2021.

 [8] 贾基东,李淑秋,李宇.一种基于随机序列的正交 离散频率编码信号[J].应用声学,2020,39(2):275- 283. 

[9] Bigman D P,Day D J.Ground penetrating radar inspection of a large concrete spillway:a case- study using SFCW GPR at a hydroelectric dam[J].Case Studies in Construction Materials,2022,16:e00975.

 [10]冯雪峰.基于 AD9361 的无线收发系统设计与实 现[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2021.

 [11]王杰.一种高速跳频信号的数字信道化宽带接收 设计[J].电子技术应用,2021,47(12):26-30. 

[12]唐书平,刘洋,傅灿荣.基于AD936X超宽带可重构 信道的快速跳频设计[J].移动通信,2023,47(7): 111-114.

 [13]赵阳.基于 AD9364 的弹载小型化遥测发射机设 计[D].太原:中北大学,2021. 

[14]杨银松,王晖,张雪,等.基于ZYNQ和AD9361的假 目标信号模拟器设计与实现[J].电子设计工程, 2023,31(12):87-91.

 [15]任继安.基于 AD9361 快跳高扩通信系统设计与 实现[D].杭州:杭州电子科技大学,2021. 

[16]袁兵华.基于 SDR 的宽带雷达发射机技术研究 [D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2019. 

[17]马淑香.基于软件无线电平台的数传发射机设计 与实现[D].北京:中国科学院大学,2021.

 (通信作者：张晓博，xiaobnb@foxmail.com)