基于AD9858寬帶雷達(dá)信號源的設(shè)計及應(yīng)用

現(xiàn)代雷達(dá)面臨著綜合性電子干擾、反輻射導(dǎo)彈、低空和超低空突防以及目標(biāo)隱身技術(shù)的等4大威脅，這就要求現(xiàn)代雷達(dá)具有反地物、抗積極和消極干擾、反隱身和自身生存的能力，其信號具有頻率捷變、波形參數(shù)捷變以及自適應(yīng)跳頻的能力。因此對雷達(dá)信號產(chǎn)生器提出了越來越高的要求，要求具有寬頻帶、高精度、高穩(wěn)定以及快速跳變的能力。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，高性能直接數(shù)字合成DDS(Direct DigitalSynthesis)技術(shù)、數(shù)字信號處理DSP(Digital Signal Processing)技術(shù)及大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷夹g(shù)和電子計算機的應(yīng)用為此類問題的解決提供了一種新的途徑。AD9858是ADI公司推出的一款高性能，工作頻率高達(dá)1 GHz，雜散性能指標(biāo)更高于以前的產(chǎn)品，可方便快速地產(chǎn)生線性調(diào)頻、單頻脈沖及編碼調(diào)制信號。本文是在介紹DDS的基本原理的基礎(chǔ)上，利用DDS器件AD9858，并結(jié)合單片機+CPLD的設(shè)計方法實現(xiàn)寬帶雷達(dá)信號源。

1 DDS的基本原理
    DDS技術(shù)是一種把一系列數(shù)字量形式的信號通過數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器DAC(digital analog converter)轉(zhuǎn)換成模擬量形式信號的合成技術(shù)。正弦輸出的DDS原理框圖如圖1所示。

    相位累加器在A位頻率控制字FCW(Frequencv Control Word)的控制下，以參考時鐘頻率fc為采樣率，產(chǎn)生待合成信號相位的數(shù)字線性序列。將其高P位作為地址碼，通過查詢正弦表ROM，產(chǎn)生S位對應(yīng)信號波形的數(shù)字序列S(n)，再由數(shù)／模轉(zhuǎn)換器(DAC)將其轉(zhuǎn)化為階梯模擬電壓波形S(t)，最后由低通濾波器LPF平滑為正弦波輸。
    頻率控制字FCW和時鐘頻率fc共同決定了DDS輸出信號的頻率f0，它們之間的關(guān)系滿足：
   
    所以，在DDS結(jié)構(gòu)及fc確定的前提下，通過FCW的控制就可以方便地控制輸出頻率f0。其頻率分辨率為：
   
    按照Naquist準(zhǔn)則，最高輸出頻率可達(dá)0．5fc。但考慮到實際低通濾波器的限制，最高輸出頻率一般為0．4fc。
    由于DAC非線性作用的存在，使得查表所得的幅度序列從DAC的輸入到輸出要經(jīng)過一個非線性過程。于是就會產(chǎn)生輸出信號f0的諧波分量。又因為DDS是一個采樣系統(tǒng)，所以這些諧波會以fc周期搬移，即：
   
式中，k、m為任意整數(shù)。
    它們落到Naquist帶寬內(nèi)就形成了有害的雜散頻率，頻率的位置可以確定，但幅度難以確定(其分布為sin(x)／x)。所以在工程設(shè)計過程中要充分考慮輸出頻帶，注意避免上述雜散分量落入其中，以此獲得較好的雜散指標(biāo)。

2 AD9858型DDS簡介
    AD9858的工作頻率高達(dá)1 GHz，由于該芯片在時鐘輸入端提供有二分頻器，因而其外部時鐘最高可達(dá)2 GHz。和其他的高速DDS產(chǎn)品不同，AD9858內(nèi)部集成有1O位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其頻率分辨率(即頻率累加器位數(shù))為32位，可輸出高達(dá)400 MHz的信號。內(nèi)部集成的可編程快鎖充電泵
(charge pump)和鑒頻器(phase frequency detector)使其非常適合于高速DDS和鎖相環(huán)結(jié)合應(yīng)用的場合。同時，它還提供有模擬混頻器，可適用DDS、PLL和混頻器相結(jié)合的應(yīng)用場合，能滿足設(shè)計者的低相位噪音、低虛假能量、快速頻率轉(zhuǎn)換和寬帶寬線性掃描的要求。此外，AD98 58的雜散抑制性能和諧波抑制性能也非常突出，當(dāng)輸出40 MHz信號時，±1 MHz帶寬內(nèi)的數(shù)模轉(zhuǎn)換SFDR為-87 dBc；輸出180 MHz信號時，±1 MHz帶寬內(nèi)的數(shù)模轉(zhuǎn)換SFDR為-84 dBc。因而其適合用在無線設(shè)備、軍事以及航空雷達(dá)的設(shè)計當(dāng)中。
    圖2為該系統(tǒng)設(shè)計框圖。

    AD9858的主要性能指標(biāo)如下：具有1千兆次／秒的采樣速率：具有高達(dá)2 GHz的輸入時鐘(可以2分頻)；集成有10位D／A轉(zhuǎn)換器；內(nèi)含32位可編程頻率寄存器；帶有8位并行及SPI串行控制接口；自動頻率掃描功能；內(nèi)帶4套頻率寄存器；采用3．3 V低電源供電；采用100引腳EPAD-TQFP封裝：10)集成有2 GHz的混頻器。
    AD9858的主要引腳包括數(shù)據(jù)線D7～DO、地址線ADDR5～ADDR0、參考時鐘輸入引腳(REFCLK)、DAC輸出(IOUT)、寄存器組選擇信號(PSO、PSl)、頻率更新引腳(FUD)、系統(tǒng)同步時鐘(sysclk)及復(fù)位信號(RESET)等。
    AD9858的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)共分3大塊：DDS核、模擬混頻器和數(shù)字鎖相環(huán)。DDS核可在數(shù)字域產(chǎn)生能夠表示正弦曲線的數(shù)字值。通過設(shè)置不同的工作模式，DDS核可通過幅相轉(zhuǎn)換器將這些正弦曲線值轉(zhuǎn)換為頻率、相位或調(diào)制成攜帶信息的信號。數(shù)字鎖相環(huán)則由數(shù)字相頻檢測器(PHD)驅(qū)動具有高速鎖存邏輯電路的電荷泵所組成。它與DDS核聯(lián)合使用可擴大頻率合成的范圍。模擬混頻器采用差動輸入，其輸入級內(nèi)部采用直流偏差，外部采用交流匹配方式連接，輸出為中頻信號。
    其內(nèi)部可用資源包括控制字寄存器CFR、步進(jìn)頻率轉(zhuǎn)換字寄存器DFTW和16位步進(jìn)頻率斜率字寄存器DFRRW以及4套相互獨立的工作組(Pro-fileO～3)。每個工作組包括1個頻率轉(zhuǎn)換字FWFT(32位)和相位偏移字POW(14位)寄存器。4個工作組之間由外部引腳PSO和PSl進(jìn)行切換，當(dāng)其中1套寄存器處于工作狀態(tài)時，允許用戶改變另外3套寄存器的值，從而獲得不同的頻率和相位偏移。其對應(yīng)關(guān)系見表l。

    AD9858的操作模式有單邊帶、頻率掃描及全睡眠模式3種。常用模式為單邊帶和頻率掃描模式。無論AD9858工作在哪種工作模式，其相位的變換是連續(xù)的。
    AD9858作為一個可編程DDS器件，其配置相對比較簡單，頻率調(diào)節(jié)字和控制字可以以并行方式或串行方式寫入。將數(shù)據(jù)寫入控制與工作有關(guān)的寄存器中就可以配置AD9858了。AD9858可配置為單邊帶、頻率掃描及全睡眠模式3種。為了節(jié)省功耗，可以通過編程使其進(jìn)入全休眠狀態(tài)。

3 系統(tǒng)組成
    由AD9858產(chǎn)生的雷達(dá)信號源的系統(tǒng)組成框圖如圖3所示。主要由AD9858、單片機MCU和CPLD(可編程邏輯器件)構(gòu)成，其中AD9858直接從外部引入l GHz信號作為DDS工作時鐘。

    該系統(tǒng)在工作時，控制計算機通過串口發(fā)出控制信號以決定系統(tǒng)產(chǎn)生波形的種類及參數(shù)，并將頻率碼打入單片機內(nèi)部。CPLD的作用是產(chǎn)生DDS系統(tǒng)所需要的全部控制信號，并根據(jù)操作模式控制信號來決定所產(chǎn)生波形的周期，從而使其向AD9858發(fā)控制字，并產(chǎn)生預(yù)期的信號波形。AD9858采用差動電流輸出，然后經(jīng)偏壓電阻網(wǎng)絡(luò)形成輸出電壓，再經(jīng)上變頻電路送至微波接口。其編程時序如圖4所示，AD9858內(nèi)部寄存器的值在FUD的上升后被更新。
    該系統(tǒng)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、體積小、易于調(diào)試、輸出線性調(diào)頻信號相位連續(xù)、諧波抑制好。

4 信號產(chǎn)生
    用高速DDS器件AD9858可方便產(chǎn)生寬帶雷達(dá)信號，如單頻脈沖、線性調(diào)頻信號及編碼調(diào)制信號。對AD9858來說，產(chǎn)生單頻信號的方法比較簡單，只要更新頻率調(diào)節(jié)字寄存器內(nèi)容并且在控制功能寄存器中設(shè)置為單頻模式即可，因此以下主要介紹線性調(diào)頻信號及編碼調(diào)制信號產(chǎn)生的方法。

4．1 線性調(diào)頻信號的產(chǎn)生
    AD9858具有自動頻率掃描功能，由頻率累加器來完成。頻率累加器重復(fù)將一個頻率增長值加到當(dāng)前的頻率值，這樣使DDS產(chǎn)生的頻率隨時間改變。頻率增長值由用戶預(yù)先寫入的△頻率調(diào)整字(DFTW)來決定，而頻率增長速度則由寫入的△頻率跳變字(DFRRW)來決定，這2個寄存器使得AD9858能從由頻率調(diào)整字(FTW)決定的起始頻率開始，以期望的速率和步長向上或者向下線性掃描。圖5展示出了掃頻信號的產(chǎn)生。

    DFRRW寄存器是一個減數(shù)計數(shù)器，當(dāng)計數(shù)到零時，頻率更新一次。DFRRW的單位值對應(yīng)的時間值為SYSCLK／8，若時鐘頻率為l GHz，DFRRW為l，此時頻率更新時間是8 ns，更新速度達(dá)到最大值125 MHz。DFTW寄存器用來聲明是向上還是向下掃描：正數(shù)向上掃描，負(fù)數(shù)相反。
    掃描不能自動停止在所期望的頻率上，用戶必須事先計算出到達(dá)期望頻率的時間，然后寫0到DFRRW寄存器中，使AD9858停止掃描，計算掃描時間：
   
式中，T是頻率掃描的時間間隔；fs是起始頻率，計算公式如下：
   
fF是終止頻率。
    起始頻率存儲在FTW中，這個值在整個掃描過程中不會改變。將控制寄存器中的自動清除頻率累加器位置1，頻率累加器清零，AD9858回到起始頻率開始新一輪掃描。
4．2 相位編碼調(diào)制信號產(chǎn)生
    相對于ADI公司以往的DDS而言，AD9858的優(yōu)勢在于具有4套頻率發(fā)生寄存器及4個相位調(diào)整寄存器，這使得它可以方便快速產(chǎn)生編碼調(diào)制信號，而且其轉(zhuǎn)換時間很短。這是因為這4組控制寄存器的選擇是依靠外部選擇信號PSl、PS0來實現(xiàn)的，這2根選擇信號連接到CPLD的可編程I／0輸出引腳，通過它們對I／0引腳進(jìn)行操作的時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于對數(shù)據(jù)總線的操作時間。因此可以方便地產(chǎn)生二相或四相編碼調(diào)制信號。下面以四相碼為例簡要說明AD9858產(chǎn)生編碼調(diào)制信號的控制流程，其時序如圖6所示。

    1)向AD9858的4個相位調(diào)整寄存器內(nèi)置入0°、90°、180°及270°；
    2)向AD9858的4個頻率字控制寄存器內(nèi)置入編碼調(diào)制信號的基率；
    3)控制CPLD向AD9858的FUD引腳發(fā)出頻率更新信號并產(chǎn)生波形，同時啟動MCU內(nèi)部定時器對碼元寬度進(jìn)行計數(shù)；
    4)在MCU中斷服務(wù)程序中發(fā)相位選擇信號，即控制PSI、PS0以進(jìn)行相位選擇。
    由以上的測試圖可知：在窄帶(1 MHz)條件下輸出26、65和375 MHz的信號雜散分別為：87，80，78 dBc；在寬帶(500 MHz)條件下輸出26 MHz的信號雜散為64 dBc。
    通過實際使用情況來看，用AD9858設(shè)計的信號源工作平穩(wěn)，精度高，且工作帶寬也較大(可穩(wěn)定工作于400 MHz)，各項指標(biāo)符合使用要求。從測量情況來看，DDS頻率合成器試驗表明，采用AD9858產(chǎn)生的4相碼編碼調(diào)制信號碼元之間的間隔僅為幾十ns甚至更低，這是其他DDS器件所無法達(dá)到的。

5 實驗及測試結(jié)果
    通過以上的討論，構(gòu)建了寬帶雷達(dá)信號產(chǎn)生器，其實物如圖7所示，并對其進(jìn)行測試。

    測試時，采用的是點頻模式，這樣方便對其雜散性能指標(biāo)進(jìn)行測試，產(chǎn)生的點頻分別為窄帶(1 MHz)26 MHz，65，375 MHz以及寬帶(500 MHz)26 MHz信號。測試的結(jié)果分別如圖8窄帶點頻信號及圖9寬帶點頻信號所示。圖8和圖9是利用示波器直接對信號進(jìn)行測試的結(jié)果。

    由以上的測試圖可知：在窄帶(1 MHz)條件下輸出26、65和375 MHz的信號雜散分別為：87，80，78 dBc；在寬帶(500 MHz)條件下輸出26 MHz的信號雜散為64 dBc。
    通過實際使用情況來看，用AD9858設(shè)計的信號源工作平穩(wěn)，精度高，且工作帶寬也較大(可穩(wěn)定工作于400 MHz)，各項指標(biāo)符合使用要求。從測量情況來看，DDS頻率合成器的頻率純度和穩(wěn)定度相當(dāng)高，其在窄帶時無雜散動態(tài)范同SFDR優(yōu)于75 dBc，寬帶無雜散動態(tài)范圍SFDR優(yōu)于55 dB。

6 結(jié)束語
    本文介紹了DDS的基本原理及DDS芯片AD9858的結(jié)構(gòu)和功能，對所設(shè)計的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了論述，對采用單片機+CPLD的方法控制AD9858實現(xiàn)寬帶雷達(dá)信號源進(jìn)行了詳細(xì)說明。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)設(shè)計比以往的系統(tǒng)速度要快3倍，但功耗卻不增加，用該系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)成的信號源產(chǎn)生的信號精度高，轉(zhuǎn)換速度快。