基于CPLD和AD9857的數(shù)字化多模式調(diào)制單元設(shè)計(jì)

摘要： 介紹了一種跟蹤雷達(dá)數(shù)字化多模式調(diào)制單元的設(shè)計(jì)方案， 給出了使用CPLD和DDS芯片AD9857 (數(shù)字正交上變頻器) 來(lái)生成調(diào)制信號(hào)的實(shí)現(xiàn)方法， 同時(shí)以脈內(nèi)相位編碼信號(hào)和非線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)為例， 給出了其軟件實(shí)現(xiàn)方法， 最后還給出了實(shí)測(cè)信號(hào)波形。

　　0 引言

　　由于微電子和數(shù)字電路的飛速發(fā)展以及武器系統(tǒng)速度和性能的大幅提高， 系統(tǒng)對(duì)雷達(dá)、導(dǎo)航、電子測(cè)量等領(lǐng)域內(nèi)設(shè)備的頻率范圍、分辨率、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間、信號(hào)形式多樣化等指標(biāo)也提出了更高的要求。DDS (直接數(shù)字合成) 技術(shù)以其極高的頻率分辨率(幾微赫量級(jí))、極短的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間(幾納秒級(jí))、相對(duì)帶寬較寬、輸出相位連續(xù)、具有任意波形輸出能力等優(yōu)勢(shì)在數(shù)字調(diào)制電路中得到了廣泛應(yīng)用。

　　本文介紹用于某跟蹤雷達(dá)中的數(shù)字調(diào)制單元的應(yīng)用設(shè)計(jì)方案。該方案采用DDS與CPLD相結(jié)合的方法， 并通過(guò)軟件加載來(lái)產(chǎn)生各種信號(hào)， 從而構(gòu)成靈活可變的多頻率、多模式的數(shù)字調(diào)制器。同時(shí)， 該電路還具有數(shù)字化， 體積小， 可在線(xiàn)編程等特點(diǎn)。

　　1 數(shù)字調(diào)制單元設(shè)計(jì)

　　1.1 工作原理

　　基于DDS芯片和CPLD的某雷達(dá)數(shù)字調(diào)制單元的原理框圖如圖1所示。該雷達(dá)數(shù)字調(diào)制單元的設(shè)計(jì)以AD9857為核心， AD9857是AD公司推出的一種高性能通用正交數(shù)字上變頻器， 其內(nèi)部集成了半帶濾波器、CIC濾波器、反SINC濾波器、高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器， 其核心是一個(gè)相位連續(xù)的直接數(shù)字頻率合成器(DDS)。在正交調(diào)制模式下， 該DDS可接受串口輸入的頻率控制字， 其控制產(chǎn)生的正交本振信號(hào)與基帶I、Q信號(hào)相乘后再相加，即可產(chǎn)生正交調(diào)制信號(hào)， 最后通過(guò)14位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器變成模擬信號(hào)輸出， 從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的數(shù)字調(diào)制。該電路中CPLD首先通過(guò)AD9857的串口將各種控制字寫(xiě)入內(nèi)部寄存器， 以實(shí)現(xiàn)對(duì)AD9857的初始化， 串口時(shí)鐘使用外部10MHz晶振， 初始化完成后， AD9857輸出的PDCLK信號(hào)可作為I、Q數(shù)據(jù)的同步時(shí)鐘。I、Q數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在EPROM中，CPLD中的地址產(chǎn)生單元以PDCLK信號(hào)作為基準(zhǔn)來(lái)產(chǎn)生相應(yīng)的地址， 并將EPROM中的I、Q數(shù)據(jù)送入AD9857。

圖1 數(shù)字調(diào)制單元框圖

　　1.2 串口初始化

　　系統(tǒng)加電時(shí)， CPLD便可對(duì)AD9857進(jìn)行初始化。初始化可通過(guò)AD9857的串口將各種控制字寫(xiě)入內(nèi)部寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)， 串口時(shí)鐘使用外部10MHz晶振， 其串口連接關(guān)系如圖2所示。

圖2 串口連接電路

　　編寫(xiě)軟件可采用MAX+PLUS II作為平臺(tái)， 采用模塊化的方式， 并結(jié)合VHDL和原理輸入方式來(lái)完成， 初始化模塊的原理圖符號(hào)如圖3所示。

圖3 初始化仿真符號(hào)

　　圖4所示是初始化部分的MAX+PLUS II仿真結(jié)果。

圖4 初始化仿真結(jié)果

　　1.3 調(diào)制數(shù)據(jù)的并行連接

　　AD9857 的并行接口主要由14位數(shù)據(jù)線(xiàn)D0～D13、時(shí)鐘信號(hào)PDCLK、傳輸使能Txenable組成。

　　為了使該電路具有多種調(diào)制模式， 可將調(diào)制模式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在EPROM CY7C291中， A0～A13為數(shù)據(jù)地址， A14～A15為調(diào)制模式選擇。CY7C291的低14位數(shù)據(jù)D0～D13與AD9857的并行數(shù)據(jù)口連接，時(shí)鐘信號(hào)由AD9857的PDCLK引腳提供。其并行連接關(guān)系如圖5 所示。

圖5 并行數(shù)據(jù)口連接電路

　　2 調(diào)制信號(hào)的生成

　　2.1 相位編碼調(diào)制信號(hào)的生成

　　通常任意已調(diào)信號(hào)可以表示為:

　　若令： I (n) =cosФ (n)， Q (n) =- sinΦ (n)，則I (n)、Q (n) 即是已調(diào)信號(hào)對(duì)應(yīng)的I、Q基帶數(shù)據(jù)。該跟蹤雷達(dá)使用0、π相位編碼信號(hào)， 在式(1) 中： 若I (n) =0， Q (n) =FFH (低8位全是1)，則： S (n) = sin (ω0n)； 若I (n) =FFH (低8位全是1)， Q (n) =0， 則S (n) =cos (ω0n)。

　　生成相位相差π的相同頻率的正弦波， 即可得到0、π相位調(diào)制信號(hào)對(duì)應(yīng)的I、Q數(shù)據(jù)。由于并行數(shù)據(jù)流中的I、Q兩路信號(hào)是交替?zhèn)鬏數(shù)模?所以， EPROM中存儲(chǔ)的I、Q數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 0、π相位調(diào)制信號(hào)I、Q數(shù)據(jù)

　　為了快捷地控制頻率， 可在AD9857中將不同的頻率控制字存儲(chǔ)在不同的Profile中， 然后用外部信號(hào)控制PS1、PS0引腳的切換， 從而實(shí)現(xiàn)不同中心頻率信號(hào)的快速生成。

　　2.2 非線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)

　　在非線(xiàn)性調(diào)頻模式中(計(jì)算方式類(lèi)同3.1.2)使用的基帶I、Q數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 非線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)I、Q數(shù)據(jù)

　　Txenable信號(hào)為占空比為10%的脈沖信號(hào)，可作為外部脈沖控制的輸入信號(hào)。所產(chǎn)生的非線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)的頻譜如圖8所示。圖中的非線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)的中心頻率為30 MHz， 帶寬為1.5 MHz。

圖8 非線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)頻譜圖

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)說(shuō)明， 本文所述的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)可產(chǎn)生多種形式的調(diào)制信號(hào)， 并可在脈沖間切換， 而且體積小， 便于系統(tǒng)集成。該系統(tǒng)目前已應(yīng)用于某跟蹤雷達(dá)系統(tǒng)， 使用證明， 其設(shè)計(jì)可以滿(mǎn)足整機(jī)要求， 使用效果良好。