基于AD9858宽带雷达信号源的设计及应用

2010-09-18 15:59:55来源: 电子设计工程

    现代雷达面临着综合性电子干扰、反辐射导弹、低空和超低空突防以及目标隐身技术的等4大威胁,这就要求现代雷达具有反地物、抗积极和消极干扰、反隐身和自身生存的能力,其信号具有频率捷变、波形参数捷变以及自适应跳频的能力。因此对雷达信号产生器提出了越来越高的要求,要求具有宽频带、高精度、高稳定以及快速跳变的能力。随着现代电子技术的发展,高性能直接数字合成DDS(Direct DigitalSynthesis)技术、数字信号处理DSP(Digital Signal Processing)技术及大规模可编程逻辑器件技术和电子计算机的应用为此类问题的解决提供了一种新的途径。AD9858是ADI公司推出的一款高性能,工作频率高达1 GHz,杂散性能指标更高于以前的产品,可方便快速地产生线性调频、单频脉冲及编码调制信号。本文是在介绍DDS的基本原理的基础上,利用DDS器件AD9858,并结合单片机+CPLD的设计方法实现宽带雷达信号源。

1 DDS的基本原理

    DDS技术是一种把一系列数字量形式的信号通过数字模拟转换器DAC(digital analog converter)转换成模拟量形式信号的合成技术。正弦输出的DDS原理框图如图1所示。


    相位累加器在A位频率控制字FCW(Frequencv Control Word)的控制下,以参考时钟频率fc为采样率,产生待合成信号位的数字线性序列。将其高P位作为地址码,通过查询正弦表ROM,产生S位对应信号波形的数字序列S(n),再由数/模转换器(DAC)将其转化为阶梯模拟电压波形S(t),最后由低通滤波器LPF平滑为正弦波输。

    频率控制字FCW和时钟频率fc共同决定了DDS输出信号的频率f0,它们之间的关系满足:

   

    所以,在DDS结构及fc确定的前提下,通过FCW的控制就可以方便地控制输出频率f0。其频率分辨率为:
   

    按照Naquist准则,最高输出频率可达0.5fc。但考虑到实际低通滤波器的限制,最高输出频率一般为0.4fc。

    由于DAC非线性作用的存在,使得查表所得的幅度序列从DAC的输入到输出要经过一个非线性过程。于是就会产生输出信号f0的谐波分量。又因为DDS是一个采样系统,所以这些谐波会以fc周期搬移,即:

   
式中,k、m为任意整数。

    它们落到Naquist带宽内就形成了有害的杂散频率,频率的位置可以确定,但幅度难以确定(其分布为sin(x)/x)。所以在工程设计过程中要充分考虑输出频带,注意避免上述杂散分量落入其中,以此获得较好的杂散指标。

2 AD9858型DDS简介

    AD9858的工作频率高达1 GHz,由于该芯片在时钟输入端提供有二分频器,因而其外部时钟最高可达2 GHz。和其他的高速DDS产品不同,AD9858内部集成有1O位数模转换器,其频率分辨率(即频率累加器位数)为32位,可输出高达400 MHz的信号。内部集成的可编程快锁充电泵
(charge pump)和鉴频器(phase frequency detector)使其非常适合于高速DDS和锁相环结合应用的场合。同时,它还提供有模拟混频器,可适用DDS、PLL和混频器相结合的应用场合,能满足设计者的低相位噪音、低虚假能量、快速频率转换和宽带宽线性扫描的要求。此外,AD98 58的杂散抑制性能和谐波抑制性能也非常突出,当输出40 MHz信号时,±1 MHz带宽内的数模转换SFDR为-87 dBc;输出180 MHz信号时,±1 MHz带宽内的数模转换SFDR为-84 dBc。因而其适合用在无线设备、军事以及航空雷达的设计当中。

    图2为该系统设计框图。

  AD9858的主要性能指标如下:具有1千兆次/秒的采样速率:具有高达2 GHz的输入时钟(可以2分频);集成有10位D/A转换器;内含32位可编程频率寄存器;带有8位并行及SPI串行控制接口;自动频率扫描功能;内带4套频率寄存器;采用3.3 V低电源供电;采用100引脚EPAD-TQFP封装:10)集成有2 GHz的混频器。

    AD9858的主要引脚包括数据线D7~DO、地址线ADDR5~ADDR0、参考时钟输入引脚(REFCLK)、DAC输出(IOUT)、寄存器组选择信号(PSO、PSl)、频率更新引脚(FUD)、系统同步时钟(sysclk)及复位信号(RESET)等。

    AD9858的系统结构共分3大块:DDS核、模拟混频器和数字锁相环。DDS核可在数字域产生能够表示正弦曲线的数字值。通过设置不同的工作模式,DDS核可通过幅相转换器将这些正弦曲线值转换为频率、相位或调制成携带信息的信号。数字锁相环则由数字相频检测器(PHD)驱动具有高速锁存逻辑电路的电荷泵所组成。它与DDS核联合使用可扩大频率合成的范围。模拟混频器采用差动输入,其输入级内部采用直流偏差,外部采用交流匹配方式连接,输出为中频信号。

    其内部可用资源包括控制字寄存器CFR、步进频率转换字寄存器DFTW和16位步进频率斜率字寄存器DFRRW以及4套相互独立的工作组(Pro-fileO~3)。每个工作组包括1个频率转换字FWFT(32位)和相位偏移字POW(14位)寄存器。4个工作组之间由外部引脚PSO和PSl进行切换,当其中1套寄存器处于工作状态时,允许用户改变另外3套寄存器的值,从而获得不同的频率和相位偏移。其对应关系见表l。


    AD9858的操作模式有单边带、频率扫描及全睡眠模式3种。常用模式为单边带和频率扫描模式。无论AD9858工作在哪种工作模式,其相位的变换是连续的。

    AD9858作为一个可编程DDS器件,其配置相对比较简单,频率调节字和控制字可以以并行方式或串行方式写入。将数据写入控制与工作有关的寄存器中就可以配置AD9858了。AD9858可配置为单边带、频率扫描及全睡眠模式3种。为了节省功耗,可以通过编程使其进入全休眠状态。

3 系统组成

    由AD9858产生的雷达信号源的系统组成框图如图3所示。主要由AD9858、单片机MCU和CPLD(可编程逻辑器件)构成,其中AD9858直接从外部引入l GHz信号作为DDS工作时钟。


    该系统在工作时,控制计算机通过串口发出控制信号以决定系统产生波形的种类及参数,并将频率码打入单片机内部。CPLD的作用是产生DDS系统所需要的全部控制信号,并根据操作模式控制信号来决定所产生波形的周期,从而使其向AD9858发控制字,并产生预期的信号波形。AD9858采用差动电流输出,然后经偏压电阻网络形成输出电压,再经上变频电路送至微波接口。其编程时序如图4所示,AD9858内部寄存器的值在FUD的上升后被更新。

    该系统的优点是结构简单、体积小、易于调试、输出线性调频信号相位连续、谐波抑制好。

4 信号产生

    用高速DDS器件AD9858可方便产生宽带雷达信号,如单频脉冲、线性调频信号及编码调制信号。对AD9858来说,产生单频信号的方法比较简单,只要更新频率调节字寄存器内容并且在控制功能寄存器中设置为单频模式即可,因此以下主要介绍线性调频信号及编码调制信号产生的方法。


4.1 线性调频信号的产生

    AD9858具有自动频率扫描功能,由频率累加器来完成。频率累加器重复将一个频率增长值加到当前的频率值,这样使DDS产生的频率随时间改变。频率增长值由用户预先写入的△频率调整字(DFTW)来决定,而频率增长速度则由写入的△频率跳变字(DFRRW)来决定,这2个寄存器使得AD9858能从由频率调整字(FTW)决定的起始频率开始,以期望的速率和步长向上或者向下线性扫描。图5展示出了扫频信号的产生。


    DFRRW寄存器是一个减数计数器,当计数到零时,频率更新一次。DFRRW的单位值对应的时间值为SYSCLK/8,若时钟频率为l GHz,DFRRW为l,此时频率更新时间是8 ns,更新速度达到最大值125 MHz。DFTW寄存器用来声明是向上还是向下扫描:正数向上扫描,负数相反。

    扫描不能自动停止在所期望的频率上,用户必须事先计算出到达期望频率的时间,然后写0到DFRRW寄存器中,使AD9858停止扫描,计算扫描时间:
   
式中,T是频率扫描的时间间隔;fs是起始频率,计算公式如下:
   
fF是终止频率。

    起始频率存储在FTW中,这个值在整个扫描过程中不会改变。将控制寄存器中的自动清除频率累加器位置1,频率累加器清零,AD9858回到起始频率开始新一轮扫描。

4.2 相位编码调制信号产生

    相对于ADI公司以往的DDS而言,AD9858的优势在于具有4套频率发生寄存器及4个相位调整寄存器,这使得它可以方便快速产生编码调制信号,而且其转换时间很短。这是因为这4组控制寄存器的选择是依靠外部选择信号PSl、PS0来实现的,这2根选择信号连接到CPLD的可编程I/0输出引脚,通过它们对I/0引脚进行操作的时间远远小于对数据总线的操作时间。因此可以方便地产生二相或四相编码调制信号。下面以四相码为例简要说明AD9858产生编码调制信号的控制流程,其时序如图6所示。


    1)向AD9858的4个相位调整寄存器内置入0°、90°、180°及270°;
    2)向AD9858的4个频率字控制寄存器内置入编码调制信号的基率;
    3)控制CPLD向AD9858的FUD引脚发出频率更新信号并产生波形,同时启动MCU内部定时器对码元宽度进行计数;
    4)在MCU中断服务程序中发相位选择信号,即控制PSI、PS0以进行相位选择。

    由以上的测试图可知:在窄带(1 MHz)条件下输出26、65和375 MHz的信号杂散分别为:87,80,78 dBc;在宽带(500 MHz)条件下输出26 MHz的信号杂散为64 dBc。

    通过实际使用情况来看,用AD9858设计的信号源工作平稳,精度高,且工作带宽也较大(可稳定工作于400 MHz),各项指标符合使用要求。从测量情况来看,DDS频率合成器试验表明,采用AD9858产生的4相码编码调制信号码元之间的间隔仅为几十ns甚至更低,这是其他DDS器件所无法达到的。

5 实验及测试结果

    通过以上的讨论,构建了宽带雷达信号产生器,其实物如图7所示,并对其进行测试。


    测试时,采用的是点频模式,这样方便对其杂散性能指标进行测试,产生的点频分别为窄带(1 MHz)26 MHz,65,375 MHz以及宽带(500 MHz)26 MHz信号。测试的结果分别如图8窄带点频信号及图9宽带点频信号所示。图8和图9是利用示波器直接对信号进行测试的结果。


    由以上的测试图可知:在窄带(1 MHz)条件下输出26、65和375 MHz的信号杂散分别为:87,80,78 dBc;在宽带(500 MHz)条件下输出26 MHz的信号杂散为64 dBc。

    通过实际使用情况来看,用AD9858设计的信号源工作平稳,精度高,且工作带宽也较大(可稳定工作于400 MHz),各项指标符合使用要求。从测量情况来看,DDS频率合成器的频率纯度和稳定度相当高,其在窄带时无杂散动态范同SFDR优于75 dBc,宽带无杂散动态范围SFDR优于55 dB。

6 结束语

    本文介绍了DDS的基本原理及DDS芯片AD9858的结构和功能,对所设计的系统的结构进行了论述,对采用单片机+CPLD的方法控制AD9858实现宽带雷达信号源进行了详细说明。实验结果表明,该系统设计比以往的系统速度要快3倍,但功耗却不增加,用该系统设计构成的信号源产生的信号精度高,转换速度快。

关键字:直接数字频率合成器(DDS)  相位调整  频率调节字  线性调频  

编辑:金海 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2010/0918/article_2546.html
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