用DDS器件AD9858實(shí)現(xiàn)復(fù)雜雷達(dá)信號源

作者：西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院 劉磊 劉書明 唐艾賓 莊澤標(biāo)

引言

復(fù)雜雷達(dá)信號源就是將線性調(diào)頻和相位編碼信號以及偽隨機(jī)碼進(jìn)行混合調(diào)制，產(chǎn)生線性調(diào)頻相位編碼混合調(diào)制信號。在早期雷達(dá)信號源中，由于考慮到器件和技術(shù)的原因，不能夠完全將這幾種信號混合起來。20世紀(jì)70年代以來，隨著數(shù)字集成電路和微電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了DDS(直接數(shù)字式頻率合成)技術(shù)，它從相位的概念出發(fā)進(jìn)行頻率合成，采用了數(shù)字采樣存儲技術(shù)，具有相位、頻率分辨率高、轉(zhuǎn)換時(shí)間短等突出的優(yōu)點(diǎn)。高性能DDS技術(shù)結(jié)合DSP技術(shù)、大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷夹g(shù)使得實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻相位編碼混合信號成為可能。

AD9858簡介

AD9858的10位數(shù)摸轉(zhuǎn)換器可工作到1GSPS，可產(chǎn)生400MHz的頻率捷變模擬輸出正弦波，具有快速調(diào)頻和細(xì)微的頻率分辨率(32位頻率分辨率)。內(nèi)部有集成的電荷泵(CP)和相頻檢測器(PFD)，可以將高速DDS和鎖相環(huán)(PLL)結(jié)合使用。片內(nèi)模擬混頻器又可使DDS、PLL和混頻器結(jié)合使用。AD9858可對對輸入時(shí)鐘進(jìn)行二分頻，這樣外部輸入時(shí)鐘可以高達(dá)2GHz。

AD9858有三種工作模式：單音頻、頻率掃描和全睡眠模式，在任何一種模式下射頻模塊(PFD、CP、混頻器)可以使用或不使用，可以處于活動或低功耗狀態(tài)。單音頻模式下，AD9858產(chǎn)生由內(nèi)部寄存器FRW控制的單頻輸出信號。頻率可以任意改變，頻率跳變的速度與刷新相應(yīng)寄存器的速度有關(guān)。假如想得到快速跳頻，可以通過外部引腳來選擇4個存儲在寄存器中的頻率值來實(shí)現(xiàn)。頻率掃描模式可以自動完成頻率掃描工作，產(chǎn)生線性調(diào)頻或?qū)崿F(xiàn)其他頻率掃描應(yīng)用，而且不受I/O口對多寄存器操作時(shí)的速度限制。AD9858有并行和串行兩種編程模式，有4個相互獨(dú)立的工作組(profile 0～3)，每個工作組由32位的頻率調(diào)制字(FTWx)和4個14位的相位補(bǔ)償字(POWx)組成，4個工作組之間由外部引腳PS0和PS1進(jìn)行切換，其對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

無論AD9858工作于哪種工作模式，分別設(shè)定Profile工作組的FTWx和POWx，通過改變PS1和PS0的值，就可以同時(shí)改變信號的頻率和相位，而且相位的改變可以是調(diào)相或相對調(diào)相，這正是AD9858實(shí)現(xiàn)混合調(diào)制的關(guān)鍵。相對于較早前使用的DDS器件AD9854，AD9858大大縮短了碼元間的轉(zhuǎn)換時(shí)間。因?yàn)锳D9854僅有一個相位補(bǔ)償器(POW)，這使得AD9854只有通過外部更新信號來改變相位補(bǔ)償器的內(nèi)容，以實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制，所以AD9854碼元轉(zhuǎn)換時(shí)間較長。

參數(shù)寫入AD9858的寄存器后，只需產(chǎn)生PS0和PS1的控制時(shí)序就可以產(chǎn)生相應(yīng)的二相碼。例如用AD9858產(chǎn)生二相碼時(shí)，首先通過并行模式或串行模式把頻率和相位參數(shù)寫入相應(yīng)的FTWx和POWx，4個工作組中每2個工作組中的參數(shù)相同。這樣通過選擇PS0和PS1就可以輸出二相碼。

值得注意的是，這里使用了4個工作組，其中2個工作組中的POW為0，另外2個工作組中的POW為π。當(dāng)相鄰的兩個子碼的相位相同時(shí)，可以將輸出改為參數(shù)相同的另一個工作組進(jìn)行輸出，這樣可以保證相位的準(zhǔn)確性。如果只使用2個工作組來輸出二相碼，就需要用到外部更新信號FUD，通過外部控制器(如ADSP21065L)重新更新AD9858寄存器的內(nèi)容，來保證相位的準(zhǔn)確，這樣不但增加了碼元的轉(zhuǎn)換時(shí)間，而且控制也會變得復(fù)雜。

線性調(diào)頻相位編碼混合調(diào)制信號源系統(tǒng)的框圖如圖1所示，主要由AD9858、DSP處理器ADSP21065L和CPLD構(gòu)成。

---CPLD的作用是產(chǎn)生整個DDS系統(tǒng)需要的全部同步控制信號，接受主機(jī)提供的控制信號和波形參數(shù)選擇信號，產(chǎn)生相應(yīng)的ADSP21065L中斷信號。

ADSP21065L根據(jù)中斷信號來確定雷達(dá)工作波形，產(chǎn)生相應(yīng)工作參數(shù)，然后對AD9858進(jìn)行相應(yīng)的初始化和置數(shù)。CPLD還將波形參數(shù)、工作模式等信息通過I/O端口發(fā)送給雷達(dá)發(fā)射機(jī)、信號處理機(jī)等相應(yīng)的其他處理單元。用CPLD來控制AD9858具有工作波形穩(wěn)定、時(shí)序容易控制、高和后期調(diào)試簡單的優(yōu)點(diǎn)。AD9858是信號源的，在接收ADSP21065L的參數(shù)后，確定相應(yīng)的工作狀態(tài)，等待CPLD產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，輸出相應(yīng)的波形。AD9858輸出的信號經(jīng)過阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)后，輸出混合調(diào)制信號。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論

---在實(shí)際產(chǎn)生二相碼的時(shí)候，由于通過外部引腳PS0和PS1的變化來改變二相碼的子碼轉(zhuǎn)換，這個過程中不可避免地會使子碼與子碼之間有一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間，轉(zhuǎn)換時(shí)間主要取決于AD9858的外部更新信號FUD。子碼轉(zhuǎn)換如圖2所示，系統(tǒng)為40MHz時(shí)，子碼1頻率為2MHz、初相為0°，子碼2頻率為1MHz、相位為180°，圖3是圖2的局部放大示圖。

由圖可見，子碼1到子碼2的碼元轉(zhuǎn)換時(shí)間約200ns，基本等于AD9858的FUD時(shí)間。如果將系統(tǒng)時(shí)鐘提高到400～500MHz時(shí)，F(xiàn)UD的時(shí)間可以縮短到20ns以下。因此，可以通過提高系統(tǒng)時(shí)鐘頻率來減小子碼間的轉(zhuǎn)換時(shí)間。

圖4是時(shí)鐘為100MHz時(shí)的二相碼調(diào)制波形。其中PS0為0時(shí)，是初相位為0°的余弦輸出；PS0為1時(shí)，是初相位為180°的余弦輸出。從圖中可以看出，碼間轉(zhuǎn)換時(shí)間小于100ns。因此，提高時(shí)鐘工作頻率可以進(jìn)一步縮短碼間的轉(zhuǎn)換時(shí)間。實(shí)際使用表明，基于AD9858的雷達(dá)信號源工作平穩(wěn)，高，而且工作帶寬也較大，可穩(wěn)定工作于500MHz。

結(jié)束語

AD9858集成了DAC、PDF和CP，具有頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短、輸出頻帶寬的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足對低相位噪聲、低雜散噪聲、快速頻率切換以及寬帶線性掃描的要求，還可以應(yīng)用到跳頻通信中。采用該芯片設(shè)計(jì)的信號源結(jié)構(gòu)簡單、功能強(qiáng)大、抗干擾性優(yōu)越，具有良好的性價(jià)比。