基于AD9858的線性調(diào)頻源設(shè)計(jì)

１　引言

隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，線性調(diào)頻信號(hào)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高分辨率雷達(dá)領(lǐng)域。過去獲得線性調(diào)頻信號(hào)主要借助模擬方法，其中包括ｖｃｏ方法和聲表面波方法。這兩種脈沖電壓信號(hào)的產(chǎn)生方法因其一些固有的缺陷（如對環(huán)境溫度比較敏感、信號(hào)波形比較單一、信號(hào)產(chǎn)生的重復(fù)性差、線性度及信號(hào)間的相關(guān)性不理想等）而制約了雷達(dá)整機(jī)性能的提高。目前，ｖｃｏ方法和聲表面波方法已漸漸被數(shù)字方法所取代。直接數(shù)字頻率合成方法具有傳統(tǒng)方法所不具備的許多突出優(yōu)點(diǎn)，如頻率分辨率和切換速度高，頻率切換時(shí)相位可保持連續(xù)，超寬的頻率范圍，能實(shí)現(xiàn)各種調(diào)制波和任意波形的產(chǎn)生以及易于實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化設(shè)計(jì)等。然而，其全數(shù)字化的工作原理也給它帶來了兩個(gè)缺點(diǎn)，一是輸出雜散較大，二是輸出帶寬將受到限制。但是，這一缺陷隨著新工藝和新算法的出現(xiàn)正在逐漸得到改善。

ａｄ９８５８是ａｄ公司于２００３年推出的一款高性能ｄｄｓ芯片，其工作頻率高達(dá)１ｇｈｚ，雜散性能指標(biāo)更高于以前的產(chǎn)品。ａｄ９８５８憑借優(yōu)良的性能可廣泛應(yīng)用于甚高頻／超高頻本振合成器、雷達(dá)、蜂窩基站跳頻合成器等許多領(lǐng)域。

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ａｄ９８５８的工作頻率最高可達(dá)１ｇｈｚ，由于該芯片在時(shí)鐘輸入端提供有二分頻器，因而其外部時(shí)鐘最高可達(dá)２ｇｈｚ。ａｄ９８５８內(nèi)部集成有１０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)４００ｍｈｚ的信號(hào)。而其內(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(shí)，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。此外，ａｄ９８５８的雜散抑制性能和諧波抑制性能也非常突出，當(dāng)輸出４０ｍｈｚ信號(hào)時(shí)，±１ｍｈｚ帶寬內(nèi)的數(shù)模轉(zhuǎn)換ｓｆｄｒ?yàn)椋福罚洌猓?，輸出１８０ｍｈｚ信?hào)時(shí)，±１ｍｈｚ帶寬內(nèi)的數(shù)模轉(zhuǎn)換ｓｆｄｒ?yàn)椋福矗洌猓恪? ａｄ９８５８作為一個(gè)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。當(dāng)ａｄ９８５８工作于點(diǎn)頻模式時(shí)，有四個(gè)用戶定義的頻率可以通過一對外部引腳來選擇，這四個(gè)頻率允許用戶寫入四個(gè)不同的頻率調(diào)節(jié)字和相位偏移字，從而獲得不同的頻率和相位偏移。ａｄ９８５８還可以配置為掃頻模式。為了節(jié)省功耗，可以通過編程使其進(jìn)入全休眠狀態(tài)。

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３．１ 掃頻工作模式的配置

ａｄ９８５８有兩種工作模式，單一點(diǎn)頻模式和掃頻模式。單一點(diǎn)頻模式的配置比較簡單，只需將控制寄存器（ｃｆｒ）（注：與掃頻模式的配置類似，不同點(diǎn)在于將掃頻使能位置０）和頻率調(diào)節(jié)字（ｆｔｗ）配置完畢，即可打開該功能。下面介紹掃頻工作模式的配置方法。掃頻模式需要配置的寄存器有控制寄存器（ｃｆｒ）、頻率調(diào)節(jié)字（ｆｔｗ）、步進(jìn)頻率調(diào)節(jié)字（ｄｆｔｗ）、步進(jìn)頻率斜率控制字（ｄｆｒｒｗ）和相位偏移字（ｐｏｗ），其中，控制寄存器有４個(gè)字節(jié)，地址分別為０ｘ００、０ｘ０１、０ｘ０２和０ｘ０３。由于該設(shè)計(jì)未用到ｐｌｌ功能，故與ｐｌｌ有關(guān)的控制字均置為無效。０ｘ０１的ｂｉｔ７為掃頻使能位，將其置１可打開掃頻功能。 對于線性調(diào)頻工作狀態(tài)的實(shí)現(xiàn)，還有幾點(diǎn)需要說明。由于線性調(diào)頻信號(hào)是有時(shí)寬限制的，因此，ａｄ９８５８具有輸出線性調(diào)頻信號(hào)的功能，但是不具有定時(shí)的功能，所以需要外部定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)對時(shí)寬的控制。ａｄ９８５８的線性調(diào)頻工作原理是：先指定頻率起始點(diǎn)和步進(jìn)頻率，并使頻率以系統(tǒng)時(shí)鐘的１／８或其整數(shù)倍進(jìn)行累加，但是在沒有指定上限的情況下，會(huì)一直掃到１／２參考時(shí)鐘頻率處（即奈奎斯特頻率），故需做好對上限頻率的控制。利用定時(shí)器可以實(shí)現(xiàn)對上限頻率的精確控制。 ３．２ 頻率調(diào)節(jié)字的計(jì)算

設(shè)輸出頻率為ｆ０，相位累加器的位數(shù)為ｎ，參考時(shí)鐘為ｆｓｙｓｃｌｋ，則頻率調(diào)節(jié)字為２：

ｆｔｗ＝ｆ０×２ｎ／ｆｓｙｓｃｌｋ

３．３ 步進(jìn)頻率調(diào)節(jié)字的計(jì)算

設(shè)ｆｆ為終止頻率，ｆｓ為起始頻率，ｄｆｒｒｗ為步進(jìn)頻率斜率調(diào)節(jié)字，ｔ為線性調(diào)頻信號(hào)時(shí)寬，則步進(jìn)頻率控制字為３

ｄｆｔｗ＝（｜ｆｆ－ｆｓ｜／ｆｓｙｓｃｌｋ２）ｄｒｒｒｗ／ｔ×２３２

４　硬件結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)利用ａｄ９８５８上集成的鎖相環(huán)來將６０ｍｈｚ的時(shí)鐘信號(hào)倍頻到９６０ｍｈｚ，以便使其作為ｄｄｓ的工作參考時(shí)鐘，配置芯片選用ｘｉｌｉｎｘ公司生產(chǎn)的ｃｐｌｄ芯片ｘｃ９５１４４ｘｌ來完成。其電路的硬件結(jié)構(gòu)如圖。

使用ｘｃ９５１４４ｘｌ時(shí)，可按照ａｄ９８５８數(shù)據(jù)手冊上提供的時(shí)序來對圖中所示的端口進(jìn)行操作，以便完成對ａｄ９８５８的配置。用６０ｍｈｚ時(shí)鐘輸入到ｐｆｄ端口可作為鑒頻器的輸入，ｖｃｏ的輸出經(jīng)功分器后，一路經(jīng)１６分頻后從ｄｉｖ端口輸入作為鑒頻器的輸入，另一路直接從端口ｒｅｆｃｌｋ輸入以作為ｄｄｓ的參考時(shí)鐘。端口ｃｐ的輸出經(jīng)環(huán)路濾波后可作為ｖｃｏ的調(diào)諧電壓。而線性調(diào)頻信號(hào)則從端口ｉｏｕｔ輸出，并經(jīng)帶通濾波器和放大器后，作為最終所需要的輸出。

５　控制流程

該設(shè)計(jì)的配置芯片選用的是ｘｉｌｉｎｘ公司的ｘｃ９５１４４ｘｌ，控制程序采用ｖｈｄｌ語言編寫。設(shè)計(jì)輸出的線性調(diào)頻信號(hào)的起始頻率為４８ｍｈｚ，終止頻率為７２ｍｈｚ，時(shí)寬為２０μｓ，其控制流程如圖２所示。在系統(tǒng)接到上電復(fù)位信號(hào)后，可依次向ｃｆｒ、ｆｔｗ、ｄｆｔｗ、ｄｆｒｒｗ寫控制字，然后等待脈沖展寬信號(hào)的到來。脈沖展寬信號(hào)為外部激勵(lì)信號(hào)，上升沿有效。當(dāng)檢測到一個(gè)上升沿之后，系統(tǒng)將發(fā)出一個(gè)ｕｐｄａｔｅ信號(hào)（ｕｐｄａｔｅ信號(hào)的作用是將寫入寄存器的數(shù)據(jù)導(dǎo)入ｄｄｓ內(nèi)核，同時(shí)使ｄｄｓ按照新的配置開始工作），同時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)并輸出寬度為２０μｓ的線性調(diào)頻信號(hào)，同時(shí)對地址為０ｘ０２的寄存器進(jìn)行操作，以將ｂｉｔ３置為高電平，并使相位累加器的清零位有效。計(jì)數(shù)器計(jì)滿后會(huì)發(fā)出一個(gè)ｕｐｄａｔｅ信號(hào)，由于此時(shí)相位累加器清零位有效，此時(shí)相位累加器被清零，與此同時(shí)停止輸出線性調(diào)頻信號(hào)，然后繼續(xù)對地址為０ｘ０２的寄存器進(jìn)行操作，同時(shí)也將ｂｉｔ３置為低電平，并使相位累加器清零位無效，此時(shí)如果接收到ｕｐｄａｔｅ信號(hào)，則線性調(diào)頻信號(hào)重新輸出。至此，系統(tǒng)將進(jìn)入等待狀態(tài)以等待脈沖展寬信號(hào)的到來，這樣依次往復(fù)，即可實(shí)現(xiàn)脈沖線性調(diào)頻信號(hào)的輸出。

隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，直接數(shù)字頻率合成得到了日益廣泛的應(yīng)用，ｄｄｓ技術(shù)也日臻完善。傳統(tǒng)線性調(diào)頻信號(hào)的產(chǎn)生方法（ｖｃｏ方法和聲表面波方法）由于線性度差、頻率穩(wěn)定度低而逐漸被淘汰。本文介紹了一種采用ｄｄｓ方式直接產(chǎn)生線性調(diào)頻信號(hào)的全數(shù)字設(shè)計(jì)方法。該方案一方面采用了當(dāng)今技術(shù)最為領(lǐng)先的ｄｄｓ芯片ａｄ９８５８，另一方面也根據(jù)嚴(yán)格的高速電路設(shè)計(jì)理論進(jìn)行了整體規(guī)劃和布線。經(jīng)過測試，該方案的各項(xiàng)性能指標(biāo)均較高，從而證實(shí)了其可行性和前瞻性，同時(shí)也表明ａｄ９８５８在相位噪聲、雜散抑制度、諧波抑制度等方面確有很好的表現(xiàn)。