ADI常用DDS的線性掃頻特性比較研究

1 引 言

線性調(diào)頻連續(xù)波(LFMCM)雷達(dá)具有不存在距離盲區(qū)、時(shí)帶積大、發(fā)射功率低、截獲率小、接收靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，因而在汽車防撞、毫米波成像、探測(cè)埋地物件(地雷、管道等)、導(dǎo)彈末制導(dǎo)等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。傳統(tǒng)的LFMCM主要采用壓控振蕩器來實(shí)現(xiàn)，這種方法不能保證信號(hào)的高線性度。因此，現(xiàn)今愈來愈多地采用基于DDS的產(chǎn)生方法，其主要優(yōu)勢(shì)在于工作模式多、頻率轉(zhuǎn)換(掃頻)時(shí)間快、頻率分辨率高、輸出相位可調(diào)。其劣勢(shì)在于雜散較大，輸出頻率范圍較低(一般小于系統(tǒng)時(shí)鐘的1／3)。另一方面，受DDS輸出頻率范圍的限制，往往需要對(duì)DDS的掃頻輸出頻帶進(jìn)行擴(kuò)展，擴(kuò)展方法主要有直接倍頻、多次上變頻、DDS+PLL混合。

LFMCW信號(hào)的線性度特性對(duì)雷達(dá)的檢測(cè)和測(cè)距性能具有直接影響，所以，如何提高掃頻線性度是LFMCW雷達(dá)的一個(gè)重要課題。目前，一般掃頻源(VCO)線性度為5％左右，改善掃頻信號(hào)源的方法可分為開環(huán)補(bǔ)償和閉環(huán)補(bǔ)償。這兩種方法一般可將線性度做到千分之幾，現(xiàn)在被廣泛使用的延時(shí)鎖相法屬于閉環(huán)補(bǔ)償方案，其線性度可達(dá)到十萬分之幾。但對(duì)于要求比較嚴(yán)格的應(yīng)用領(lǐng)域(如導(dǎo)彈末制導(dǎo)等)，這樣的線性度還不能滿足要求。因此，要獲得更高的線性度，DDS是首選，在一定條件下，它的線性度可達(dá)10-6。本文主要討論了以ADI公司推出的AD985x和AD995x為代表的DDS的線性掃頻特性。

2 掃頻非線性度分析

LFMCW信號(hào)的射頻輸出可描述為一個(gè)理想線性掃頻加上一個(gè)非線性頻率誤差，即

射頻信號(hào)相對(duì)于帶寬的掃頻非線性定義為：

掃頻偏離線性度定義為掃頻非線性的最大差值的百分比


由圖1可見，對(duì)于DDS掃頻而言，i為掃頻初始頻率，B為掃頻帶寬，t為掃頻時(shí)間，當(dāng)向上掃頻時(shí)t為tUP；當(dāng)向下掃頻時(shí)t為tDOWN。e(t)為非線性掃頻誤差，emax為最大非線性掃頻誤差。由圖1不難發(fā)現(xiàn)：DDS掃頻具有很強(qiáng)的規(guī)律性。DDS掃頻實(shí)際上是DAC在起始頻率和終止頻率之間等間隔地輸出頻率，即輸出頻率等階躍保持。ADI公司的DDS有兩個(gè)掃頻性能控制參數(shù)，一是頻率步進(jìn)，二是駐留時(shí)間(向上掃頻和向下掃頻可以有不同的頻率步進(jìn)和駐留時(shí)間)。對(duì)于DDS掃頻而言，最小的非線性掃頻誤差 emin為零，最大的非線性掃頻誤差?emax為頻率步進(jìn)，不難明白，這里掃頻偏離線性度和最大掃頻非線性度是一致的，均為頻率步進(jìn)與掃頻帶寬的比值。

可見，DDS掃頻非線性度與頻率步進(jìn)成正比。而且，掃頻步進(jìn)和駐留時(shí)間具有相互制約關(guān)系。當(dāng)掃頻帶寬和掃頻周期一定時(shí)，掃頻步進(jìn)越?。f明在掃頻周期內(nèi)掃完整個(gè)掃頻帶寬范圍所需要的步子越多，需要的駐留時(shí)間越小。需要說明的是，掃頻步進(jìn)和駐留時(shí)間都受器件本身性能的制約，存在一個(gè)最小值。當(dāng)掃頻周期比較長(zhǎng)時(shí)，掃頻步進(jìn)受器件本身掃頻步進(jìn)最小值的限制，駐留時(shí)間大于或等于器件本身最小駐留時(shí)間，即DDS掃頻非線性度受器件本身掃頻步進(jìn)最小值的限制：當(dāng)掃頻周期比較短時(shí)，掃頻步進(jìn)受器件本身駐留時(shí)間最小值的限制，掃頻步進(jìn)大于或等于器件本身最小掃頻步進(jìn)，即DDS掃頻非線性度受器件本身駐留時(shí)間最小值的限制。在一般的對(duì)掃頻周期沒有嚴(yán)格要求應(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)該盡量使掃頻步進(jìn)達(dá)到DDS器件本身的掃頻步進(jìn)最小值，從而使掃頻非線性度最低(掃頻駐留時(shí)間隨掃頻周期變化)。在導(dǎo)彈末制導(dǎo)等應(yīng)用領(lǐng)域，由于掃頻周期極短(μs量級(jí))，而目前DDS的掃頻駐留時(shí)間只能在ns量級(jí)，所以掃頻線性度受掃頻駐留時(shí)間的限制，不能達(dá)到DDS器件本身的掃頻步進(jìn)最小值，往往只能達(dá)到一個(gè)相對(duì)掃頻步進(jìn)最小值(在掃頻駐留時(shí)間取最小值時(shí)得到)。

3 掃頻參數(shù)計(jì)算

ADI公司推出的掃頻DDS參數(shù)由式(5)決定

△=[DFTW／2N]×SYS_CLK (5)

其中，△為掃頻步進(jìn)，DFTW為掃頻步進(jìn)控制字，N為頻率步進(jìn)控制字的位數(shù)(見表1)，SYS_CLK為DDS的系統(tǒng)時(shí)鐘；而掃頻駐留時(shí)間△t為

△t=DSRR[1／SYNC_CLK] (6)

其中，DSRR為掃頻駐留時(shí)間控制字，SYNC_CLK為同步時(shí)鐘。因此，可以得出

F=s+T×[△／△t] (7)

其中，F(xiàn)和s分別為掃頻終止頻率和掃頻起始頻率，T為掃頻時(shí)間。

由式(5)可知，掃頻步進(jìn)與掃頻步進(jìn)控制字位數(shù)成反比。隨著DDS技術(shù)的發(fā)展，DDS掃頻步進(jìn)越來越小，甚至可以達(dá)到1 Hz以下，對(duì)于幾十兆赫茲的應(yīng)用來說，如果不考慮器件本身掃頻駐留時(shí)間的限制，那么DDS掃頻非線性度可以達(dá)到10-6量級(jí)。但是在導(dǎo)彈末制導(dǎo)等應(yīng)用領(lǐng)域，由于受器件本身掃頻駐留時(shí)間的限制。掃頻步進(jìn)達(dá)不到器件本身掃頻步進(jìn)的最小值，因而DDS掃頻非線性度的量級(jí)銳減，當(dāng)實(shí)際掃頻步進(jìn)為幾百赫茲時(shí)，DDS掃頻非線性度只有10-4量級(jí)。例如，在導(dǎo)彈末制導(dǎo)應(yīng)用等領(lǐng)域，1 ms周期以內(nèi)掃頻30 MHz帶寬。

由式(5)～(7)可以計(jì)算出ADI多款掃頻DDS的參數(shù)，如表l所示。假設(shè)DDS器件都工作在各自最高工作頻率，掃頻30 MHz帶寬，掃頻時(shí)間1 ms。

由表1可以看出，在掃頻帶寬和掃頻時(shí)間確定的情況下。各DDS對(duì)應(yīng)的最小掃頻駐留時(shí)間和最小掃頻步進(jìn)是不同的。在導(dǎo)彈末制導(dǎo)等掃頻駐留時(shí)間制約掃頻非線性度的應(yīng)用領(lǐng)域，同一款DDS器件，實(shí)際掃頻步進(jìn)和最小掃頻步進(jìn)也是不同的，且實(shí)際掃頻步進(jìn)往往大于最小掃頻步進(jìn)。因而在應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇不同的DDS器件。例如，AD9954最小掃頻步進(jìn)雖小于AD9958，但在1 ms周期內(nèi)掃頻30 MHz帶寬時(shí)，實(shí)際掃頻步進(jìn)卻大于AD9958，因?yàn)锳D9954的最小駐留時(shí)間大于AD9958。又如，AD9956的最小掃頻步進(jìn)雖然遠(yuǎn)大于AD9954。但在1 ms周期內(nèi)掃頻30 MHz帶寬時(shí)，實(shí)際掃頻步進(jìn)卻與AD9954相當(dāng)，這是因?yàn)锳D9956和AD9954的最小駐留時(shí)間相同。由此可以看出，在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過計(jì)算比較，確定最合適的DDS器件。

在一般的對(duì)掃頻周期沒有嚴(yán)格要求的應(yīng)用領(lǐng)域，掃頻非線性度受掃頻步進(jìn)限制，首選AD9959、AD9958、AD9954、AD9854、AD9852。在導(dǎo)彈末制導(dǎo)等應(yīng)用領(lǐng)域，掃頻非線性度受掃頻駐留時(shí)間限制，首選AD9959、AD9958、AD9858、AD9854、AD9852。

另外，雖然從表1中看出AD9854和AD9852的最小掃頻駐留時(shí)間最短，性能最好，但這兩款DDS器件的功耗相對(duì)其他幾款器件而言大一個(gè)數(shù)量級(jí)，所以在對(duì)功耗有嚴(yán)格要求的應(yīng)用場(chǎng)合最好選用AD995x系列器件。

4 掃頻模式比較

ADI公司的DDS器件通常具有兩種線性掃頻模式，駐留模式和不駐留模式。它們的主要區(qū)別在于：

(1) 在線性掃頻模式下，頻率累加器使輸出頻率從一個(gè)可編程低頻梯變?yōu)橐粋€(gè)可編程高頻，或者從一個(gè)可編程高頻梯變到可編程低頻。低頻存儲(chǔ)在profile 0，高頻存儲(chǔ)在profile 1。頻率累加器的內(nèi)部組合邏輯要求FTW0的值必須總小于FTWl的值。掃頻方向由PS0引腳控制。PS0引腳由低跳變至高時(shí)，頻率從低掃至高；PS0引腳由高跳變至低時(shí)，頻率從高掃至低。實(shí)現(xiàn)掃頻功能．頻率累加器需要4個(gè)控制字：①上升掃頻步進(jìn)控制字(RDFTW)，表示當(dāng)頻率從低掃到高時(shí)，頻率每上升一步，頻率累加器需要增加多少頻率，即上升步進(jìn)；②上升掃頻駐留時(shí)間控制字(RSRR)，表示當(dāng)頻率從低掃到高時(shí)，頻率累加器頻率增加的速度，即多長(zhǎng)時(shí)間累加器增加一個(gè)步進(jìn)。RSRR說明了在兩個(gè)步子之間，頻率累加器需要數(shù)多少個(gè)SYNC_CLK周期；③下降掃頻步進(jìn)控制字(FDFTW)；④下降掃頻駐留時(shí)間控制字(FSRR)。在線性掃頻模式下，組合邏輯確保器件輸出頻率不會(huì)超過FTW1，即使下一個(gè)RDFTW增加會(huì)使頻率超過FTWl。一旦頻率達(dá)到FTW1．只要PS0引腳為高，頻率輸出將始終是FTW1。同樣。內(nèi)部邏輯確保下降掃頻時(shí)頻率不會(huì)低于：FTW0，即使下一個(gè)FDFTW增加會(huì)使頻率超過FTW0。如果在掃頻進(jìn)行當(dāng)中PS0引腳狀態(tài)改變，器件將按照新的步進(jìn)頻率控制字和掃頻速度字按新的方向進(jìn)行掃頻。

(2) 在線性掃頻不駐留模式，頻率累加器使輸出頻率從一個(gè)可編程低頻梯變到一個(gè)可編程高頻。當(dāng)?shù)竭_(dá)高頻時(shí)，累加器直接跳回低頻，而不是梯變回低頻。在線性掃頻不駐留模式，只用到上升掃頻步進(jìn)控制字(RDFTW)和上升掃頻駐留時(shí)間控制字(RSRR)。在線性掃頻不駐留模式，掃頻依然由PS0引腳控制，一旦PS0引腳由低跳變至高，不管在掃頻過程中PS0引腳是否跳回低，器件都會(huì)完成整個(gè)掃頻。掃頻結(jié)束后，PS0引腳的又一個(gè)上升沿觸發(fā)下一次掃頻。這就意味著，在啟動(dòng)另一個(gè)掃頻前，PS0引腳需要預(yù)先被拉低。

由以上對(duì)比和圖2可以看出兩種線性掃頻模式的三大主要區(qū)別：第一，線性掃頻模式有兩個(gè)掃頻方向(由低掃到高或者由高掃到低)，而線性掃頻不駐留模式只能從低掃到高；第二，掃頻過程中，PS0引腳狀態(tài)(僅從0變?yōu)?或僅從1變?yōu)?)的改變，會(huì)立刻影響線性掃頻駐留模式的掃頻方向，而它對(duì)線性掃頻不駐留模式卻無影響；第三，掃頻結(jié)束后，如果PS0引腳狀態(tài)不改變(無論是1或0)，線性掃頻模式的輸出會(huì)保持在掃頻過程的最后一個(gè)頻率點(diǎn)(FTW0或FTW1，視掃頻方向而定)，而對(duì)于線性掃頻不駐留模式而言，掃頻結(jié)束后輸出會(huì)立刻跳變回FTW0。

本文所討論的幾款器件都具有駐留模式，部分器件具有不駐留模式，它們是AD9959、AD9958、AD9956、AD9954。在不同的應(yīng)用場(chǎng)合，可以根據(jù)需要，簡(jiǎn)單地通過對(duì)寄存器值的修改選用不同的掃頻模式。在選擇DDS器件時(shí)，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際需要的掃頻模式來選擇合適的DDS器件。

5 性能比較

ADI公司推出了很多性能優(yōu)良、功能強(qiáng)大的DDS器件，現(xiàn)在最常用的是AD985x系列和AD995x系列，這兩個(gè)系列最主要的區(qū)別在于功耗，AD985x系列DDS器件功耗為瓦級(jí)，而AD995x系列DDS器件在功耗上作了很大改進(jìn)，達(dá)到百毫瓦級(jí)。它們除了具有主要的DDS功能外，還額外集成了其他功能塊，如鎖相環(huán)、混頻器、比較器、多輸出通道等。下面對(duì)ADI公司多款DDS器件的主要性能和特點(diǎn)進(jìn)行介紹和比較(參見表2、表3)。

AD9959有四路同步DDS信道，可獨(dú)立進(jìn)行頻率相位幅度控制，信道隔離度大于65 dB，具有線性頻率相位幅度掃描能力，16電平頻率相位幅度調(diào)制能力，4個(gè)可編程滿量程電流獨(dú)立DAC；AD9958有兩路同步DDS信道，可獨(dú)立進(jìn)行頻率相位幅度控制，信道隔離度大于72 dB，具有線性頻率相位幅度掃描能力，16電平頻率相位幅度調(diào)制能力，2個(gè)可編程滿量程電流獨(dú)立DAC：AD9956具有200 MHz鑒相鑒頻器，鑒相鑒頻器前端有655 MHz可編程分頻器(1～16整數(shù))，具有相位調(diào)制能力，8個(gè)相位頻率組。AD9954具有可編程相位幅度抖動(dòng)，超高速模擬比較器．自動(dòng)線性非線性掃頻能力，l 024×32靜態(tài)RAM，具有相位調(diào)制能力，4個(gè)相位頻率組；AD9858內(nèi)部時(shí)鐘1 GS／s。輸入頻率可達(dá)2 GHz，集成2 GHz混頻器，8-bit并行或串行接口，4個(gè)相位頻率組：AD9854可進(jìn)行FSK、BPSK、PSK、CHIRP、AM調(diào)制，具有超高速比較器，線性或非線性掃頻，自動(dòng)雙向掃頻，8-bit并行或串行接口，sinx／x修正；AD9852和AD9854絕大部分功能一樣，區(qū)別在于AD9852有一路是正常DAC輸出，另一路是控制DAC輸出，它可以輸出直流控制電平，交流信號(hào)，而AD9854只有一路是正常DAC輸出。另一路是控制DAC輸出(同AD9852)或正交DAC輸出，即兩路輸出信號(hào)總是頻率相同、相位呈90°、幅度可調(diào)。

從表2、表3的比較看出，當(dāng)輸入信號(hào)頻率比較高時(shí)，首選對(duì)輸入信號(hào)具有分頻功能的DDS器件，如AD9956或AD9858。當(dāng)輸入信號(hào)頻率比較低時(shí)，首選對(duì)輸人信號(hào)具有倍頻功能的DDS器件。如AD9959、AD9958、AD9954、AD9854、AD9852。當(dāng)器件外部與內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸速度要求比較高時(shí)，首選具有高速串行SPI或并行數(shù)據(jù)接口的DDS器件．如AD9959、AD9958、AD9854、AD9852。當(dāng)對(duì)DDS器件功耗有要求時(shí)，首選AD995X系列DDS器件，如AD9954、AD9959、AD9958、AD9956。當(dāng)需要多信道頻率輸出時(shí)，首選AD9959、AD9958、AD9854。當(dāng)需要比較器時(shí)，首選AD9954、AD9854、AD9852。當(dāng)需要鑒相鑒頻器構(gòu)成鎖相環(huán)時(shí)，首選AD9956。當(dāng)需要混頻器時(shí)，首選AD9858。當(dāng)對(duì)調(diào)制、掃頻有要求時(shí)，根據(jù)要求的不同選用不同的DDS器件。

6 結(jié)束語

本文針對(duì)線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)信號(hào)的要求。對(duì)ADI公司推出的AD985x和AD995x為代表的DDS器件的相關(guān)性能特點(diǎn)進(jìn)行了比較、分析。在工程實(shí)踐中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)掃頻源設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)要求整體考慮選擇合適的DDS器件。一方面，應(yīng)該考慮掃頻源的實(shí)際應(yīng)用情況，看它對(duì)掃頻周期有無嚴(yán)格要求。如果有嚴(yán)格要求，則可以根據(jù)最小掃頻駐留時(shí)間來選擇，反之，則可以根據(jù)最小掃頻步進(jìn)來選擇。另一方面，應(yīng)該考慮系統(tǒng)是否對(duì)DDS器件功耗有嚴(yán)格要求。如果有嚴(yán)格要求，則可以選擇AD995系列。此外，還應(yīng)該考慮是否需要其他集成功能(如混頻器、比較器、鑒相鑒頻器、DDS信道數(shù)等)。