數(shù)字正交上變頻器AD9857在高頻雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：介紹了數(shù)字正交上變頻器AD9857結(jié)構(gòu)、原理、功能，并給出了其在高頻雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射通道中的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：上變頻 AD9857 并口

隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展、短波通信的實(shí)現(xiàn)已從模擬電路向數(shù)字電路轉(zhuǎn)變，由中小規(guī)模向超大規(guī)模集成電路轉(zhuǎn)變，進(jìn)而向軟件無(wú)線(xiàn)電（Software Radio）的概念發(fā)展。數(shù)字化是現(xiàn)代通信發(fā)展的總趨勢(shì)。因此，與短波通信聯(lián)系緊密的高頻雷達(dá)也必然要向數(shù)字化方向發(fā)展。一般來(lái)講，在雷達(dá)設(shè)備或系統(tǒng)中，通用發(fā)射通道的電路有兩種實(shí)現(xiàn)方法：一種是傳統(tǒng)的鎖相環(huán)（PLL）電路；另一種就是直接數(shù)字合成（DDS）。與鎖相環(huán)相比，DDS具有頻率分辨率高、頻率變化速度快、線(xiàn)性相位變化、易于數(shù)字控制等優(yōu)點(diǎn)，因而發(fā)射通道核心部分采用基于DDS的14位正交數(shù)字上變頻器AD9857。

顧名思義，正交數(shù)字上變頻器AD9857在雷達(dá)系統(tǒng)中起上變頻的作用，即將基帶數(shù)字信號(hào)調(diào)制到載頻，輸出調(diào)制后的模擬信號(hào)。

1 AD9857的結(jié)構(gòu)和工作原理

AD9857的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要包括輸入數(shù)據(jù)組合、CIC與反CIC濾波器、固定插值濾波器、正交調(diào)制器、DDS核心、反SINC濾波器、輸出幅度乘法器、14位DAC。

1.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

將串行輸入的基帶數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成14位并行數(shù)據(jù)。由于基帶信號(hào)的I/Q分量是交替輸入的，所以必須保證I/Q分量與輸入時(shí)鐘PCLK的同步性，使其能轉(zhuǎn)換成兩路并行的I/Q數(shù)據(jù)流，送往下一級(jí)電路。

CIC與反CIC濾波器

CIC（內(nèi)插級(jí)聯(lián)積分梳狀濾波器）為一個(gè)編程過(guò)采樣濾波器，過(guò)采樣率為：2X～63X。

由于CIC具有低通特性，所以在其前端有一個(gè)反CIC濾波器來(lái)對(duì)此加以補(bǔ)償。

固定插值濾波器

固定插值濾波器由兩個(gè)半帶濾波器HB實(shí)現(xiàn)。它用來(lái)將輸入數(shù)據(jù)過(guò)采樣4X。另外，和CIC一樣，它也具有低通特性。

正交調(diào)制器

用以將基帶數(shù)字信號(hào)的頻譜調(diào)制到所需的載頻上（上變頻）。DDS（直接數(shù)字合成）產(chǎn)生正交調(diào)制所需要的正弦、余弦兩路數(shù)字載波，其頻率可由相應(yīng)頻率控制字控制。CIC輸出的I/O數(shù)據(jù)分別與這兩路數(shù)字載波相乘，然后再相加或相減，便得到調(diào)制后的數(shù)字中頻信號(hào)。

DDS核心

用于產(chǎn)生sin/cos載波參數(shù)考信號(hào)，載頻（fout）與頻率控制字（FTWORD）和系統(tǒng)時(shí)鐘（SYSCLK）的關(guān)系如下：

fout=(FTWORD* SYSCLK)/2 32

其中，fout、SYSCLK的單位是Hz，F(xiàn)TWORD是從0到2，147，483，647（2 32-1）的十進(jìn)制數(shù)。

反SINC濾波器

由于14位DAC的零階保持效應(yīng)，其輸出信號(hào)的頻譜會(huì)被SINC包絡(luò)所加權(quán)。反SINC濾波器對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以抵消SINC包絡(luò)造成的失真。

輸出幅度乘法器

用于對(duì)最終輸出信號(hào)幅度的調(diào)整，其值由相應(yīng)可編程寄存器決定，范圍是：0～1.9921875。

14位DAC

用于將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。數(shù)模轉(zhuǎn)換過(guò)程會(huì)在n*SYCLK±FCARRIER(n=1,2,3)處產(chǎn)生干擾信號(hào)，須外接一個(gè)RLC濾波器加以消除。

1.2 工作原理

輸入AD9857的是14位并行數(shù)據(jù)。這14位數(shù)據(jù)由I/Q交替輸入。AD9857只完成數(shù)字信號(hào)的正交上變頻調(diào)制，對(duì)數(shù)字信號(hào)的編碼、插值、脈沖整形等過(guò)程須在其送到AD9857前完成。

AD9857將交替輸入的I/Q信號(hào)分成兩路。從輸入到信號(hào)分離器一直到正交調(diào)制器，AD9857內(nèi)的數(shù)據(jù)流都是兩路I/Q信號(hào)。

AD9857內(nèi)的系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)SCLK提供了其內(nèi)部的所有時(shí)序。CIC輸出的I/Q數(shù)據(jù)的采樣率與DDS數(shù)字載波的采樣率相同，也就是AD9857的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率SYSCLK。所以調(diào)制后的信號(hào)實(shí)際上是一組采樣率為SYSCLK的數(shù)據(jù)流。

1.3 工作模式

AD9857具有三種工作模式：正交調(diào)制器模式、單頻輸出模式、插值DAC模式。當(dāng)工作在正交調(diào)制器模式時(shí)，DDS核心提供一個(gè)正交的本振信號(hào)（sincos）到正交調(diào)制器，在那里分別與IQ數(shù)據(jù)相乘、相加，產(chǎn)品一個(gè)正交調(diào)制的數(shù)據(jù)流。所有這些都在數(shù)字域內(nèi)發(fā)生，僅當(dāng)數(shù)字的數(shù)據(jù)流加到14位DAC輸出時(shí)才變成正交調(diào)制的模擬輸出信號(hào)；當(dāng)工作在單頻輸出模式時(shí)，AD9857相當(dāng)于一個(gè)頻率源，14位數(shù)據(jù)信號(hào)并不加到AD9857。內(nèi)部DDS核心在頻率控制字的控制下產(chǎn)生一個(gè)單頻信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)反向SINC濾波器和輸出幅度控制器后加到14位DAC輸出。當(dāng)工作在插值DAC模式時(shí)，14位數(shù)據(jù)輸出后仍是基帶信號(hào)，即沒(méi)有調(diào)制。對(duì)信號(hào)進(jìn)行過(guò)采樣操作并保持原始信號(hào)的頻譜不變時(shí)，用該模式。

2 AD9857的引腳描述和技術(shù)特性

AD9857是基于CMOS的超大規(guī)模集成芯片。共有80個(gè)引腳，各引腳的說(shuō)明如表1所示。

表1 AD9857引腳

AD9857的技術(shù)特性：

200MHz的內(nèi)部時(shí)鐘率

14位的數(shù)據(jù)總線(xiàn)

極好的動(dòng)態(tài)特性（80dB SFDR @ 65MHz（±100kHz模擬輸出）

4～20倍PLL可編程參考時(shí)鐘

內(nèi)置32位正交DDS

FSK兼容

8位輸出幅度控制

單引腳掉電功能

4個(gè)可編程的通過(guò)引腳可選的信號(hào)模式

反SINC濾波器

簡(jiǎn)單的控制接口：10MHz串行，2或3線(xiàn)SPI兼容

3.3V供電

單端或差分輸入的參考時(shí)鐘

可工作溫度范圍：-40～+85℃

其封裝是80引腳的LQFP表面封裝。

3 計(jì)算機(jī)并口對(duì)AD9857的控制

為便于計(jì)算機(jī)對(duì)AD9857進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，采用計(jì)算機(jī)并口（Parallel Port）作為AD9857與計(jì)算機(jī)的接口。

3.1 計(jì)算機(jī)并口的結(jié)構(gòu)

并行端口又叫并行打印機(jī)適配器、Centronics適配器、Centronics端口，或簡(jiǎn)稱(chēng)并口。在通用計(jì)算機(jī)上，并口的輸出連接在一個(gè)25針D型連接口上。實(shí)際的并口使用了17個(gè)信號(hào)，分別包括在3個(gè)內(nèi)部端口中。它們是：DATA端口（輸入輸出端口，包括8個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)）；STATUS端口（輸入端口，包括5個(gè)狀態(tài)信號(hào)）；CONTROL端口（輸出端口，包括4個(gè)控制信號(hào)）。并口結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 并口結(jié)構(gòu)

3.2 計(jì)算機(jī)并口與AD9857的接口

硬件方面，用一根通用打印機(jī)并口線(xiàn)將計(jì)算機(jī)并口與AD9857電路連接起來(lái)，連接方法如表3所示。

表3 AD9857與并口的連接

軟件方面，采用VC6.0語(yǔ)言。分別編寫(xiě)了一個(gè)類(lèi)對(duì)并口和AD9857進(jìn)行控制，通過(guò)對(duì)這些類(lèi)的調(diào)用分別寫(xiě)出各種實(shí)用程序。這樣增強(qiáng)了程序的實(shí)用性，也便于計(jì)算機(jī)對(duì)并口進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

4 AD9857在高頻雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射通道中的應(yīng)用

4.1 發(fā)射通道的工作原理

AD9857接收VXI3250（接收機(jī)）輸出的參考頻率作為其參考時(shí)鐘；接收計(jì)算并口輸出的控制信號(hào)；輸出時(shí)序控制信號(hào)到WT6701（通用DSP芯片TMS320c6701板卡），同時(shí)接收WT6701輸出的基帶數(shù)字信號(hào)，生成已調(diào)連續(xù)射頻信號(hào)；將射頻信號(hào)輸出給發(fā)射機(jī)。見(jiàn)圖2。在發(fā)射通道中，AD9857工作在正交調(diào)制模式。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以下是AD9857對(duì)偽隨機(jī)信號(hào)調(diào)制后的頻譜，即將偽隨機(jī)信號(hào)調(diào)制到30MHz載頻后的頻譜，見(jiàn)圖3、圖4。AD9857參數(shù)設(shè)置如下：外接40MHz參考時(shí)鐘，參考時(shí)鐘因子為5，CIC插值率為32。