基于AD9858的线性调频源设计

1 引言

随着雷达技术的发展,线性调频信号已经广泛应用于高分辨率雷达领域｡过去获得线性调频信号主要借助模拟方法,其中包括VCO方法和声表面波方法｡这两种脉冲电压信号的产生方法因其一些固有的缺陷(如对环境温度比较敏感､信号波形比较单一､信号产生的重复性差､线性度及信号间的相关性不理想等)而制约了雷达整机性能的提高｡目前,VCO方法和声表面波方法已渐渐被数字方法所取代｡直接数字频率合成方法具有传统方法所不具备的许多突出优点,如频率分辨率和切换速度高,频率切换时相位可保持连续,超宽的频率范围,能实现各种调制波和任意波形的产生以及易于实现全数字化设计等｡然而,其全数字化的工作原理也给它带来了两个缺点,一是输出杂散较大,二是输出带宽将受到限制｡但是,这一缺陷随着新工艺和新算法的出现正在逐渐得到改善｡

AD9858是AD公司于2003年推出的一款高性能DDS芯片,其工作频率高达1GHz,杂散性能指标更高于以前的产品｡AD9858凭借优良的性能可广泛应用于甚高频/超高频本振合成器､雷达､蜂窝基站跳频合成器等许多领域｡

2 AD9858的主要特点

AD9858的工作频率最高可达1GHz,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2GHz｡AD9858内部集成有10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400MHz的信号｡而其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､LL和混频器相结合的应用场合｡此外,AD9858的杂散抑制性能和谐波抑制性能也非常突出,当输出40MHz信号时,±1MHz带宽内的数模转换SFDR为-87dBc,输出180MHz信号时,±1MHz带宽内的数模转换SFDR为-84dBc｡ 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｡当AD9858工作于点频模式时,有四个用户定义的频率可以通过一对外部引脚来选择,这四个频率允许用户写入四个不同的频率调节字和相位偏移字,从而获得不同的频率和相位偏移｡AD9858还可以配置为扫频模式｡为了节省功耗,可以通过编程使其进入全休眠状态｡

3 AD9858的配置

3.1 扫频工作模式的配置

AD9858有两种工作模式,单一点频模式和扫频模式｡单一点频模式的配置比较简单,只需将控制寄存器(CFR)(注:与扫频模式的配置类似,不同点在于将扫频使能位置0)和频率调节字(FTW)配置完毕,即可打开该功能｡下面介绍扫频工作模式的配置方法｡扫频模式需要配置的寄存器有控制寄存器(CFR)､频率调节字(FTW)､步进频率调节字(DFTW)､步进频率斜率控制字(DFRRW)和相位偏移字(POW),其中,控制寄存器有4个字节,地址分别为0x00､0x01､0x02和0x03｡由于该设计未用到PLL功能,故与PLL有关的控制字均置为无效｡0x01的Bit7为扫频使能位,将其置1可打开扫频功能｡ 对于线性调频工作状态的实现,还有几点需要说明｡由于线性调频信号是有时宽限制的,因此,AD9858具有输出线性调频信号的功能,但是不具有定时的功能,所以需要外部定时器来实现对时宽的控制｡AD9858的线性调频工作原理是:先指定频率起始点和步进频率,并使频率以系统时钟的1/8或其整数倍进行累加,但是在没有指定上限的情况下,会一直扫到1/2参考时钟频率处(即奈奎斯特频率),故需做好对上限频率的控制｡利用定时器可以实现对上限频率的精确控制｡

3.2 频率调节字的计算

设输出频率为f0,相位累加器的位数为N,参考时钟为fSYSCLK,则频率调节字为2:

ftw=f0×2N /fSYSCLK

3.3 步进频率调节字的计算

设fF为终止频率,fS为起始频率,DFRRW为步进频率斜率调节字,T为线性调频信号时宽,则步进频率控制字为3

DFTW=(|fF-fs|/fSYSCLK2)DRRRW/T ×232

4 硬件结构

本设计利用AD9858上集成的锁相环来将60MHz的时钟信号倍频到960MHz,以便使其作为DDS的工作参考时钟,配置芯片选用Xilinx公司生产的CPLD芯片XC95144XL来完成｡其电路的硬件结构如图｡



使用XC95144XL时,可按照AD9858数据手册上提供的时序来对图中所示的端口进行操作,以便完成对AD9858的配置｡用60MHz时钟输入到PFD端口可作为鉴频器的输入,VCO的输出经功分器后,一路经16分频后从div端口输入作为鉴频器的输入,另一路直接从端口REFCLK输入以作为DDS的参考时钟｡端口CP的输出经环路滤波后可作为VCO的调谐电压｡而线性调频信号则从端口IOUT输出,并经带通滤波器和放大器后,作为最终所需要的输出｡

5 控制流程

该设计的配置芯片选用的是Xilinx公司的XC95144XL,控制程序采用VHDL语言编写｡设计输出的线性调频信号的起始频率为48MHz,终止频率为72MHz,时宽为20μs,其控制流程如图2所示｡在系统接到上电复位信号后,可依次向CFR､FTW､DFTW､DFRRW写控制字,然后等待脉冲展宽信号的到来｡脉冲展宽信号为外部激励信号,上升沿有效｡当检测到一个上升沿之后,系统将发出一个update信号(update信号的作用是将写入寄存器的数据导入DDS内核,同时使DDS按照新的配置开始工作),同时计数器开始计数并输出宽度为20μs的线性调频信号,同时对地址为0x02的寄存器进行操作,以将Bit3置为高电平,并使相位累加器的清零位有效｡计数器计满后会发出一个update信号,由于此时相位累加器清零位有效,此时相位累加器被清零,与此同时停止输出线性调频信号,然后继续对地址为0x02的寄存器进行操作,同时也将Bit3置为低电平,并使相位累加器清零位无效,此时如果接收到update信号,则线性调频信号重新输出｡至此,系统将进入等待状态以等待脉冲展宽信号的到来,这样依次往复,即可实现脉冲线性调频信号的输出｡

6 结束语

随着数字电子技术的发展,直接数字频率合成得到了日益广泛的应用,DDS技术也日臻完善｡传统线性调频信号的产生方法(VCO方法和声表面波方法)由于线性度差､频率稳定度低而逐渐被淘汰｡本文介绍了一种采用DDS方式直接产生线性调频信号的全数字设计方法｡该方案一方面采用了当今技术最为领先的DDS芯片AD9858,另一方面也根据严格的高速电路设计理论进行了整体规划和布线｡经过测试,该方案的各项性能指标均较高,从而证实了其可行性和前瞻性,同时也表明AD9858在相位噪声､杂散抑制度､谐波抑制度等方面确有很好的表现｡