基于AD9858的宽带线性调频源设计

摘要：作为高性能DDS单片集成电路，AD9858可方便快速地产生线性调频、单频脉冲信号。现代雷达技术的发展对信号源的性能提出了更高的要求，越来越多的雷达采取宽频带的线性调频信号体制。高性能的AD9858为简化频率源电路设计、提高电路性能提供了一条新的途径。从某频率源的要求出发，介绍了一种宽带线性扫频信号的实现方案，阐述了DDS时钟产生电路、耦合滤波电路、上位机软件功能等方面的设计，进行了必要的仿真，并给出了最终设计的信号源的测试结果。表明AD9858在通信设备、军事以及航空雷达的设计当中是很有应用前景的。
关键词：AD9858；线性调频；ADF4360；DDS

0 引言
雷达技术的高速发展对雷达信号源的性能提出了更高的要求。宽工作频段、高精度、高稳定、快速跳变、复杂多变的调制形式已成为衡量雷达信号源性能的重要指标。高性能的DDS技术为此问题的解决关系提供了一种新的途径。直接数字频率合成(DDS)技术，具有极高的频率分辨率、极短的频率转换时间，以及频率转换时信号相位连续等优点，已经在通信、雷达、电子对抗等领域得到了广泛的应用。AD9858是美国AD公司推出的高性能DDS单片集成电路，可方便快速的产生线性调频、单频脉冲及编码调制信号。在工作时钟频率1 GHz条件下，能直接产生高达400MHz的输出频率，克服了以前DDS产品由于时钟频率低，使得直接输出频率上限较低，实际工作频带较窄的缺陷，能够满足宽带微波雷达信号产生的需求。

1 方案设计
某频率源需要产生中心频率为300 MHz、带宽最大为62．5 MHz、时宽和带宽可调的线性调频信号或中心频率为300 MHz并且频率可调的单频调试信号，要求输出信号稳定，低杂散，并实现不同信号之间的快速跳转。基于上述指标，以前的DDS器件由于器件性能限制，如AD9854只能产生中心频率为几十兆赫兹、带宽为几兆赫兹的线性调频信号，然后经过多次倍频或经过上变频来实现上述指标要求，因而电路结构复杂，可靠性低。而AD9858作为一款高性能的DDS器件，在工作时钟频率为1 GHz条件下，能直接产生高达400 MHz的输出频率，可方便快速地产生线性调频、单频脉冲及编码调制信号。本文的方案是某频率源中的中频产生模块，将AD9858与MCU相结合产生中心频率为300 MHz的脉宽和带宽可调的线性调频信号或中心频率为300 MHz频率可调的点频测试信号。具体的实施方案如图1所示。

该方案主要由MCU控制单元、DDS、DDS时钟产生(2 GHz时钟)、耦合滤波电路、RS 232接口等组成。
上位机通过RS 232接口与MCU通信，可以方便地设置DDS输出信号的形式：点频信号(中心频率)、线性扫频信号(中心频率、带宽、脉宽)。由于该频率源同时还要求输出1路2 GHz的信号。方案采用AD公司的高性能电荷泵型集成频率综合芯片ADF4360-2来产生2 GHz的信号。ADF4360-2内置低噪声数字鉴相器、精确电荷泵、可编程参考分频器、可编程计数器、计数器及双模前置分频器(P／P+1)以及内部VCO等部件。输出频率范围为1700～2100MHz。外部晶振信号输入ADF4360-2芯片，通过对ADF4360-2的正确配置和搭接合适的外部电路，设计放大、滤波电路，就可产生满足系统和AD9858的时钟要求的频率信号。ADF4360-2输出的信号对于二次谐波的抑制根据以往的工程经验在25 dBc左右。为了给AD9858提供高质量的时钟信号，ADF4360-2的输出需要接滤波器滤除输出信号的二次谐波。方案中将该放大滤波后输出的一路信号作为DDS的时钟使用，DDS部分采用了AD公司的DDS芯片AD9858，MCU控制DDS对输入时钟2分频，可使DDS的工作时钟为1 GHz。MCU对ADF4360-2的寄存器写入流程如下：
(1)写入R寄存器；
(2)写入C寄存器；
(3)写入N寄存器。
其中：R寄存器的值设置为0000191；C寄存器的值设置为0FE148；N寄存器的值设置为00FA02。鉴相频率选择为10 MHz，环路带宽选择为100 kHz，利用ADIsimPLL软件经过仿真，杂波抑制可控制在-80 dBc以下，在偏离中心频率10 kHz～1 MHz时，相位噪声小于-95 dBc／Hz，该信号的性能能够满足AD9858对时钟信号的要求。仿真结果如图2所示。

控制部分的MCU采用ATmega8515，主要完成三个功能：一是对ADF4360-2的配置(控制寄存器、R寄存器和N寄存器)，使ADF4360-2能够稳定锁定，输出高质量的2 GHz频率信号；二是与上位机通信，接收上位机的命令字(扫频、点频、起始和终止频率、脉宽)，对信号源的状态进行监控；三是按照接收到的命令字对AD9858进行配置，控制输出相应的频率信号。
AD9858具有三种工作模式：单音频工作模式、扫频工作模式、睡眠工作模式。
要设置AD9858工作在单音频模式，需要设置的寄存器为：CFR寄存器(设置相应的时钟、混频器、I／O端口等功能)、FTW0寄存寄存器。
输出频率的计算公式为：

式中：FTW是FTW寄存器需要设置的值；n是相位累加器分辨率，n=32；SYSCLK是系统时钟值，在该方案中n=1 GHz。
要设置AD9858工作在扫频工作模式，需要配置的寄存器有：CFR寄存器、FTW寄存器、DFTW寄存器(用于步进频率调节)、DFRRW寄存器(步进频率斜率控制)、POW寄存器(相位偏移控制)。AD9858的数据读写有串行和并行两种方式，MCU对AD9858选用串行读／写模式。AD9858的输出IOUT，IOUT经过变压器耦合、带通滤波器滤波后得到杂波抑制性能较好的信号。耦合、滤波电路如图3所示。