基于AD9858寬帶雷達(dá)信號源的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

　　3 系統(tǒng)組成

　　由AD9858產(chǎn)生的雷達(dá)信號源的系統(tǒng)組成框圖如圖3所示。主要由AD9858、單片機(jī)MCU和CPLD(可編程邏輯器件)構(gòu)成，其中AD9858直接從外部引入l GHz信號作為DDS工作時(shí)鐘。

　　該系統(tǒng)在工作時(shí)，控制計(jì)算機(jī)通過串口發(fā)出控制信號以決定系統(tǒng)產(chǎn)生波形的種類及參數(shù)，并將頻率碼打入單片機(jī)內(nèi)部。CPLD的作用是產(chǎn)生DDS系統(tǒng)所需要的全部控制信號，并根據(jù)操作模式控制信號來決定所產(chǎn)生波形的周期，從而使其向AD9858發(fā)控制字，并產(chǎn)生預(yù)期的信號波形。AD9858采用差動(dòng)電流輸出，然后經(jīng)偏壓電阻網(wǎng)絡(luò)形成輸出電壓，再經(jīng)上變頻電路送至微波接口。其編程時(shí)序如圖4所示，AD9858內(nèi)部寄存器的值在FUD的上升后被更新。

　　該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、體積小、易于調(diào)試、輸出線性調(diào)頻信號相位連續(xù)、諧波抑制好。

　　4 信號產(chǎn)生

　　用高速DDS器件AD9858可方便產(chǎn)生寬帶雷達(dá)信號，如單頻脈沖、線性調(diào)頻信號及編碼調(diào)制信號。對AD9858來說，產(chǎn)生單頻信號的方法比較簡單，只要更新頻率調(diào)節(jié)字寄存器內(nèi)容并且在控制功能寄存器中設(shè)置為單頻模式即可，因此以下主要介紹線性調(diào)頻信號及編碼調(diào)制信號產(chǎn)生的方法。

　　4.1 線性調(diào)頻信號的產(chǎn)生

　　AD9858具有自動(dòng)頻率掃描功能，由頻率累加器來完成。頻率累加器重復(fù)將一個(gè)頻率增長值加到當(dāng)前的頻率值，這樣使DDS產(chǎn)生的頻率隨時(shí)間改變。頻率增長值由用戶預(yù)先寫入的△頻率調(diào)整字(DFTW)來決定，而頻率增長速度則由寫入的△頻率跳變字(DFRRW)來決定，這2個(gè)寄存器使得AD9858能從由頻率調(diào)整字(FTW)決定的起始頻率開始，以期望的速率和步長向上或者向下線性掃描。圖5展示出了掃頻信號的產(chǎn)生。

　　DFRRW寄存器是一個(gè)減數(shù)計(jì)數(shù)器，當(dāng)計(jì)數(shù)到零時(shí)，頻率更新一次。DFRRW的單位值對應(yīng)的時(shí)間值為SYSCLK/8，若時(shí)鐘頻率為l GHz，DFRRW為l，此時(shí)頻率更新時(shí)間是8 ns，更新速度達(dá)到最大值125 MHz。DFTW寄存器用來聲明是向上還是向下掃描：正數(shù)向上掃描，負(fù)數(shù)相反。

　　掃描不能自動(dòng)停止在所期望的頻率上，用戶必須事先計(jì)算出到達(dá)期望頻率的時(shí)間，然后寫0到DFRRW寄存器中，使AD9858停止掃描，計(jì)算掃描時(shí)間：

　　式中，T是頻率掃描的時(shí)間間隔;fs是起始頻率，計(jì)算公式如下：

　　fF是終止頻率。

　　起始頻率存儲(chǔ)在FTW中，這個(gè)值在整個(gè)掃描過程中不會(huì)改變。將控制寄存器中的自動(dòng)清除頻率累加器位置1，頻率累加器清零，AD9858回到起始頻率開始新一輪掃描。

　　4.2 相位編碼調(diào)制信號產(chǎn)生

　　相對于ADI公司以往的DDS而言，AD9858的優(yōu)勢在于具有4套頻率發(fā)生寄存器及4個(gè)相位調(diào)整寄存器，這使得它可以方便快速產(chǎn)生編碼調(diào)制信號，而且其轉(zhuǎn)換時(shí)間很短。這是因?yàn)檫@4組控制寄存器的選擇是依靠外部選擇信號PSl、PS0來實(shí)現(xiàn)的，這2根選擇信號連接到CPLD的可編程I/0輸出引腳，通過它們對I/0引腳進(jìn)行操作的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于對數(shù)據(jù)總線的操作時(shí)間。因此可以方便地產(chǎn)生二相或四相編碼調(diào)制信號。下面以四相碼為例簡要說明AD9858產(chǎn)生編碼調(diào)制信號的控制流程，其時(shí)序如圖6所示。

　　1)向AD9858的4個(gè)相位調(diào)整寄存器內(nèi)置入0°、90°、180°及270°;

　　2)向AD9858的4個(gè)頻率字控制寄存器內(nèi)置入編碼調(diào)制信號的基率;

　　3)控制CPLD向AD9858的FUD引腳發(fā)出頻率更新信號并產(chǎn)生波形，同時(shí)啟動(dòng)MCU內(nèi)部定時(shí)器對碼元寬度進(jìn)行計(jì)數(shù);

　　4)在MCU中斷服務(wù)程序中發(fā)相位選擇信號，即控制PSI、PS0以進(jìn)行相位選擇。

　　由以上的測試圖可知：在窄帶(1 MHz)條件下輸出26、65和375 MHz的信號雜散分別為：87，80，78 dBc;在寬帶(500 MHz)條件下輸出26 MHz的信號雜散為64 dBc。

　　通過實(shí)際使用情況來看，用AD9858設(shè)計(jì)的信號源工作平穩(wěn)，精度高，且工作帶寬也較大(可穩(wěn)定工作于400 MHz)，各項(xiàng)指標(biāo)符合使用要求。從測量情況來看，DDS頻率合成器試驗(yàn)表明，采用AD9858產(chǎn)生的4相碼編碼調(diào)制信號碼元之間的間隔僅為幾十ns甚至更低，這是其他DDS器件所無法達(dá)到的。

　　5 實(shí)驗(yàn)及測試結(jié)果

　　通過以上的討論，構(gòu)建了寬帶雷達(dá)信號產(chǎn)生器，其實(shí)物如圖7所示，并對其進(jìn)行測試。

　　測試時(shí)，采用的是點(diǎn)頻模式，這樣方便對其雜散性能指標(biāo)進(jìn)行測試，產(chǎn)生的點(diǎn)頻分別為窄帶(1 MHz)26 MHz，65，375 MHz以及寬帶(500 MHz)26 MHz信號。測試的結(jié)果分別如圖8窄帶點(diǎn)頻信號及圖9寬帶點(diǎn)頻信號所示。圖8和圖9是利用示波器直接對信號進(jìn)行測試的結(jié)果。

　　由以上的測試圖可知：在窄帶(1 MHz)條件下輸出26、65和375 MHz的信號雜散分別為：87，80，78 dBc;在寬帶(500 MHz)條件下輸出26 MHz的信號雜散為64 dBc。

　　通過實(shí)際使用情況來看，用AD9858設(shè)計(jì)的信號源工作平穩(wěn)，精度高，且工作帶寬也較大(可穩(wěn)定工作于400 MHz)，各項(xiàng)指標(biāo)符合使用要求。從測量情況來看，DDS頻率合成器的頻率純度和穩(wěn)定度相當(dāng)高，其在窄帶時(shí)無雜散動(dòng)態(tài)范同SFDR優(yōu)于75 dBc，寬帶無雜散動(dòng)態(tài)范圍SFDR優(yōu)于55 dB。

　　6 結(jié)束語

　　本文介紹了DDS的基本原理及DDS芯片AD9858的結(jié)構(gòu)和功能，對所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了論述，對采用單片機(jī)+CPLD的方法控制AD9858實(shí)現(xiàn)寬帶雷達(dá)信號源進(jìn)行了詳細(xì)說明。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)比以往的系統(tǒng)速度要快3倍，但功耗卻不增加，用該系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)成的信號源產(chǎn)生的信號精度高，轉(zhuǎn)換速度快。