AD9856工作原理及在雷達(dá)回波模擬器中的應(yīng)用

1 引言

雷達(dá)回波模擬在雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、改進(jìn)和定型中具有十分重要的意義。ad9856是美國(guó)adi生產(chǎn)的正交數(shù)字上變頻器，其內(nèi)部集成了1個(gè)高速直接數(shù)字頻率合成器(dds)、1個(gè)12位高速、高性能數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、時(shí)鐘倍頻電路、數(shù)字濾波器及其他數(shù)字信號(hào)處理功能模塊。它具有低成本、低功耗、體積小、動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)，可以處理來(lái)自dsp的成型后的基帶抽樣值序列，將其上變頻變?yōu)橹蓄l，產(chǎn)生雷達(dá)回波的中頻模擬信號(hào)。ad9856可以應(yīng)用在通信和雷達(dá)等系統(tǒng)中。

2 ad9856的工作原理

2.1 ad9856的基本功能

ad9856的基本特性和技術(shù)指標(biāo)如下：

+3v單電源供電； 直流到80mhz的輸出帶寬；

在40mhz輸出頻率下具有大于52db的sf-dr，在70mhz輸出頻率下，sfdr大于48db，在70mhz輸出頻率下的窄帶sfdr大于80db；

有采樣率可編程的內(nèi)插濾波器；

有可編程的參考時(shí)鐘倍頻器；

有內(nèi)置的sinx/x補(bǔ)償濾波器；

有雙向控制總線接口；

支持突發(fā)和持續(xù)tx二種模式；

單頻模式可用于直接頻率合成。

2.2 ad9856的原理及各部分的功能

(1)數(shù)據(jù)復(fù)合和串并轉(zhuǎn)換

ad9856的結(jié)構(gòu)如圖1所示。ad9856內(nèi)部的數(shù)據(jù)格式是12bit的二進(jìn)制補(bǔ)碼?；鶐盘?hào)的i、q2路數(shù)據(jù)是交替輸入的，數(shù)據(jù)復(fù)合器需對(duì)輸人數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別，將其轉(zhuǎn)換成i、q2路并行數(shù)據(jù)流，送往下一級(jí)電路。

(2)半帶濾波器(hbf)

半帶濾波器(hbf)分為3級(jí)：hbfl、hbf2和hbf3。其中hbfi是47階濾波器，hbf2是15階濾波器，前2級(jí)hbf的聯(lián)合內(nèi)插損失僅為0.01db，hbf3是可選11階濾波器，它對(duì)信號(hào)的損耗為0.03db。每級(jí)hbf可使數(shù)據(jù)的采樣率提高1倍，為了使信號(hào)頻帶處于濾波器通帶的平坦部分，需要提高h(yuǎn)bf的截止頻率，也就是說(shuō)在數(shù)據(jù)輸入ad9856之前要進(jìn)行過(guò)采樣。

(3)級(jí)聯(lián)積分梳狀濾波器

ad9856的cic實(shí)際上是可編程的過(guò)采樣濾波器，過(guò)采樣率的范圍是2≤r≤63。隨著r的改變， cic會(huì)引入不同的插入損耗。為了彌補(bǔ)這種損耗。用戶可以設(shè)置cic增益位，使得cic的輸出增大1倍。但在這種工作模式下，必須確保輸出信號(hào)不會(huì)溢出。

(4)正交調(diào)制

ad9856的正交調(diào)制就是將基帶信號(hào)的頻譜移到所需要的載波頻率上，即通常所說(shuō)的上變頻。正交調(diào)制所需要的余弦和正弦2路數(shù)字載波由1個(gè)高速直接數(shù)字信號(hào)合成器(dds)產(chǎn)生，其頻率可以通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的寄存器來(lái)控制。這2路數(shù)字載波分別與cic輸出的i、q數(shù)據(jù)相乘，然后再進(jìn)行相加或相減，即得到調(diào)制后的數(shù)字中頻信號(hào)。cic輸出的i、q數(shù)據(jù)的采樣率與dds數(shù)字載波的采樣率是相同的，也就是ad9856的系統(tǒng)時(shí)鐘采樣率(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。

(5)數(shù)/模轉(zhuǎn)換

調(diào)制后的數(shù)字信號(hào)要經(jīng)過(guò)12位的dac轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。dac通過(guò)零階保持實(shí)現(xiàn)數(shù)/模轉(zhuǎn)換。由于存在零階保持效應(yīng)，所以其輸出信號(hào)的頻譜實(shí)際上是被sinc包絡(luò)加權(quán)過(guò)的。因此需要在dac前面加上1個(gè)反sinc型濾波器(isf)對(duì)輸人數(shù)據(jù)流進(jìn)行處理，以校正sinc包絡(luò)造成的失真。而數(shù)/模轉(zhuǎn)換會(huì)在n*sysclk±fcarrier(n=1，2，3)處產(chǎn)生干擾信號(hào)，這些干擾信號(hào)可以通過(guò)1個(gè)外接rlc濾波器濾除。一般情況下，使用1個(gè)7階橢圓低通濾波器即可。

ad9856提供2路互補(bǔ)的2個(gè)電流輸出，輸出電流的滿額值iout范圍是5ma～20ma，可以通過(guò)其25引腳的dac rset，來(lái)設(shè)置。其關(guān)系為 rset=39.936/iout

(6)控制單元

ad9856提供了1個(gè)靈活的同步串行通信接口，這個(gè)接口可以讀寫，ad9856的所有寄存器?？刂茊卧鶕?jù)各個(gè)寄存器的內(nèi)容設(shè)置ad9856的工作模式。ad9856還提供了1個(gè)與ad8320(可編程電纜驅(qū)動(dòng)放大器)串行通信的接口?？刂茊卧梢酝ㄟ^(guò)這個(gè)串口直接設(shè)置ad8320的增益。

(7)輸人數(shù)據(jù)模式

ad9856提供了二種輸人數(shù)據(jù)的時(shí)序模式：突發(fā)模式和連續(xù)模式。在突發(fā)模式下．a(chǎn)d9856通過(guò)txenable的上升沿來(lái)保持與輸人數(shù)據(jù)的同步。突發(fā)模式支持全部3種字長(zhǎng)(12bit、6bit和3bit)。對(duì)于連續(xù)模式，txenable可以看成輸入數(shù)據(jù)時(shí)鐘。該信號(hào)除了用來(lái)同步外，還可以指示輸入數(shù)據(jù)是i路還是q路(1表示i路，o表示q路)。連續(xù)模式只支持12bit字長(zhǎng)。圖2和圖3分別示出二種輸入模式的時(shí)序關(guān)系，其中internal i和internal q為數(shù)據(jù)分離所產(chǎn)生的并行i和q數(shù)據(jù)流。

3 在pd雷達(dá)回波模擬器中的應(yīng)用

3.1 硬件組成

本系統(tǒng)由adi的qdu ad9856、dga ad8369、tsl01型dsp及altera公司的ep1k30型fpga組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

在圖4中，ts101產(chǎn)生正交i和q2路雷達(dá)回波數(shù)據(jù)，tsl0l通過(guò)外部總線將ad9856和ad8369的配置信息寫入ep1k30。由于ad9856要求的配置信息是串行寫入的，因此，需在ep1k30內(nèi)將ts101送出的并行指令變?yōu)榇兄噶?，并按照ad9856時(shí)序要求送入ad9856。將ad9856配置好后，tsl01以dma方式將正交i和q2路雷達(dá)回波數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)總線送至ad9856，ad8369將ad9856產(chǎn)生的中頻模擬信號(hào)放大后，送人下一級(jí)電路處理。

3.2 ad9856串口操作

同步串口包括cs、sync i/o、sclk、sdio和sdo 5條信號(hào)線。其中，cs為低有效串口使能信號(hào)；sync i/o為串口同步恢復(fù)信號(hào)，當(dāng)串口失去同步后，可在sync i/o上加1個(gè)正脈沖使串口恢復(fù)初始狀態(tài)；sclk為串口的數(shù)據(jù)時(shí)鐘信號(hào)；sdio為雙向數(shù)據(jù)線，當(dāng)串口置于雙線(sclk和sdio)方式時(shí)，sdio為雙向數(shù)據(jù)線。當(dāng)置于3線(sclk、sdio和sdo)模式時(shí)．其輸出功能由sdo替代。對(duì)串口的操作有嚴(yán)格的時(shí)序要求，1個(gè)串口通信周期為指令周期和數(shù)據(jù)讀寫周期。在初始狀態(tài)，串口等候sclk(上的8個(gè)上升沿指示的8bit指令，然后進(jìn)行由指令設(shè)定的1-4個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)讀寫，讀串口由sclk下降沿指示，而寫串口由sclk上升沿指示。完成后又等待下1個(gè)周期的到來(lái)。

根據(jù)串口寫時(shí)序要求設(shè)計(jì)控制電路，在fpga中實(shí)現(xiàn)ad9856的串口操作，對(duì)ad8369的控制也在此電路中實(shí)現(xiàn)?？刂齐娐返脑砜驁D如圖5所示。

利用fpga將dsp輸出的并行指令變換為串行，指令的轉(zhuǎn)換時(shí)必須注意以下幾點(diǎn)：

(1)串口支持msb在前和lsb在前二種格式，通過(guò)寄存器o的第6位設(shè)置，并且對(duì)該位的設(shè)置是立即有效的。即如果當(dāng)前操作對(duì)該位進(jìn)行修改，則下1個(gè)字節(jié)的傳輸就會(huì)采用新的格式。

(2)對(duì)多字節(jié)傳輸?shù)耐ㄐ胖芷冢绻鹠sb在前，寄存器地址遞減；如果lsb在前，寄存器地址遞增。

(3)外部控制器必須與ad9856同步，如果失去同步?？捎蓅ync i/o重新產(chǎn)生同步，不必對(duì)這個(gè)電路進(jìn)行復(fù)位。

通過(guò)ad9856的串口設(shè)置好工作參數(shù)后，ts101以dma方式將正交的i和q2路數(shù)據(jù)交替送入ad9856得到正交上變頻后的模擬信號(hào)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)利用ad9856實(shí)現(xiàn)正交上變頻，模擬了雷達(dá)回波波形，達(dá)到了預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)，在實(shí)際工程中運(yùn)行良好。此外，此系統(tǒng)還可以產(chǎn)生通信中常用的2ask、2fsk和2psk等信號(hào)，試驗(yàn)證明其效果良好。