數(shù)字正交上變頻器AD9857在高頻雷達系統(tǒng)中的應用

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

關鍵詞：上變頻 AD9857 并口

隨著數(shù)字技術的發(fā)展、短波通信的實現(xiàn)已從模擬電路向數(shù)字電路轉變，由中小規(guī)模向超大規(guī)模集成電路轉變，進而向軟件無線電（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。因此，與短波通信聯(lián)系緊密的高頻雷達也必然要向數(shù)字化方向發(fā)展。一般來講，在雷達設備或系統(tǒng)中，通用發(fā)射通道的電路有兩種實現(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、線性相位變化、易于數(shù)字控制等優(yōu)點，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在雷達系統(tǒng)中起上變頻的作用，即將基帶數(shù)字信號調制到載頻，輸出調制后的模擬信號。

1 AD9857的結構和工作原理

AD9857的內部結構如圖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、正交調制器、DDS核心、反SINC濾波器、輸出幅度乘法器、14位DAC。

1.1 內部結構

輸入數(shù)據(jù)轉換

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

CIC與反CIC濾波器

CIC（內插級聯(lián)積分梳狀濾波器）為一個編程過采樣濾波器，過采樣率為：2X～63X。

由于CIC具有低通特性，所以在其前端有一個反CIC濾波器來對此加以補償。

固定插值濾波器

固定插值濾波器由兩個半帶濾波器HB實現(xiàn)。它用來將輸入數(shù)據(jù)過采樣4X。另外，和CIC一樣，它也具有低通特性。

正交調制器

用以將基帶數(shù)字信號的頻譜調制到所需的載頻上（上變頻）。DDS（直接數(shù)字合成）產(chǎn)生正交調制所需要的正弦、余弦兩路數(shù)字載波，其頻率可由相應頻率控制字控制。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，便得到調制后的數(shù)字中頻信號。

DDS核心

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

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）的十進制數(shù)。

反SINC濾波器

由于14位DAC的零階保持效應，其輸出信號的頻譜會被SINC包絡所加權。反SINC濾波器對輸入數(shù)據(jù)進行預處理，以抵消SINC包絡造成的失真。

輸出幅度乘法器

用于對最終輸出信號幅度的調整，其值由相應可編程寄存器決定，范圍是：0～1.9921875。

14位DAC

用于將數(shù)字信號轉換成模擬信號。數(shù)模轉換過程會在n*SYCLK±FCARRIER(n=1,2,3)處產(chǎn)生干擾信號，須外接一個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)字信號的正交上變頻調制，對數(shù)字信號的編碼、插值、脈沖整形等過程須在其送到AD9857前完成。

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

AD9857內的系統(tǒng)時鐘信號SCLK提供了其內部的所有時序。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)時鐘頻率SYSCLK。所以調制后的信號實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：正交調制器模式、單頻輸出模式、插值DAC模式。當工作在正交調制器模式時，DDS核心提供一個正交的本振信號（sincos）到正交調制器，在那里分別與IQ數(shù)據(jù)相乘、相加，產(chǎn)品一個正交調制的數(shù)據(jù)流。所有這些都在數(shù)字域內發(fā)生，僅當數(shù)字的數(shù)據(jù)流加到14位DAC輸出時才變成正交調制的模擬輸出信號；當工作在單頻輸出模式時，AD9857相當于一個頻率源，14位數(shù)據(jù)信號并不加到AD9857。內部DDS核心在頻率控制字的控制下產(chǎn)生一個單頻信號。該信號經(jīng)過反向SINC濾波器和輸出幅度控制器后加到14位DAC輸出。當工作在插值DAC模式時，14位數(shù)據(jù)輸出后仍是基帶信號，即沒有調制。對信號進行過采樣操作并保持原始信號的頻譜不變時，用該模式。

2 AD9857的引腳描述和技術特性

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

表1 AD9857引腳

AD9857的技術特性：

200MHz的內部時鐘率

14位的數(shù)據(jù)總線

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

4～20倍PLL可編程參考時鐘

內置32位正交DDS

FSK兼容

8位輸出幅度控制

單引腳掉電功能

4個可編程的通過引腳可選的信號模式

反SINC濾波器

簡單的控制接口：10MHz串行，2或3線SPI兼容

3.3V供電

單端或差分輸入的參考時鐘

可工作溫度范圍：-40～+85℃

其封裝是80引腳的LQFP表面封裝。

3 計算機并口對AD9857的控制

為便于計算機對AD9857進行實時控制，采用計算機并口（Parallel Port）作為AD9857與計算機的接口。

3.1 計算機并口的結構

并行端口又叫并行打印機適配器、Centronics適配器、Centronics端口，或簡稱并口。在通用計算機上，并口的輸出連接在一個25針D型連接口上。實際的并口使用了17個信號，分別包括在3個內部端口中。它們是：DATA端口（輸入輸出端口，包括8個數(shù)據(jù)信號）；STATUS端口（輸入端口，包括5個狀態(tài)信號）；CONTROL端口（輸出端口，包括4個控制信號）。并口結構如表2所示。

表2 并口結構

3.2 計算機并口與AD9857的接口

硬件方面，用一根通用打印機并口線將計算機并口與AD9857電路連接起來，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語言。分別編寫了一個類對并口和AD9857進行控制，通過對這些類的調用分別寫出各種實用程序。這樣增強了程序的實用性，也便于計算機對并口進行實時控制。

4 AD9857在高頻雷達系統(tǒng)發(fā)射通道中的應用

4.1 發(fā)射通道的工作原理

AD9857接收VXI3250（接收機）輸出的參考頻率作為其參考時鐘；接收計算并口輸出的控制信號；輸出時序控制信號到WT6701（通用DSP芯片TMS320c6701板卡），同時接收WT6701輸出的基帶數(shù)字信號，生成已調連續(xù)射頻信號；將射頻信號輸出給發(fā)射機。見圖2。在發(fā)射通道中，AD9857工作在正交調制模式。

4.2 實驗結果

以下是AD9857對偽隨機信號調制后的頻譜，即將偽隨機信號調制到30MHz載頻后的頻譜，見圖3、圖4。AD9857參數(shù)設置如下：外接40MHz參考時鐘，參考時鐘因子為5，CIC插值率為32。