AD9959簡化測控通信系統(tǒng)中多路DDS之間信號同步設(shè)計

  引言

    近年來，為了提高信息傳輸速率，增強通信抗干擾能力，飛行器測控通信系統(tǒng)巳從統(tǒng)一載波體制向擴頻統(tǒng)一測控通信體制發(fā)展。但是，這種寬帶擴頻測控技術(shù)的應(yīng)用使得同步設(shè)計成為系統(tǒng)實現(xiàn)的難點，尤其對于多頻率源系統(tǒng)，信號之間的嚴格同步更為困難。一般情況下，為了獲得多路DDS的同步，設(shè)計者往往會使用多種手段對參考時鐘、數(shù)據(jù)刷新、鎖相倍頻等步驟小心處理，這樣不但耗費了大量的精力物力，而且效果往往不盡如人意。

    美國ADI公司推出的高性能4通道直接數(shù)字式頻率合成器AD9959，在單芯片上集成了4個獨立的DDS核，通過一個公用參考頻率內(nèi)部同步4個DDS通 道，避免了多個DDS同步過程中由于器件特性差異造成同步困難的問題，在降低同步設(shè)計難度的同時，還提供了靈活的控制能力。

    AD9959

    AD9959是美國ADI公司的多通道DDS器件，內(nèi)部包含4個同步的10bit 500MHz DDS。每個DDS通道擁有獨立的32b

it頻率分辨率控制、14bit相位偏移控制及10bit輸出幅度控制，輸出絳過10bitDAC轉(zhuǎn)化為標準正弦信號。采用這種獨立控制方式便于校正模擬 濾波、放大或PCB布線引起的I／Q信號失配。AD9959擁有16級幅度、頻率或相位調(diào)制(ASK、FSK、PSK)，支持線性掃頻、掃相、掃幅等功 能，具有良好的寬帶、窄帶無雜散噪聲(SFDR)性能。高速串行I／O端幾兼容早期ADIDDS產(chǎn)品的SPI串行通信方式，通過4個串行數(shù)據(jù)引腳 SDIO[3..O]可方便對芯片進行編程操作，具有良好的多通道同步性能。亦可采用菊花鏈方式用一個主控芯片(DSP或FPGA)同步多個AD9959 器件以獲得更多同步DDS通道。AD9959內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    AD9959內(nèi)部的每個DDS通道部擁有獨立的32bit相位累加器和相位-幅度轉(zhuǎn)換器。當相位累加開始計時并且相位增量(頻率調(diào)諧字FTW)大于0時， 相位累加器的輸出數(shù)據(jù)作為波形存儲器的取樣地址，輸出數(shù)字化的正弦波形(梯形正弦波)。相位一幅度裝換器同時將相位信息通過運算轉(zhuǎn)化為幅度信息。每個通道 的輸出頻率(fo)是相位累加器翻轉(zhuǎn)率的函數(shù)。頻率、相位及幅度關(guān)系由下面的公式表示：

    fs表示系統(tǒng)的時鐘頻率，F(xiàn)TW為頻率調(diào)諧字，232表示相位累加器的容量。 

    AD9959具有多種工作模式：單頻(SingleTone)、調(diào)制(Modulation)和線掃(Linear Sweep)3種模式。AD9959串行I／O提供多種配置工作方式，串口兼容ADI早期DDS采用的SPI串行方式。

    AD9959的運行是主控芯片(單片機、DSP或可編程邏輯)通過串行I／O改寫其內(nèi)部寄存器值來實現(xiàn)的。因此，寄存器是AD9959的控制核心?？刂萍?存器主要完成通道選擇，多設(shè)備同步及相位累加器清零等功能；通道控制寄存器主要完成各通道功能的選擇，頻率、相位、幅度的設(shè)置。各寄存器的使用是通過不同 地址的8位數(shù)據(jù)值來決定。

    AD9959在測控通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

    多進制正交擴頻信號產(chǎn)生

    在測控通信系統(tǒng)的設(shè)計中系統(tǒng)的可靠性尤為重要，特別是同步不好輕則誤碼率高，重則系統(tǒng)無法正常工作。如圖2所示，在以往的設(shè)計中，要成功地同步各路DDS 首先要將參考時鐘的相位差最小化，且時鐘邊沿要足夠的陡，以免增加時鐘的相位誤差。其次，數(shù)據(jù)刷新時鐘(I／O_Update)決定了DDS內(nèi)部寄存器值 的改變時間，多路DDS必須同步改變工作寄存器的值。再次，DDS所需頻率由頻率源經(jīng)過倍頻鎖相后提供，但這樣會帶來倍頻鎖相后時間信號相位延遲等問題。 此外，由于濾波器特性的不一致，也往往會造成已經(jīng)同步的DDS輸出信號經(jīng)過濾波平滑處理后進入調(diào)制器的信號卻發(fā)生失配。因此需要不斷地對FPGA中的控制 時序做反復(fù)調(diào)整。但由于器件之間的差異性與溫度特定的不同，調(diào)整好的時序控制程序往往不適用于另一個同樣的電路。諸多因素為信號同步帶 來很多麻煩在新方案中，由于單片AD9959集成了4個DDS通道，無需4片AD9852及其外部電路，大大減小了PCB面積。單片AD9959由一組共 享的參考時鐘頻率在內(nèi)部同步4個獨立的DDS通道，在線可編程的通道控制信號隨時調(diào)整由外部路徑產(chǎn)生的不均衡性。I、Q數(shù)據(jù)流可實現(xiàn)良好的正交。即時正交 關(guān)系和幅度匹配發(fā)生輕微的變化，由于其14bit的相位調(diào)整和32bit的幅度調(diào)整，誤差將保持在很小的可容許的范圍內(nèi)。上電后FPGA從配置芯片中加載 程序，完成發(fā)送時序及系統(tǒng)的控制，PN碼和Walsh函數(shù)的產(chǎn)生也是由FPGA實現(xiàn)。在FPGA的控制下，4路DDS輸出同步正交信號到專用調(diào)制芯片，可 產(chǎn)生QPSK、16QAM等多種調(diào)制信號，各項指標滿足系統(tǒng)要求，性能穩(wěn)定。

    基于正交信號的上變頻

    如圖3所示，雖然DDS具有良好的頻率特性和相位特定，但在測控通信系統(tǒng)中設(shè)備往往工作在VHF、UHF、L／S／C等頻率較高的頻段，而DDS無法直接 滿足UHF頻段以上的頻率要求，必須進行上變頻。通常用鎖相環(huán)(PLL)反饋環(huán)路中的DDS進行上變頻，但受到PLL的鎖定時間及帶寬的影響，這種方式不 適合頻率高速變化的場合。此時，采用AD9959，對兩個正交的DDS通道進行單邊帶上變頻，其中兩路DDS作為I／Q通路，另兩路DDS作為相位相差 90度的本振信號源，這種方法非常適合快速跳頻系統(tǒng)，不但保證了本振與I／Q數(shù)據(jù)的同步而且有效地抑止了冗余邊帶的產(chǎn)生。由于冗余邊帶的顯著減小，濾波器 設(shè)計難度也大大降低。圖4比較了采用DDS正交上變頻方案與PLL上變頻的冗余邊帶抑制能力。
 
    結(jié)語

    以4通道DDS芯片AD9959為核心的測控通信電路已應(yīng)用于某無人機測控通信系統(tǒng)中，無論是正交擴頻中還是DDS上變頻都有出色的性能表現(xiàn)。4個DDS 核天生同步的特性不僅降低了系統(tǒng)的成本，減小了PCB面積，而且大大簡化了系統(tǒng)同步設(shè)計的復(fù)雜度，縮短了研發(fā)周期。