AD9856型上變頻器在雷達(dá)回波模擬器中的應(yīng)用

摘要：AD9856是美國ADI生產(chǎn)的正交數(shù)字上變頻器，文中介紹AD9856的基本工作原理和使用方法，給出該電路在雷達(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ADI生產(chǎn)的正交數(shù)字上變頻器，其內(nèi)部集成了1個高速直接數(shù)字頻率合成器(DDS)、1個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)字信號處理功能模塊。它具有低成本、低功耗、體積小、動態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)，可以處理來自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。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。基帶信號的I、Q2路數(shù)據(jù)是交替輸入的，數(shù)據(jù)復(fù)合器需對輸人數(shù)據(jù)進(jìn)行識別，將其轉(zhuǎn)換成I、Q2路并行數(shù)據(jù)流，送往下一級電路。

    (2)半帶濾波器(HBF)

    半帶濾波器(HBF)分為3級：HBFl、HBF2和HBF3。其中HBFI是47階濾波器，HBF2是15階濾波器，前2級HBF的聯(lián)合內(nèi)插損失僅為0.01dB，HBF3是可選11階濾波器，它對信號的損耗為0.03dB。每級HBF可使數(shù)據(jù)的采樣率提高1倍，為了使信號頻帶處于濾波器通帶的平坦部分，需要提高HBF的截止頻率，也就是說在數(shù)據(jù)輸入AD9856之前要進(jìn)行過采樣。

     (3)級聯(lián)積分梳狀濾波器

     AD9856的CIC實(shí)際上是可編程的過采樣濾波器，過采樣率的范圍是2≤R≤63。隨著R的改變， CIC會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，必須確保輸出信號不會溢出。

     (4)正交調(diào)制

     AD9856的正交調(diào)制就是將基帶信號的頻譜移到所需要的載波頻率上，即通常所說的上變頻。正交調(diào)制所需要的余弦和正弦2路數(shù)字載波由1個高速直接數(shù)字信號合成器(DDS)產(chǎn)生，其頻率可以通過設(shè)置相應(yīng)的寄存器來控制。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。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)字信號要經(jīng)過12位的DAC轉(zhuǎn)換成模擬信號。DAC通過零階保持實(shí)現(xiàn)數(shù)/模轉(zhuǎn)換。由于存在零階保持效應(yīng)，所以其輸出信號的頻譜實(shí)際上是被SINC包絡(luò)加權(quán)過的。因此需要在DAC前面加上1個反SINC型濾波器(ISF)對輸人數(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)換會在n*SYSCLK±fCARRIER(n=1，2，3)處產(chǎn)生干擾信號，這些干擾信號可以通過1個外接RLC濾波器濾除。一般情況下，使用1個7階橢圓低通濾波器即可。AD9856提供2路互補(bǔ)的2個電流輸出，輸出電流的滿額值IOUT范圍是5mA～20mA，可以通過其25引腳的DAC RSET，來設(shè)置。其關(guān)系為 RSET=39.936/IOUT

    (6)控制單元

     AD9856提供了1個靈活的同步串行通信接口，這個接口可以讀寫，AD9856的所有寄存器。控制單元根據(jù)各個寄存器的內(nèi)容設(shè)置AD9856的工作模式。AD9856還提供了1個與AD8320(可編程電纜驅(qū)動放大器)串行通信的接口。控制單元可以通過這個串口直接設(shè)置AD8320的增益。

     (7)輸入數(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．AD9856通過TxENABLE的上升沿來保持與輸人數(shù)據(jù)的同步。突發(fā)模式支持全部3種字長(12bit、6bit和3bit)。對于連續(xù)模式，TxENABLE可以看成輸入數(shù)據(jù)時(shí)鐘。該信號除了用來同步外，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。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兄噶睿凑?/SPAN>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)通過數(shù)據(jù)總線送至AD9856，AD8369將AD9856產(chǎn)生的中頻模擬信號放大后，送入下一級電路處理。

3.2 AD9856串口操作

    同步串口包括CS、SYNC I/O、SCLK、SDIO和SDO 5條信號線。其中，CS為低有效串口使能信號；SYNC I/O為串口同步恢復(fù)信號，當(dāng)串口失去同步后，可在SYNC I/O上加1個正脈沖使串口恢復(fù)初始狀態(tài)；SCLK為串口的數(shù)據(jù)時(shí)鐘信號；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。對串口的操作有嚴(yán)格的時(shí)序要求，1個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個上升沿指示的8bit指令，然后進(jìn)行由指令設(shè)定的1-4個字節(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個周期的到來。

     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。

    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，通過寄存器O的第6位設(shè)置，并且對該位的設(shè)置是立即有效的。即如果當(dāng)前操作對該位進(jìn)行修改，則下1個字節(jié)的傳輸就會采用新的格式。

     (2)對多字節(jié)傳輸?shù)耐ㄐ胖芷冢绻?/SPAN>MSB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?/SPAN>SYNC I/O重新產(chǎn)生同步，不必對這個電路進(jìn)行復(fù)位。

     通過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。

 4 結(jié)束語

     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，試驗(yàn)證明其效果良好。