DDS器件AD9858及其在雷达信号源中的应用

摘要：介绍了美国模拟器件公司的高性能直接数字频率合成器（DDS）AD9859的主要性能，给出了其内部功能模块及工作波形图，同时给出了AD9858在雷达信号源设计中的应用方法。

    关键词：DDS；相位调整；频率字控制；四相码编码调制

１　引言

近年来，随着雷达技术的迅速发展，人们对雷达信号的要求也越来越高。高、高扫描率、高抗干扰性、低截获率成为人们追求的目标。满足这种需求除了靠产生复杂的雷达波形外，还需要在雷达系统中应用高性能的器件。而高性能ＤＤＳ技术、ＤＳＰ技术及大规模可编程逻辑器件技术、电子计算机的应用为此类问题的解决提供了一种新的途径。ＡＤ９８５８就是一款高性能的ＤＤＳ器件，可方便快速地产生线性调频、单频脉冲及编码调制信号。 
AD9858的系统结构图
２　器件简介

ＡＤＩ公司推出的ＡＤ９８５８器件是具有１ＧＳＰＳ千兆次取样／秒速率的直接数字合成器ＤＤＳ、１０位Ｄ／Ａ转换器、快速频率跳跃和精细调谐分辨率功能的单片解决方案。ＡＤ９８５８比先前的解决方案速度快三倍功耗却未增加，因而适合用在无线设备、军事以及航空雷达的设计当中。和其它的高速ＤＤＳ产品不同，ＡＤ９８５８内部集成了ＤＡＣ、相位／频率检测器和电荷泵，能满足设计者的低相位噪音、低虚假能量、快速频率转换和宽带宽线性扫描的要求。ＡＤ９８５８的主要性能指标如下：

●具有１千兆次／秒的采样速率；

●具高达２ＧＨｚ的输入时钟（可以２分频）；

●集成有１０位Ｄ／Ａ转换器；

●内含３２位可编程频率寄存器

●带有８位并行及ＳＰＩ串行控制接口；

●自动频率扫描功能；

●内带４套频率寄存器；

●采用３．３Ｖ低电源供电；

●采用１００脚ＥＰＡＤ－ＴＱＦＰ封装；

●集成有２ＧＨｚ的混频器。

ＡＤ９８５８芯片的主要引脚包括数据线Ｄ７～Ｄ０、地址线ＡＤＤＲ５～ＡＤＤＲ０、参考时钟输入引脚（ＲＥＦＣＬＫ）、ＤＡＣ输出（ＩＯＵＴ）、寄存器组选择信号（ＰＳ０、ＰＳ１）、频率更新引脚（ＦＵＤ）、系统同步时钟（ｓｙｓｃｌｋ）及复位信号（ＲＥＳＥＴ）等。

ＡＤ９８５８ 芯片的系统结构如所示，它共分三大块：ＤＤＳ核、模拟混频器和数字锁相环。ＤＤＳ核可在数字域产生能够表示正弦曲线的数字值。通过设置不同的工作模式，ＤＤＳ核可通过幅相转换器将这些正弦曲线值转换为频率、相位或调制成携带信息的信号；数字锁相环则由一个数字相频检测器（ＰＨＤ）驱动一个具有高速锁存逻辑电路的电荷泵所组成。它与ＤＤＳ核联合使用可扩大频率合成的范围。模拟混频器采用差动输入其输入级内部采用直流偏差，外部采用交流匹配方式连接，输出为中频信号。模拟混频器主要用于通信基站的设计。

芯片的内部可用资源包括４套频率转换字（３２位）、一个相位偏移字（１４位）寄存器和一个控制字寄存器、一个步进频率转换字寄存器和一个１６位步进频率斜率字寄存器。

ＡＤ９８５８的突出特点是：当其中一套寄存器处于工作状态时，允许用户改变另外三套寄存器的值。

ＡＤ９８５８的操作模式有单边带、频率扫描及全睡眠模式三种。常用模式为单边带和频率扫描模式。

３　ＡＤ９８５８在雷达信号源中的应用

３．１ 雷达系统的工作原理

所示是一般雷达系统的工作原理示意图。图中，雷达发射机产生电磁波后，会经收发天线辐射入大气层。电磁波在大气中以光速传播，若目标在天线的波束内，则它要截取一定的电磁能并将其向各方向散射。雷达接收到这些散射电磁波后会以此来判断目标的距离和速度等信息。

雷达系统普遍采用的发射信号大致有以下几种：单频脉冲、线性调频信号及编码调制信号。为了增大探测距离，优化距离分辨率、速度分辨率等技术指标，通常还将这几种波形进行组合产生组合波形。如单频窄脉冲＋线性调频、单频窄脉冲＋线性调频编码调制信号等。而用高速ＤＤＳ芯片ＡＤ９８５８形成的这些信号具有高、扫描率高、抗干扰性好、截获率低等特性。
    ３．２ 基于ＡＤ９８５８的雷达信号源的工作流程

由ＡＤ９８５８产生的雷达信号源的原理框图如所示。该系统在工作时，控制计算机发出控制信号以决定系统产生波形的种类及参数，并将频率码打入高速ＤＳＰ芯片内部。ＣＰＬＤ（可编程逻辑器件）根据操作模式控制信号来决定所产生波形的周期，并产生周期性的雷达中断信号（Ｆｌａｇ为双向可编程ＩＯ引脚，可用于中断信号的接受）以中断ＤＳＰ，从而使其向ＡＤ９８５８发控制字，并产生预期的中频信号波形。ＡＤ９８５８采用差动电流输出，然后经偏压电阻网络形成输出电压，再经上变频电路送至微波接口。

相对于ＡＤＩ公司以往的ＤＤＳ芯片而言，ＡＤ９８５８的优势在于其具有四套频率发生寄存器及四个相位调整寄存器，这使得它可以方便快速的产生跳频信号以及四相码编码调制信号，而且其转换时间很短。这是因为这四组控制寄存器的选择是依靠外部选择信号ＰＳ１、ＰＳ０来实现的，通常这两根选择信号连接到ＤＳＰ的可编程Ｉ／Ｏ输出引脚，通过它们对Ｉ／Ｏ引脚进行操作的时间远远小于对数据总线的操作时间。下面以四相码为例简要说明一下ＡＤ９８５８的控制流程

（１）向ＡＤ９８５８的四个相位调整寄存器内置入０度、９０度、１８０度及２７０度；

（２）向ＡＤ９８５８的四个频率字控制寄存器内置入编码调制信号的基率；

（３）控制ＣＰＬＤ向ＡＤ９８５８的ＦＵＤ引脚发出频率更新信号并产生波形，同时启动ＤＳＰ内部定时器对码元宽度进行计数；

（４） 在ＤＳＰ中断服务程序中发相位选择信号，即控制ＰＳ１、ＰＳ０以进行相位选择。

所示是ＡＤ９８５８的主要控制波形。
    采用ＡＤ９８５８产生的四相码编码调制信号码元之间的间隔仅为几十纳秒甚至更低，这是其它ＤＤＳ器件所无法达到的。

实际使用证明：用上述技术设计的基于ＡＤ９８５８的雷达信号源工作平稳，高，而且工作带宽也较大（可稳定工作于３００ＭＨｚ）。
４　结束语

ＤＤＳ芯片ＡＤ９８５８具有频率转换时间短，输出频带宽的优点。采用该芯片所设计的信号源结构简单，功能强，抗干扰性优越。另外，ＡＤ９８５８也可应用于通信领域，尤其是跳频通信。因此ＡＤ９８５８具有广泛的应用前景。