基于AD9858的寬帶線性調(diào)頻源設(shè)計(jì)

摘要：作為高性能DDS單片集成電路，AD9858可方便快速地產(chǎn)生線性調(diào)頻、單頻脈沖信號(hào)?，F(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展對(duì)信號(hào)源的性能提出了更高的要求，越來(lái)越多的雷達(dá)采取寬頻帶的線性調(diào)頻信號(hào)體制。高性能的AD9858為簡(jiǎn)化頻率源電路設(shè)計(jì)、提高電路性能提供了一條新的途徑。從某頻率源的要求出發(fā)，介紹了一種寬帶線性掃頻信號(hào)的實(shí)現(xiàn)方案，闡述了DDS時(shí)鐘產(chǎn)生電路、耦合濾波電路、上位機(jī)軟件功能等方面的設(shè)計(jì)，進(jìn)行了必要的仿真，并給出了最終設(shè)計(jì)的信號(hào)源的測(cè)試結(jié)果。表明AD9858在通信設(shè)備、軍事以及航空雷達(dá)的設(shè)計(jì)當(dāng)中是很有應(yīng)用前景的。
關(guān)鍵詞：AD9858；線性調(diào)頻；ADF4360；DDS

0 引言
雷達(dá)技術(shù)的高速發(fā)展對(duì)雷達(dá)信號(hào)源的性能提出了更高的要求。寬工作頻段、高精度、高穩(wěn)定、快速跳變、復(fù)雜多變的調(diào)制形式已成為衡量雷達(dá)信號(hào)源性能的重要指標(biāo)。高性能的DDS技術(shù)為此問(wèn)題的解決關(guān)系提供了一種新的途徑。直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)，具有極高的頻率分辨率、極短的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間，以及頻率轉(zhuǎn)換時(shí)信號(hào)相位連續(xù)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。AD9858是美國(guó)AD公司推出的高性能DDS單片集成電路，可方便快速的產(chǎn)生線性調(diào)頻、單頻脈沖及編碼調(diào)制信號(hào)。在工作時(shí)鐘頻率1 GHz條件下，能直接產(chǎn)生高達(dá)400MHz的輸出頻率，克服了以前DDS產(chǎn)品由于時(shí)鐘頻率低，使得直接輸出頻率上限較低，實(shí)際工作頻帶較窄的缺陷，能夠滿足寬帶微波雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生的需求。

1 方案設(shè)計(jì)
某頻率源需要產(chǎn)生中心頻率為300 MHz、帶寬最大為62．5 MHz、時(shí)寬和帶寬可調(diào)的線性調(diào)頻信號(hào)或中心頻率為300 MHz并且頻率可調(diào)的單頻調(diào)試信號(hào)，要求輸出信號(hào)穩(wěn)定，低雜散，并實(shí)現(xiàn)不同信號(hào)之間的快速跳轉(zhuǎn)。基于上述指標(biāo)，以前的DDS器件由于器件性能限制，如AD9854只能產(chǎn)生中心頻率為幾十兆赫茲、帶寬為幾兆赫茲的線性調(diào)頻信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)多次倍頻或經(jīng)過(guò)上變頻來(lái)實(shí)現(xiàn)上述指標(biāo)要求，因而電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性低。而AD9858作為一款高性能的DDS器件，在工作時(shí)鐘頻率為1 GHz條件下，能直接產(chǎn)生高達(dá)400 MHz的輸出頻率，可方便快速地產(chǎn)生線性調(diào)頻、單頻脈沖及編碼調(diào)制信號(hào)。本文的方案是某頻率源中的中頻產(chǎn)生模塊，將AD9858與MCU相結(jié)合產(chǎn)生中心頻率為300 MHz的脈寬和帶寬可調(diào)的線性調(diào)頻信號(hào)或中心頻率為300 MHz頻率可調(diào)的點(diǎn)頻測(cè)試信號(hào)。具體的實(shí)施方案如圖1所示。

該方案主要由MCU控制單元、DDS、DDS時(shí)鐘產(chǎn)生(2 GHz時(shí)鐘)、耦合濾波電路、RS 232接口等組成。
上位機(jī)通過(guò)RS 232接口與MCU通信，可以方便地設(shè)置DDS輸出信號(hào)的形式：點(diǎn)頻信號(hào)(中心頻率)、線性掃頻信號(hào)(中心頻率、帶寬、脈寬)。由于該頻率源同時(shí)還要求輸出1路2 GHz的信號(hào)。方案采用AD公司的高性能電荷泵型集成頻率綜合芯片ADF4360-2來(lái)產(chǎn)生2 GHz的信號(hào)。ADF4360-2內(nèi)置低噪聲數(shù)字鑒相器、精確電荷泵、可編程參考分頻器、可編程計(jì)數(shù)器、計(jì)數(shù)器及雙模前置分頻器(P／P+1)以及內(nèi)部VCO等部件。輸出頻率范圍為1700～2100MHz。外部晶振信號(hào)輸入ADF4360-2芯片，通過(guò)對(duì)ADF4360-2的正確配置和搭接合適的外部電路，設(shè)計(jì)放大、濾波電路，就可產(chǎn)生滿足系統(tǒng)和AD9858的時(shí)鐘要求的頻率信號(hào)。ADF4360-2輸出的信號(hào)對(duì)于二次諧波的抑制根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)在25 dBc左右。為了給AD9858提供高質(zhì)量的時(shí)鐘信號(hào)，ADF4360-2的輸出需要接濾波器濾除輸出信號(hào)的二次諧波。方案中將該放大濾波后輸出的一路信號(hào)作為DDS的時(shí)鐘使用，DDS部分采用了AD公司的DDS芯片AD9858，MCU控制DDS對(duì)輸入時(shí)鐘2分頻，可使DDS的工作時(shí)鐘為1 GHz。MCU對(duì)ADF4360-2的寄存器寫入流程如下：
(1)寫入R寄存器；
(2)寫入C寄存器；
(3)寫入N寄存器。
其中：R寄存器的值設(shè)置為0000191；C寄存器的值設(shè)置為0FE148；N寄存器的值設(shè)置為00FA02。鑒相頻率選擇為10 MHz，環(huán)路帶寬選擇為100 kHz，利用ADIsimPLL軟件經(jīng)過(guò)仿真，雜波抑制可控制在-80 dBc以下，在偏離中心頻率10 kHz～1 MHz時(shí)，相位噪聲小于-95 dBc／Hz，該信號(hào)的性能能夠滿足AD9858對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的要求。仿真結(jié)果如圖2所示。

控制部分的MCU采用ATmega8515，主要完成三個(gè)功能：一是對(duì)ADF4360-2的配置(控制寄存器、R寄存器和N寄存器)，使ADF4360-2能夠穩(wěn)定鎖定，輸出高質(zhì)量的2 GHz頻率信號(hào)；二是與上位機(jī)通信，接收上位機(jī)的命令字(掃頻、點(diǎn)頻、起始和終止頻率、脈寬)，對(duì)信號(hào)源的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控；三是按照接收到的命令字對(duì)AD9858進(jìn)行配置，控制輸出相應(yīng)的頻率信號(hào)。
AD9858具有三種工作模式：?jiǎn)我纛l工作模式、掃頻工作模式、睡眠工作模式。
要設(shè)置AD9858工作在單音頻模式，需要設(shè)置的寄存器為：CFR寄存器(設(shè)置相應(yīng)的時(shí)鐘、混頻器、I／O端口等功能)、FTW0寄存寄存器。
輸出頻率的計(jì)算公式為：

式中：FTW是FTW寄存器需要設(shè)置的值；n是相位累加器分辨率，n=32；SYSCLK是系統(tǒng)時(shí)鐘值，在該方案中n=1 GHz。
要設(shè)置AD9858工作在掃頻工作模式，需要配置的寄存器有：CFR寄存器、FTW寄存器、DFTW寄存器(用于步進(jìn)頻率調(diào)節(jié))、DFRRW寄存器(步進(jìn)頻率斜率控制)、POW寄存器(相位偏移控制)。AD9858的數(shù)據(jù)讀寫有串行和并行兩種方式，MCU對(duì)AD9858選用串行讀／寫模式。AD9858的輸出IOUT，IOUT經(jīng)過(guò)變壓器耦合、帶通濾波器濾波后得到雜波抑制性能較好的信號(hào)。耦合、濾波電路如圖3所示。

上位機(jī)軟件的功能如下：
(1)建立人機(jī)界面功能，與頻率源進(jìn)行串行通信；
(2)通過(guò)界面設(shè)置頻率源的工作模式：掃頻工作模式、點(diǎn)頻工作模式；
(3)設(shè)置頻率源的輸出頻率，掃頻周期等參數(shù)，MCU利用這些參數(shù)來(lái)設(shè)置AD9858；
上位機(jī)界面是利用VC軟件編制的，如圖4所示。

2 測(cè)試結(jié)果
利用該線性調(diào)頻信號(hào)產(chǎn)生電路作為中頻，與一個(gè)高頻信號(hào)經(jīng)過(guò)上變頻、倍頻、濾波、放大等電路，產(chǎn)生了X波段的線性掃頻源，X波段的線性掃頻源的頻譜如圖5所示，掃頻帶寬為125 MHz，信號(hào)的相噪和雜散都控制在比較好的指標(biāo)內(nèi)。通過(guò)圖4中的設(shè)置界面設(shè)置起始頻率、終止頻率、脈沖寬度，可通過(guò)頻譜儀觀察到形狀、特性不同的頻譜。

3 結(jié)語(yǔ)
本文介紹了利用AD9858設(shè)計(jì)高中心頻率、寬帶線性調(diào)頻信號(hào)的設(shè)計(jì)方案。重點(diǎn)闡述了DDS時(shí)鐘產(chǎn)生電路、耦合濾波電路、上位機(jī)軟件功能等方面的設(shè)計(jì)，進(jìn)行了必要的仿真，并給出了測(cè)試結(jié)果。從技術(shù)發(fā)展來(lái)看，作為高性能DDS器件，AD9858非常適合用在無(wú)線設(shè)備、軍事以及航空雷達(dá)的設(shè)計(jì)當(dāng)中。