AD9856工作原理及在雷達回波模擬器中的應用

1 引言

雷達回波模擬在雷達系統(tǒng)的設計、改進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，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)生雷達回波的中頻模擬信號。ad9856可以應用在通信和雷達等系統(tǒng)中。

2 ad9856的工作原理

2.1 ad9856的基本功能

ad9856的基本特性和技術指標如下：

+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；

有可編程的參考時鐘倍頻器；

有內(nèi)置的sinx/x補償濾波器；

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)復合和串并轉(zhuǎn)換

ad9856的結構如圖1所示。ad9856內(nèi)部的數(shù)據(jù)格式是12bit的二進制補碼。基帶信號的i、q2路數(shù)據(jù)是交替輸入的，數(shù)據(jù)復合器需對輸人數(shù)據(jù)進行識別，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之前要進行過采樣。

(3)級聯(lián)積分梳狀濾波器

ad9856的cic實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。為了彌補這種損耗。用戶可以設置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，其頻率可以通過設置相應的寄存器來控制。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)時鐘采樣率(sysclk)。所以，調(diào)制后的信號實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通過零階保持實現(xiàn)數(shù)/模轉(zhuǎn)換。由于存在零階保持效應，所以其輸出信號的頻譜實際上是被sinc包絡加權過的。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)流進行處理，以校正sinc包絡造成的失真。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，來設置。其關系為 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?？刂茊卧鶕?jù)各個寄存器的內(nèi)容設置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?？刂茊卧梢酝ㄟ^這個串口直接設置ad8320的增益。

(7)輸人數(shù)據(jù)模式

ad9856提供了二種輸人數(shù)據(jù)的時序模式：突發(fā)模式和連續(xù)模式。在突發(fā)模式下．a(chǎn)d9856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序關系，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雷達回波模擬器中的應用

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，結構框圖如圖4所示。

在圖4中，ts101產(chǎn)生正交i和q2路雷達回波數(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?，并按照ad9856時序要求送入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，送人下一級電路處理。

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為串口同步恢復信號，當串口失去同步后，可在sync i/o上加1個正脈沖使串口恢復初始狀態(tài)；sclk為串口的數(shù)據(jù)時鐘信號；sdio為雙向數(shù)據(jù)線，當串口置于雙線(sclk和sdio)方式時，sdio為雙向數(shù)據(jù)線。當置于3線(sclk、sdio和sdo)模式時．其輸出功能由sdo替代。對串口的操作有嚴格的時序要求，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，然后進行由指令設定的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)串口寫時序要求設計控制電路，在fpga中實現(xiàn)ad9856的串口操作，對ad8369的控制也在此電路中實現(xiàn)。控制電路的原理框圖如圖5所示。

利用fpga將dsp輸出的并行指令變換為串行，指令的轉(zhuǎn)換時必須注意以下幾點：

(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位設置，并且對該位的設置是立即有效的。即如果當前操作對該位進行修改，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绻鹠sb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?？捎蓅ync i/o重新產(chǎn)生同步，不必對這個電路進行復位。

通過ad9856的串口設置好工作參數(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 結束語

本系統(tǒng)利用ad9856實現(xiàn)正交上變頻，模擬了雷達回波波形，達到了預期的技術指標，在實際工程中運行良好。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，試驗證明其效果良好。