DSP控制AD9959實(shí)現(xiàn)快速跳頻的接口設(shè)計(jì)

【摘要】本文介紹了直接數(shù)字合成（Direct Digital Synthesic縮寫DDS）技術(shù)的工作原理及特點(diǎn)，并給出了DSP控制DDS芯片AD9959實(shí)現(xiàn)快速跳頻的接口設(shè)計(jì)方案。

【關(guān)鍵詞】跳頻；DDS；AD9959；SPI串行通信

1.引言

跳頻通信是擴(kuò)頻通信的一種主要形式。由于其具有抗干擾、抗截獲的能力，并能做到頻譜資源共享，在當(dāng)前軍事抗干擾通信系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。跳頻通信系統(tǒng)的一項(xiàng)重要參數(shù)是頻率的跳變速度。它在很多程度上決定了跳頻通信系統(tǒng)抗跟蹤式干擾的能力，這一點(diǎn)在電子對(duì)抗中尤為重要。因此，快速跳頻頻率合成器的設(shè)計(jì)就成為跳頻通信的關(guān)鍵之一。直接數(shù)字合成（DDS）是近年來迅速發(fā)展起來的一種新的頻率合成方法。這種方法簡(jiǎn)單可靠、控制方便，且具有很高的頻率分辨率和轉(zhuǎn)換速度，非常適合快速跳頻通信的要求。本文將介紹DDS的工作原理，并給出基于DDS的跳頻頻率合成器的設(shè)計(jì)。

2.DDS的結(jié)構(gòu)及工作原理

直接數(shù)字頻率合成是采用數(shù)字化技術(shù)，通過控制和位的變化速度，直接產(chǎn)生各種不同頻率信號(hào)的一種頻率合成方法。DDS的結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示，它由相位累加器、波型存儲(chǔ)器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、低通濾波器和參考時(shí)鐘五部分組成。參考時(shí)鐘fc由一個(gè)穩(wěn)定的晶體振蕩器產(chǎn)生，用它來同步整個(gè)合成器的各個(gè)組成部分。在參考時(shí)鐘的控制下，相位累加器對(duì)頻率控制字K進(jìn)行線性累加，得到的相位碼對(duì)波型存儲(chǔ)器尋址，使之輸出相應(yīng)的幅度碼，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器得到相應(yīng)的階梯波，最后經(jīng)低通濾波器對(duì)階梯波進(jìn)行平滑處理，得到所需頻率的波形。

3.DDS的特點(diǎn)及跳頻能力

新一代的直接數(shù)字頻率合成器采用全數(shù)字的方式實(shí)現(xiàn)頻率合成，與傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)相比，具有以下特點(diǎn)：

（1）頻率轉(zhuǎn)換快。直接數(shù)字頻率合成是一個(gè)開環(huán)系統(tǒng)，無任何反饋環(huán)節(jié)，其頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間主要由頻率控制字狀態(tài)改變所需的時(shí)間及各電路的延時(shí)時(shí)間所決定，轉(zhuǎn)換時(shí)間很短；

（2）頻率分辨率高、頻點(diǎn)數(shù)多。DDS輸出頻率的分辨率和頻點(diǎn)數(shù)隨機(jī)位累加器的位數(shù)的增長而呈指數(shù)增長，分辨率高達(dá)μHz；

（3）相位連續(xù)。DDS在改變頻率時(shí)只需改變頻率控制字（即累加器累加步長），而不需改變?cè)械睦奂又?，故改變頻率時(shí)相位是連續(xù)的；

（4）相位噪聲小。DDS的相位噪聲主要取決于參考源的相位噪聲；

（5）控制容易、穩(wěn)定可靠。

衡量跳頻頻率合成器性能指標(biāo)的因素有：頻率范圍、頻率分辨率、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間、頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度、頻譜純度等。其中，跳頻速度和頻率點(diǎn)數(shù)是決定跳頻通信系統(tǒng)性能的主要因素，系統(tǒng)的抗干擾和保密能力隨頻率點(diǎn)數(shù)的增高和跳速的加快而加強(qiáng)。從DDS的特點(diǎn)可以看出，直接數(shù)字頻率合成器各個(gè)性能指標(biāo)都較高，特別是其頻率轉(zhuǎn)換速度，因此它是實(shí)現(xiàn)快速跳頻頻率合成器的最佳選擇。

4.基于DDS芯片AD9959實(shí)現(xiàn)快速跳頻的接口設(shè)計(jì)方案

4.1 DDS芯片的選擇

現(xiàn)在國外已經(jīng)有非常成熟的DDS芯片。Qualcomm公司推出了DDS系列Q2220、Q2230、Q2334、Q2240、Q2368，其中Q2368的時(shí)鐘頻率為130MHz，分辨率為0.03Hz，雜散控制為-76dBc，變頻時(shí)間為0.1μs；美國AD公司也相繼推出了他們的DDS芯片：AD985x系列和AD995x系列，如可以實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻的AD9852、兩路正交輸出的AD9854以及以DDS為核心的QPSK調(diào)制器AD9853、數(shù)字上變頻器AD9856和AD9857。AD公司的產(chǎn)品全部內(nèi)置了D/A變換器，稱為Complete-DDS。其中AD9852時(shí)鐘頻率為300MHz，近端雜散抑制優(yōu)于-80dBc，遠(yuǎn)端優(yōu)于-48dBc，相位噪聲為-148dBc/Hz@10kHz，頻率跳變速度為130ns，頻率分辨率為1uHz。四通道的AD9959和2通道的AD9958中的每一個(gè)通道都含有一個(gè)高速10位DAC，該DAC具有優(yōu)良寬帶SFDR和窄帶SFDR。其中每一個(gè)完全可獨(dú)立編程的通道都提供14位的相位偏移控制，32位頻率分辨率控制和10位幅度控制。這些器件還支持直接和線性掃描調(diào)制，同時(shí)可以達(dá)到大于60db的通道隔離度，集成的32位頻率控制字在采樣時(shí)鐘高達(dá)500MSPS時(shí)能夠使每個(gè)通道的分辨率設(shè)置到116MHz或小于116MHz。本文介紹的方案使用Analog Devices公司推出的新一代DDS芯片AD9959，該新芯片比早期DDS芯片以更低的功耗提供頻率高達(dá)500MHz的內(nèi)部時(shí)鐘。

4.2 頻率合成方案

圖2是以DDS為核心的跳頻頻率合成器的結(jié)構(gòu)框圖。它主要由DSP、AD9959、時(shí)鐘產(chǎn)生電路、濾波器等組成。DSP采用TI公司的TMS320VC33，由于該芯片和AD9959都是3.3V供電，所以可以直接將二者的數(shù)據(jù)線相連。DSP與AD9959的硬件接口如圖3所示。

4.2.1 DDS的時(shí)鐘

AD9959內(nèi)含振蕩電路，因此外加一晶體就可產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘。也可以不用內(nèi)部振蕩電路而直接引入外部時(shí)鐘信號(hào)。外部時(shí)鐘信號(hào)可以是單端信號(hào)或差分信號(hào)，并且可以通過配置相應(yīng)的控制寄存器和控制信號(hào)，得到不同的時(shí)鐘模式。為了減少共模干擾，通常采用差分外部時(shí)鐘輸入方法。本電路中使用高穩(wěn)定度的有源晶振，然后由差分接收器MC100LVEL16D將晶振輸出的單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為符合AD9959的差分信號(hào)。

4.2.2 AD9959的SPI串行控制

4.2.3 串行傳送數(shù)據(jù)的使能

所有輸入AD9959的數(shù)據(jù)在時(shí)鐘上升沿寫入，而所有從AD9959輸出的數(shù)據(jù)則在時(shí)鐘下降沿讀出。由串口傳送的數(shù)據(jù)首先被寫入I/O緩存中，而只有當(dāng)這些數(shù)據(jù)被寫入寄存器組后，AD9959才能完成相應(yīng)的功能。傳送過程的完成通過以下兩種方式進(jìn)行：

（1）通過內(nèi)部更新信號(hào)完成，這時(shí)數(shù)據(jù)的傳送是自動(dòng)的；

（2）通過外部更新信號(hào)完成，這時(shí)數(shù)據(jù)的傳送由用戶完全控制；用戶通過對(duì) AD9959的第46腳（IO_UPDATE）的操作來完成。這時(shí)將IO_UPDATE引腳與外部控制信號(hào)相連，由外部控制單元的頻率更新信號(hào)來完成更新。

要讓AD9959工作，需要先對(duì)AD9959進(jìn)行初始化。當(dāng)片選/CS信號(hào)為低時(shí)，數(shù)據(jù)在SCLK控制下從串行輸入口SDIO_0對(duì)AD9959進(jìn)行初始化，包括寫通道選擇寄存器CSR、功能寄存器FR1、功能寄存器FR2、通道功能寄存器CFR、通道頻率控制字CTW0及相位控制字CPW0、振幅控制寄存器ACR、LSR、RDW和FDW等，如果不對(duì)相應(yīng)的寄存器初始化，那么各寄存器的初值則按默認(rèn)值設(shè)置（具體值詳見AD9959數(shù)據(jù)手冊(cè)）。由于AD9959的復(fù)位信號(hào)是高電平有效，因此將DSP的復(fù)位信號(hào)經(jīng)過反相后連接到AD9959的復(fù)位引腳Reset，使兩芯片可以同時(shí)上電復(fù)位。

5.結(jié)束語

本文介紹的利用DSP控制DDS芯片AD9959來實(shí)現(xiàn)快速跳頻頻率合成器的設(shè)計(jì)已在實(shí)際應(yīng)用中取得了成功。實(shí)驗(yàn)表明，AD9959具有分辨率高，轉(zhuǎn)換速度快，體積小，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，使用方便等特點(diǎn)。通過DSP的控制，可以廣泛地應(yīng)用在通信、導(dǎo)航、制導(dǎo)等電子系統(tǒng)中。DDS構(gòu)成的頻率合成器必將成為快速跳頻通信系統(tǒng)頻率合成器的主流。

參考文獻(xiàn)

[1]http：//www.analog.com/AD9959 DataSheet.pdf

[2]http：//www.ti.com/TMS320VC33.pdf

[3]http：//www.ti.com/TMS320C3x User’s Guide.pdf

作者簡(jiǎn)介：

岳超峰（1978—），男，工程師，現(xiàn)供職于陜西凌云電器集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)所，主要從事復(fù)雜數(shù)字信號(hào)處理、接口控制方面的應(yīng)用與開發(fā)。

范以訓(xùn)（1981—），男，工程師，現(xiàn)供職于陜西凌云電器集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)所，主要從事數(shù)字電路設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用與開發(fā)。