基于高速DDS芯片AD9914的信號產(chǎn)生方法

趙　臘，祁　全，張　俊

(1.海軍駐南京地區(qū)雷達(dá)系統(tǒng)軍事代表室，南京 210003；2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

基于高速DDS芯片AD9914的信號產(chǎn)生方法

趙臘1，祁全2，張俊2

(1.海軍駐南京地區(qū)雷達(dá)系統(tǒng)軍事代表室，南京 210003；2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

摘要：DDS技術(shù)在現(xiàn)代雷達(dá)信號產(chǎn)生中具有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。本文基于AD公司高速DDS芯片AD9914，設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)電路，測試了相關(guān)數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)；DDS；AD9914；線性調(diào)頻

0引言

現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)已由傳統(tǒng)的模擬技術(shù)向數(shù)字技術(shù)發(fā)展，要求D/A和A/D轉(zhuǎn)換器盡可能靠近發(fā)射和接收前端乃至天線[1]。D/A盡可能靠近發(fā)射前端實(shí)際也就是要求雷達(dá)不需要上變頻環(huán)節(jié)，直接產(chǎn)生發(fā)射射頻信號。變頻環(huán)節(jié)的省略常常需要借助直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)。DDS因其出色的頻率高分辨率、快捷變、低相噪、信號形式輸出靈活可控的優(yōu)點(diǎn)而在現(xiàn)代雷達(dá)信號產(chǎn)生技術(shù)中獲得廣泛應(yīng)用[2]。

1DDS工作原理

DDS利用數(shù)字方法由系統(tǒng)時(shí)鐘頻率產(chǎn)生所需頻率信號，如圖1所示，在系統(tǒng)時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下，每過一個(gè)時(shí)鐘周期，頻率累加器和相位累加器各進(jìn)行一次累加，其輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后作為正弦查找表的地址，在系統(tǒng)時(shí)鐘的控制下將存儲(chǔ)的對應(yīng)幅度值數(shù)據(jù)輸出后送D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號[3-4]。經(jīng)過一次完整的累加，輸出端即可以得到一個(gè)完整的正弦(余弦)波，同時(shí)大部分DDS還允許通過相位控制字和幅度控制字直接控制輸出信號的相位和幅度。

圖1　DDS原理框圖

直接數(shù)字頻率合成的實(shí)現(xiàn)方式通常有兩種：一種通過FPGA+D/A方式，由FPGA產(chǎn)生信號所需的頻率和相位，經(jīng)過D/A變換輸出。這種方式產(chǎn)生信號的頻率和帶寬受FPGA時(shí)鐘速率的限制，一般應(yīng)用于低頻窄帶的信號產(chǎn)生。另一種方式是通過DDS專用芯片直接產(chǎn)生。這種方式相對簡單，只需通過配置DDS芯片內(nèi)部的寄存器即可得到需要的射頻信號，而且此種方式下芯片的工作時(shí)鐘可做的相對較高，目前已能達(dá)到數(shù)GHz，能產(chǎn)生頻率和帶寬較高的信號。

2電路設(shè)計(jì)

本文基于AD公司最新推出的DDS芯片AD9914設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)信號產(chǎn)生電路。AD9914是一款帶12位D/A轉(zhuǎn)換器的DDS芯片。該芯片采用先進(jìn)的DDS技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)快速跳頻、精確調(diào)諧分辨率、快速相位與幅度調(diào)制等功能，輸出信號頻率最高可達(dá)1.4 GHz。AD9914還支持在用戶定義的線性掃描模式下工作，可產(chǎn)生頻率、相位或幅度的線性掃描波形，其主要性能參數(shù)如下：

? 3.5GSPS內(nèi)部時(shí)鐘速度；

? 集成12位DAC；

? 頻率調(diào)諧分辨率190 pHz；

? 自動(dòng)線性和非線性頻率掃描功能；

? 寬帶SFDR<50 dBc；

? 輸出1396 MHz時(shí)，相位噪聲優(yōu)于-128 dBc/Hz@1kHz；

? 3.3/1.8V供電，典型功耗2.4 W。

圖2是AD9914的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。從圖中可知，AD9914內(nèi)置數(shù)字PLL、DDS內(nèi)核、DAC、線性掃頻、參考時(shí)鐘倍頻、時(shí)鐘定時(shí)和控制、高速并行調(diào)制端口、串并行控制端口等功能模塊。

圖2　AD9914內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

AD9914支持5種工作模式：單頻、Profile調(diào)制、線性掃描、并行數(shù)據(jù)端口調(diào)制和可編程調(diào)制。根據(jù)設(shè)計(jì)需要，選擇單頻模式可以實(shí)現(xiàn)單頻信號產(chǎn)生，選擇線性掃描模式可以實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻信號產(chǎn)生。在單頻模式中，DDS信號控制參數(shù)由Profile編程寄存器直接提供。在線性掃描模式中，DDS信號控制參數(shù)通過數(shù)字斜坡發(fā)生器提供，斜坡方向(即線性調(diào)頻信號斜率)通過DRCTL引腳外部控制。圖3是線性調(diào)頻信號的時(shí)序圖。

控制芯片采用XILINX公司的Cool Runner-II系列CPLD XC2C256-6VQ100C，通過并行端口將頻率控制字送至AD9914。AD9914輸出為差分形式，通過差分轉(zhuǎn)單端和濾波可得所需輸出信號，其信號產(chǎn)生電路原理框圖如圖4所示。

圖3　線性調(diào)頻信號時(shí)序圖

圖4　信號產(chǎn)生電路原理框圖

印制電路板采用多層電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過對信號去耦和電源濾波，以降低電源噪聲干擾射頻信號和控制信號，同時(shí)合理布局電路走線，減小數(shù)字信號和模擬信號之間的串?dāng)_。信號產(chǎn)生電路實(shí)物圖如圖5所示。

圖5　信號產(chǎn)生電路實(shí)物圖

3測試結(jié)果

利用兩臺(tái)信號源N5183A、一臺(tái)頻譜儀N9020A和一臺(tái)示波器DSA90404A搭建如圖6所示的測試平臺(tái)，其中一臺(tái)N5183A為CPLD提供50 MHz時(shí)鐘，另一臺(tái)N5183A為AD9914提供3.5 GHz(相位噪聲為-111 dBc/Hz@1kHz)的時(shí)鐘。

圖6　電路測試平臺(tái)

3.1　單頻信號測試結(jié)果

單頻信號設(shè)計(jì)產(chǎn)生650~730 MHz、步進(jìn)20 MHz的點(diǎn)頻信號，并通過四倍頻器實(shí)現(xiàn)S波段信號輸出。圖7是單頻中心頻率雜散及相位噪聲的測試結(jié)果。從圖中可得信號雜散為-81 dBc，相位噪聲為-117.5 dBc/Hz@1kHz。

圖8是經(jīng)四倍頻后輸出的S波段信號雜散和相位噪聲的測試結(jié)果。從圖中可以看出，S波段信號雜散為-69.96 dBc，相位噪聲為-105 dBc/Hz@1kHz。

圖7　單頻信號雜散及相位噪聲測試圖

圖8　S波段信號雜散及相位噪聲測試圖

比較圖7~圖8的測試結(jié)果，單頻信號經(jīng)四倍頻后，雜散惡化11.1 dB，相位噪聲惡化12.5 dB。根據(jù)理論可知，信號倍頻后相位噪聲按20 lgN(N是倍頻次數(shù))規(guī)律惡化，即四倍頻后的相位噪聲理論惡化12 dB，與測試結(jié)果基本相符。

3.2　線性調(diào)頻信號測試結(jié)果

線性調(diào)頻信號設(shè)計(jì)產(chǎn)生信號頻率為444~644 MHz，帶寬200 MHz，脈寬48 μs。用示波器對線性調(diào)頻信號進(jìn)行時(shí)域測量并用頻譜儀對信號進(jìn)行頻域測量，測試結(jié)果如圖9所示(信號時(shí)域波形幅度隨頻率增大而減小是由于所用示波器探頭帶寬為500 MHz)。由圖可得，線性調(diào)頻信號脈寬為48 μs，帶寬為200 MHz，帶內(nèi)平坦度較好，帶外無明顯雜散信號，可滿足使用要求。

圖9　線性調(diào)頻信號時(shí)域波形及頻域圖

5結(jié)束語

本文以DDS技術(shù)原理為基礎(chǔ)介紹了DDS芯片AD9914的工作特性參數(shù)，并基于該款芯片設(shè)計(jì)了信號產(chǎn)生電路。測試結(jié)果表明，產(chǎn)生的單頻信號和線性調(diào)頻信號均滿足系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)要求。目前，該電路經(jīng)改進(jìn)后已在某型裝備的一本振產(chǎn)生中使用。

參考文獻(xiàn)：

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[2]費(fèi)元春，等.寬帶雷達(dá)信號產(chǎn)生技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社,2002.

[3]Jouko Vankka.Direct Digital Synthesizers:Theory,Design and Applications[D].Helsinki University,2000.

[4]張厥盛,曹麗娜.鎖相與頻率合成技術(shù)[M].成都：電子科技大學(xué)出版社,1995.

A signal generation method based on high-speed DDS chip AD9914

ZHAO La1, QI Quan2, ZHANG Jun2

(1. Military Representative Office of Radar System of the PLA Navy in Nanjing, Nanjing 210003;

2. No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

Abstract:The DDS technology is widely used in modern radar signal generation. The realization circuit is designed based on the high-speed DDS chip AD9914, and the relevant data are tested and analyzed.

Keywords:radar; DDS； AD9914; linear frequency modulation

中圖分類號：TN74

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-0401(2015)04-0029-04

作者簡介:趙臘(1986-)，男，工程師，碩士，研究方向：雷達(dá)總體；祁全(1987-)，男，助理工程師，碩士，研究方向：雷達(dá)接收技術(shù)；張俊(1982-)，女，工程師，碩士，研究方向：雷達(dá)接收技術(shù)。

收稿日期：2015-09-11；修回日期：2015-09-16