基于AD9854的高品質(zhì)LFM設(shè)計(jì)

李增有 盧長(zhǎng)海 韋俞鋒

摘 要:生產(chǎn)工藝的不斷進(jìn)步,使得采用全數(shù)字電路設(shè)計(jì)的高品質(zhì)LFM技術(shù)日趨成熟。采用AD9854設(shè)計(jì)的高品質(zhì)LFM已在我部某新型高精度雷達(dá)中得到應(yīng)用。在此詳細(xì)闡述了采用直接數(shù)字頻率合成與正交調(diào)制融合方法實(shí)現(xiàn)LFM的設(shè)計(jì)方案。測(cè)試結(jié)果表明,該LFM頻率精度、穩(wěn)定度、帶內(nèi)雜散抑制等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)優(yōu)良,能夠滿足新一代高精度測(cè)量雷達(dá)的應(yīng)用需求。[JP]

關(guān)鍵詞:LFM;AD9854;正交調(diào)制;雷達(dá) DDS

中圖分類(lèi)號(hào):TP368.1

隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展,線性調(diào)頻信號(hào)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高分辨率雷達(dá)領(lǐng)域。過(guò)去獲得線性調(diào)頻信號(hào)主要借助模擬方法。其中,包括VCO方法和聲表面波方法。這兩種脈沖電壓信號(hào)的產(chǎn)生方法因其一些固有缺陷,如對(duì)環(huán)境溫度比較敏感,信號(hào)波形比較單一,信號(hào)產(chǎn)生的重復(fù)性差,線性度及信號(hào)間的相關(guān)性不理想等,制約了雷達(dá)整機(jī)性能的提高。目前,VCO方法和聲表面波方法已漸漸被數(shù)字方法所取代。直接數(shù)字頻率合成方法具有傳統(tǒng)方法所不具備的許多突出優(yōu)點(diǎn),如頻率分辨率和切換速度高,頻率切換時(shí)相位可保持連續(xù),超寬的頻率范圍,能實(shí)現(xiàn)各種調(diào)制波和任意波形的產(chǎn)生以及易于實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化設(shè)計(jì)等。然而,其全數(shù)字化的工作原理也給它帶來(lái)了兩個(gè)缺點(diǎn):一是輸出雜散較大;二是輸出帶寬將受到限制。但是,這一缺陷隨著新工藝和新算法的出現(xiàn)正在逐漸得到改善。

1 AD9854功能簡(jiǎn)介

1.1 AD9854基本功能

(1)所有功能可以在內(nèi)置寄存器中靈活設(shè)置;

(2)系統(tǒng)時(shí)鐘:300 MHz,可單端輸入,亦可差分輸入;

(3)雙48位可編程頻率控制寄存器(一路為頻率控制字,另一路為步進(jìn)頻率控制字),其相位累加器的有效輸出位數(shù)為17位,波形存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)總線位數(shù)為12位,保證了極好的數(shù)字自由雜散動(dòng)態(tài)范圍;

(4)頻率分辨率可達(dá)到1.066 μHz;

[JP2](5)輸出頻率可從零頻開(kāi)始到120 MHz,能產(chǎn)生┝鉸藩正交、高穩(wěn)定的頻率、相位、幅度可編程控制的信號(hào);[JP]

(6)具有反辛格包絡(luò)濾波功能;

(7)14位數(shù)控調(diào)相或相移鍵控(PSK);

(8)具有掃頻(Chirp)功能;

(9)頻移鍵控(FSK)功能;

(10)三種控制和配置方式:并行端口、兩線串口控制、三線串口控制。

(11)單+3.3 V電源工作。

1.2 AD9854組成框圖

圖1是AD9854的功能結(jié)構(gòu)框圖。AD9854主要包括了四大部分:頻率累加器(ACC1)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻信號(hào)時(shí)頻率隨時(shí)間變化引起的相位值累加;相位累加器的(ACC2)實(shí)現(xiàn)將頻率轉(zhuǎn)換字和頻率累加器相加的值累加,同時(shí)將有效輸出位數(shù)截為17位;相位幅度轉(zhuǎn)換輸出正交的兩路12位信號(hào);D/A轉(zhuǎn)換將12位的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬的電流信號(hào)。AD9854支持多種模式的信號(hào)輸出,芯片的編程和控制設(shè)置都是通過(guò)串口或并口實(shí)現(xiàn)的。除此之外,還有以下功能:在確保系統(tǒng)時(shí)鐘不超過(guò)300 MHz時(shí),可以對(duì)參考頻率進(jìn)行4~20倍頻,作為系統(tǒng)時(shí)鐘;Q路的輸出直流可以通過(guò)一個(gè)專(zhuān)門(mén)12位寄存器進(jìn)行控制。由于DDS的固有結(jié)構(gòu)使得 DDS產(chǎn)生的I/Q信號(hào),當(dāng)LFM脈沖休止期,Q路信號(hào)輸出為直流最大值,而工程上要求輸出無(wú)直流,可以通過(guò)這一功能實(shí)現(xiàn)在脈沖休止期對(duì)Q路輸出進(jìn)行控制。

2 LFM方案設(shè)計(jì)

2.1 硬件組成

利用AD9854直接頻率合成器與正交調(diào)制器、可編程器件和其他匹配電路構(gòu)成一個(gè)通用的信號(hào)產(chǎn)生平臺(tái),通過(guò)改變可編程器件設(shè)計(jì),可以產(chǎn)生不同的信號(hào)形式,其組成如圖2所示。

2.2 產(chǎn)生線性調(diào)頻信號(hào)CPLD設(shè)計(jì)

CPLD設(shè)計(jì)要求:上電后根據(jù)控制碼設(shè)置DDS內(nèi)部寄存器,并由主觸發(fā)信號(hào)的上升沿和下降沿產(chǎn)生兩個(gè)更新時(shí)鐘,在兩個(gè)更新時(shí)鐘之間置寄存器1F(H)的〥6(CLR ACC2)位為高電平,在兩個(gè)更新時(shí)鐘之外置寄存器1F(H)的D6(CLR ACC2)位為低電平,DDS工作時(shí)序如圖3所示,其輸出對(duì)應(yīng)脈沖線性調(diào)頻信號(hào)。┩4給出CPLD設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果。

2.3 其他設(shè)計(jì)

由于正交調(diào)制器對(duì)鏡像和本振泄漏抑制較大,所以波形產(chǎn)生的上混頻采用正交調(diào)制技術(shù)。但是DDS的固有結(jié)構(gòu)使得 DDS產(chǎn)生的I/Q信號(hào),當(dāng)LFM脈沖休止期,Q路信號(hào)輸出為一直流最大值,此時(shí)正交調(diào)制輸出會(huì)有強(qiáng)的本振泄漏,所以工程上要求輸出無(wú)直流。Q路的輸出直流可以通過(guò)一個(gè)專(zhuān)門(mén)12位寄存器進(jìn)行控制。在工程設(shè)計(jì)時(shí),運(yùn)用此功能實(shí)現(xiàn)了對(duì)Q路輸出直流的控制,但是導(dǎo)致Q路與I路有一定的時(shí)延,在一定程度上減小了本振泄漏,但鏡像抑制受到影響。此次設(shè)計(jì)中為了改善這種缺陷,采取了新的方法,即I,Q兩路信號(hào)經(jīng)變壓器耦合去掉直流,并根據(jù)正交調(diào)制器的要求進(jìn)行直流偏值和最佳電平的設(shè)計(jì)。調(diào)制后的信號(hào)經(jīng)過(guò)窄帶帶通濾波器對(duì)鏡像和本振泄漏可獲得更好的抑制。同時(shí)利用了正交調(diào)制器的開(kāi)關(guān)功能,抑制工作時(shí)段外的本振泄漏及噪聲電平,實(shí)現(xiàn)了脈沖休止期無(wú)雜散輸出。

2.4 注意事項(xiàng)

DDS參考時(shí)鐘一般都是由頻合器直接提供的單端信號(hào),最好用巴倫或單端轉(zhuǎn)差分IC將其變成差分信號(hào),這樣可以在印制板布線時(shí)布成差分線即可,否則300 MHz的頻率已進(jìn)入微波頻段,如使用單端信號(hào)印制線,需按微帶線或帶狀線設(shè)計(jì),增加印制板的設(shè)計(jì)難度和制造成本。

設(shè)計(jì)不良的電源退耦會(huì)影響DDS輸出信號(hào)質(zhì)量。為了充分發(fā)揮AD9854的性能,以獲得更好的效果,PCB應(yīng)該采用多層板,而且電源和地應(yīng)該分別作為獨(dú)立層來(lái)處理。電源必須使用適當(dāng)?shù)娜ヱ罴夹g(shù),在電源的輸入端使用一個(gè)高質(zhì)量的鉭電容,通過(guò)大面積、低阻抗的接地面進(jìn)行去耦,將低頻噪聲旁路,同時(shí)使用小的鐵氧體磁珠可以減少電路其他部分的高頻噪聲。在器件的電源管腳和地管腳之間就近使用表面貼裝的片狀陶瓷電容進(jìn)行濾波,因?yàn)檫@種電容的寄生電感很小。

在AD9854的55管腳與模擬電源之間串聯(lián)一個(gè)0.01 μF,可以提高無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍。輸出電流可以設(shè)計(jì)在5~20 mA范圍內(nèi),當(dāng)輸出電流為10 mA時(shí),可以獲得最好的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍。

設(shè)計(jì)時(shí),可通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)載獲得不同幅度,但峰值不能超過(guò)1 V。

AD9854工作時(shí)發(fā)熱較大,應(yīng)在芯片底部設(shè)有整塊散熱銅箔,并通過(guò)多個(gè)過(guò)孔與印制板的底層(接地層)銅箔相連,以加強(qiáng)導(dǎo)熱能力,最好在其頂部粘結(jié)散熱器。

3 試驗(yàn)結(jié)果

目前,已研制出該波形產(chǎn)生器,其體積為140 mm×60 mm×20 mm,輸出頻率為L(zhǎng)波段,本振抑制小于等于-60 dBc,鏡像抑制小于等于-65 dBc,當(dāng)重復(fù)頻率為3 kHz時(shí),譜線間相噪小于-90 dBc/Hz,脈沖休止期無(wú)雜散。從測(cè)試結(jié)果可以看出,該波形產(chǎn)生綜合指標(biāo)較好。該波形產(chǎn)生器在某部新一代高精度雷達(dá)系統(tǒng)中應(yīng)用,效果良好。

AD9854是AD公司生產(chǎn)的直接頻率合成器,AD8349是AD公司生產(chǎn)的正交調(diào)制器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,利用AD9854 和AD8349產(chǎn)生的線性調(diào)頻信號(hào)性能優(yōu)良,能夠滿足高精度雷達(dá)系統(tǒng)的指標(biāo)要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

該方案采用的DDS能夠產(chǎn)生兩路正交的寬帶差分信號(hào),相位誤差最大為1°。由于信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器和變壓器與正交調(diào)制器相連接,使得輸入正交調(diào)制器的寬帶差分信號(hào)IB,IP,QB,QP,其正交性、幅度一致性都很難控制。為此,可以在方案設(shè)計(jì)時(shí)采用兩片DDS,分別產(chǎn)生I,Q兩路信號(hào),以分別控制輸出幅度和相位,從而獲得更好的載頻抑制和鏡像抑制。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介 李增有 男,1976年出生,山東膠南人,碩士研究生,工程師 。主要研究方向?yàn)殡娮与娐吩O(shè)計(jì)與無(wú)線電應(yīng)用。