数字正交上变频器AD9857在高频雷达系统中的应用

    摘要：介绍了数字正交上变频器AD9857结构、原理、功能，并给出了其在高频雷达系统发射通道中的具体应用。

    关键词：上变频 AD9857 并口

随着数字技术的发展、短波通信的实现已从模拟电路向数字电路转变，由中小规模向超大规模集成电路转变，进而向软件无线电（Software Radio）的概念发展。数字化是现代通信发展的总趋势。因此，与短波通信联系紧密的高频雷达也必然要向数字化方向发展。一般来讲，在雷达设备或系统中，通用发射通道的电路有两种实现方法：一种是传统的锁相环（PLL）电路；另一种就是直接数字合成（DDS）。与锁相环相比，DDS具有频率分辨率高、频率变化速度快、线性相位变化、易于数字控制等优点，因而发射通道核心部分采用基于DDS的14位正交数字上变频器AD9857。

顾名思义，正交数字上变频器AD9857在雷达系统中起上变频的作用，即将基带数字信号调制到载频，输出调制后的模拟信号。

1 AD9857的结构和工作原理

AD9857的内部结构如图1所示。主要包括输入数据组合、CIC与反CIC滤波器、固定插值滤波器、正交调制器、DDS核心、反SINC滤波器、输出幅度乘法器、14位DAC。

1.1 内部结构

输入数据转换

将串行输入的基带数字信号转换成14位并行数据。由于基带信号的I/Q分量是交替输入的，所以必须保证I/Q分量与输入时钟PCLK的同步性，使其能转换成两路并行的I/Q数据流，送往下一级电路。

CIC与反CIC滤波器

CIC（内插级联积分梳状滤波器）为一个编程过采样滤波器，过采样率为：2X～63X。

由于CIC具有低通特性，所以在其前端有一个反CIC滤波器来对此加以补偿。

固定插值滤波器

固定插值滤波器由两个半带滤波器HB实现。它用来将输入数据过采样4X。另外，和CIC一样，它也具有低通特性。

    正交调制器

用以将基带数字信号的频谱调制到所需的载频上（上变频）。DDS（直接数字合成）产生正交调制所需要的正弦、余弦两路数字载波，其频率可由相应频率控制字控制。CIC输出的I/O数据分别与这两路数字载波相乘，然后再相加或相减，便得到调制后的数字中频信号。

DDS核心

用于产生sin/cos载波参数考信号，载频（fout）与频率控制字（FTWORD）和系统时钟（SYSCLK）的关系如下：

fout=(FTWORD* SYSCLK)/2 32

其中，fout、SYSCLK的单位是Hz，FTWORD是从0到2，147，483，647（2 32-1）的十进制数。

反SINC滤波器

由于14位DAC的零阶保持效应，其输出信号的频谱会被SINC包络所加权。反SINC滤波器对输入数据进行预处理，以抵消SINC包络造成的失真。

输出幅度乘法器

用于对最终输出信号幅度的调整，其值由相应可编程寄存器决定，范围是：0～1.9921875。

14位DAC

用于将数字信号转换成模拟信号。数模转换过程会在n*SYCLK±FCARRIER(n=1,2,3)处产生干扰信号，须外接一个RLC滤波器加以消除。

1.2 工作原理

输入AD9857的是14位并行数据。这14位数据由I/Q交替输入。AD9857只完成数字信号的正交上变频调制，对数字信号的编码、插值、脉冲整形等过程须在其送到AD9857前完成。

AD9857将交替输入的I/Q信号分成两路。从输入到信号分离器一直到正交调制器，AD9857内的数据流都是两路I/Q信号。

AD9857内的系统时钟信号SCLK提供了其内部的所有时序。CIC输出的I/Q数据的采样率与DDS数字载波的采样率相同，也就是AD9857的系统时钟频率SYSCLK。所以调制后的信号实际上是一组采样率为SYSCLK的数据流。

1.3 工作模式

AD9857具有三种工作模式：正交调制器模式、单频输出模式、插值DAC模式。当工作在正交调制器模式时，DDS核心提供一个正交的本振信号（sin&cos）到正交调制器，在那里分别与I&Q数据相乘、相加，产品一个正交调制的数据流。所有这些都在数字域内发生，仅当数字的数据流加到14位DAC输出时才变成正交调制的模拟输出信号；当工作在单频输出模式时，AD9857相当于一个频率源，14位数据信号并不加到AD9857。内部DDS核心在频率控制字的控制下产生一个单频信号。该信号经过反向SINC滤波器和输出幅度控制器后加到14位DAC输出。当工作在插值DAC模式时，14位数据输出后仍是基带信号，即没有调制。对信号进行过采样操作并保持原始信号的频谱不变时，用该模式。

2 AD9857的引脚描述和技术特性

AD9857是基于CMOS的超大规模集成芯片。共有80个引脚，各引脚的说明如表1所示。

表1 AD9857引脚

引脚	助记符	I/O	引脚	助记符	I/O
20～14，7～1	D0～D6,D7～D13	I	45	IOUT	O
8～10，31～33，73～75	DVDD		46	IOUT	O
11～13，28～30，70～72，76～78	DGND		49	DAC_BP
21	PS1	I	50	DAC_RESET	I
22	PS0	I	55	PLL_FILTER	O
23	CS	I	60	DIFFCLKEN	I
24	SCLK	I	62	REFCLK	I
25	SDIO	I/O	63	REFCLK	I
26	SDO	O	66	DPD	I
27	SYNCIO	I	67	RESET	I
34，41，51，57	NC		68	PLL_LOCK	O
35，37，38，43，48，54，58，65，	AVDD		69	CIC_OVRFL	O
36，3910，42，44，47，53，56，59，61，65	AGND		79	PDCLK/FUD	I/O
			80	TxENABLE	I

AD9857的技术特性：

200MHz的内部时钟率

14位的数据总线

极好的动态特性（80dB SFDR @ 65MHz（±100kHz模拟输出）

4～20倍PLL可编程参考时钟

内置32位正交DDS

FSK兼容

8位输出幅度控制

单引脚掉电功能

4个可编程的通过引脚可选的信号模式

反SINC滤波器

简单的控制接口：10MHz串行，2或3线SPI兼容

3.3V供电

单端或差分输入的参考时钟

可工作温度范围：-40～+85℃

其封装是80引脚的LQFP表面封装。

3 计算机并口对AD9857的控制

为便于计算机对AD9857进行实时控制，采用计算机并口（Parallel Port）作为AD9857与计算机的接口。

3.1 计算机并口的结构

并行端口又叫并行打印机适配器、Centronics适配器、Centronics端口，或简称并口。在通用计算机上，并口的输出连接在一个25针D型连接口上。实际的并口使用了17个信号，分别包括在3个内部端口中。它们是：DATA端口（输入输出端口，包括8个数据信号）；STATUS端口（输入端口，包括5个状态信号）；CONTROL端口（输出端口，包括4个控制信号）。并口结构如表2所示。

表2 并口结构

DB-25	Centronic	寄存器	I/O	数据位
1	1	Control	out	C0
2～9	2～9	Data	out	D1～D8
10	10	Status	in	S6
11	11	Status	in	S7
12	12	Status	in	S5
13	13	Status	in	S4
14	14	Control	out	C1
15	32	Status	in	S3
16	31	Control	out	C2
17	36	Control	out	C3
18～25	19、21、23、25、27、29、30、34			GROUND

3.2 计算机并口与AD9857的接口

硬件方面，用一根通用打印机并口线将计算机并口与AD9857电路连接起来，连接方法如表3所示。

表3 AD9857与并口的连接

并口引脚	AD9857引脚	并口寄存器
p1	LtchData	c0
p2	Sclk(pin24)	d0
p3	SDIO(pin25)	d1
p4	Cs(pin23)	d2
p5	Ps0(pin22)	d3
p6	Ps1(pin21)	d4
p7	Reset(pin21)	d5
p8	Reset(pin67)	d6
p9	SYNCIO(pin27)	d7
p14	DIG_PWOR_Down(pin66)	c1
p31	FUD(pin79)	c2
p32	Readback_Enable	s3
p36	=1,disable FUD input,modulation =0,enable FUd input,sigle tone	c3

软件方面，采用VC6.0语言。分别编写了一个类对并口和AD9857进行控制，通过对这些类的调用分别写出各种实用程序。这样增强了程序的实用性，也便于计算机对并口进行实时控制。

4 AD9857在高频雷达系统发射通道中的应用

4.1 发射通道的工作原理

AD9857接收VXI3250（接收机）输出的参考频率作为其参考时钟；接收计算并口输出的控制信号；输出时序控制信号到WT6701（通用DSP芯片TMS320c6701板卡），同时接收WT6701输出的基带数字信号，生成已调连续射频信号；将射频信号输出给发射机。见图2。在发射通道中，AD9857工作在正交调制模式。

4.2 实验结果

以下是AD9857对伪随机信号调制后的频谱，即将伪随机信号调制到30MHz载频后的频谱，见图3、图4。AD9857参数设置如下：外接40MHz参考时钟，参考时钟因子为5，CIC插值率为32。