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/O20～14，7～1D0～D6,D7～D13I45IOUTO8～10，31～33，73～75DVDD　46IOUTO11～13，28～30，70～72，76～78DGND　49DAC_BP　21PS1I50DAC_RESETI22PS0I55PLL_FILTERO23CSI60DIFFCLKENI24SCLKI62REFCLKI25SDIOI/O63REFCLKI26SDOO66DPDI27SYNCIOI67RESETI34，41，51，57NC　68PLL_LOCKO35，37，38，43，48，54，58，65，AVDD　69CIC_OVRFLO36，3910，42，44，47，53，56，59，61，65AGND　79PDCLK/FUDI/O　　　80TxENABLEI

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-25Centronic寄存器I/O数据位11ControloutC02～92～9DataoutD1～D81010StatusinS61111StatusinS71212StatusinS51313StatusinS41414ControloutC11532StatusinS31631ControloutC21736ControloutC318～2519、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p1LtchDatac0p2Sclk(pin24)d0p3SDIO(pin25)d1p4Cs(pin23)d2p5Ps0(pin22)d3p6Ps1(pin21)d4p7Reset(pin21)d5p8Reset(pin67)d6p9SYNCIO(pin27)d7p14DIG_PWOR_Down(pin66)c1p31FUD(pin79)c2p32Readback_Enables3p361,disable FUD input,modulation
0,enable FUd input,sigle tonec3

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