基于AD9954的多模式信號源電路的設計與實現

劉明成，郭建敏，古悅悅

（天津師范大學 物理與電子信息學院，天津300387）

直接數字頻率合成（Direct Digital Synthesis，DDS）技術是20世紀70年代提出的一種采用全數字技術的新型頻率合成方法.與傳統(tǒng)直接頻率合成（Direct Synthesis，DS）、鎖相環(huán)（Phase Lock Loop，PLL）間接頻率合成 、分數－N鎖相環(huán)（Fractonar－N Phase Lock Loop，FNPLL）合成和PSG單環(huán)路合成技術相比，DDS技術具有頻率切換時間極短、頻率分辨率高、相位連續(xù)、相位噪聲低和易于控制等諸多優(yōu)點[1].因此，目前許多設備和系統(tǒng)都采用此技術，特別是在現代民用無線通信系統(tǒng)、雷達及現代化儀器儀表等多個領域中，作為通信系統(tǒng)中必不可少的信號發(fā)生器越來越多地采用了該技術.

由美國AD公司生產的AD9954是一種采用先進DDS技術的高集成度頻率合成器，它內置高速D／A轉換器和超高速比較器，可作為數字編程控制的頻率合成器[2]，產生約200MHz的模擬正弦波.AD9954內含1 024×32靜態(tài)RAM（SRAM），利用該RAM可實現高速調制，支持幾種掃頻模式，并可提供自定義的線性掃頻操作模式，通過AD9954的串行I／O口輸入控制字實現快速變頻，且具有良好的頻率分辨率.AD9954具有頻率分辨率高、快速且連續(xù)的變頻能力，因而廣泛應用于數字調制系統(tǒng)的設計中.以AD9954為核心，輔以單片機為控制器可以設計出容易擴展、穩(wěn)定性好的信號平臺，以DDS技術為背景的信號源電路必將逐步成為新一代信號源的主流.本研究基于AD9954，給出多模式信號源的硬件實現電路和幾種模式的具體調制信號.

1 硬件電路設計

電路設計應用ATMEL公司研發(fā)的精簡指令集計 算 機 （Reduced Instruction Set Computer，RISC）的高速8位單片機ATmega16L對AD9954進行控制，如圖1所示.AD9954的數據輸入方式是串行數據傳送方式，即在電路設計中，采用串行數據傳輸方式將各種控制字（數據）輸送到AD9954的內部控制寄存器.

圖1 ATmega16L控制AD9954的電路設計圖Fig.1 Circuit design of AD9954controlled by ATmega16L

由于 ATmega16L的工作電壓為3.3V，AD9954的模擬電源電壓和數字電源電壓均為1.8V，兩者的引腳不可直接相連，因此，AT－mega16L與AD9954之間的數據信號傳輸需要通過SN54LVTH162245進行信號電平的轉換[3].AD9954的數據輸入端口可接收3.3V的電平信號，所以串口的幾個引腳可用ATmega16L直接控制.

2 單音模式的實現

AD9954上電復位（RESET引腳置高電平1）后的默認模式為單音模式，在單音模式中正弦波的實現是在上電復位后，通過設置AD9954中CFR2（串行地址OX01）寄存器的參考時鐘倍頻數字來設定內部時鐘頻率，通過設置FTW0（串行地址OX04）的32位頻率控制字實現波形頻率值的設定[4]，通過設置CFR0（串行地址OX00）寄存器中CFR＜25、24＞和ASF寄存器（串行地址OX02）的低14位控制字實現波形的幅值控制，波形的頻率可利用式（1）計算得到[3].

式（1）中：M為頻率控制字的位數；fM為 頻率控制字的值；fc為AD9954內部工作時鐘頻率.AD9954在單音模式下的正弦波形如圖2所示.

圖2 AD9954的正弦波信號Fig.2 Sine signal of AD9954

3 AD9954幾種調制信號的實現

調制信號對干擾具有較強的抵抗作用，對相鄰信道的信號干擾也較小，具有解調方便和易于集成等優(yōu)點，因此數字調制信號系統(tǒng)廣泛應用于現代通信設備和科研教學儀器中.

3.1 AD9954掃頻信號的實現

AD9954線性掃頻模式的實現首先需要將CFR0（串行地址OX00）寄存器中的線性掃頻使能位 CFR＜21＞ 置高（1），在 FTW0（串行地址OX04）和FTW1（串行地址OX06）2個寄存器中設置不同的頻率值[4]，再在 NLSCW（串行地址OX07）和PLSCW（串行地址OX08）2個寄存器中設置相應的升、降頻率變化量（Δ，低32位）和掃頻變化速率（高8位），而CFR0（串行地址OX00）寄存器中的CFR＜2＞（線性掃頻無駐留位）可根據掃頻模式要求加以選擇.圖3為CFR＜2＞置1、PS＜0＞引腳輸入由ATmega16L控制的模擬方波時得到的掃頻模式波形圖.

圖3 AD9954的掃頻信號Fig.3 Sweep frequency signal of AD9954

3.2 AD9954頻移鍵控（Frequency Shift Keying，FSK）信號的實現

在AD9954的隨機存儲器（Random Access Memory，RAM）控制模式下，首先將CFR0（串行地址OX00）寄存器中的寄存器使能位CFR＜31＞置高（1），RAM控制模式下4個RSCW寄存器（串行地址OX07－0A）的RSCW＜5、6、7＞位可指示RAM操作的5種模式，即直接轉換模式、上斜坡模式、雙向斜變模式、連續(xù)雙向斜變模式和連續(xù)循環(huán)模式[5].通過寄存器目標地址控制位CFR＜30＞控制RAM的輸出為相位累加器或相位偏移加法器.在FSK模式時，將CFR＜30＞置0，4個RSCW寄存器（串行地址OX07－0A）中設置相應的SRAM（串行地址OX0B）的開始地址、終止地址和地址變化速率，并在SRAM（串行地址OX0B，1 024×32bits）[6－7]對應的寄存器單元中設置相應的頻率值.圖4和圖5是RSCW＜5、6、7＞置000（直接轉換模式）時，2種FSK模式信號波形，其中圖4是CFR＜29、28、27＞設置為001時FSK模式信號的波形.

圖4 AD9954的FSK信號Fig.4 FSK signal of AD9954

圖5 是CFR＜29、28、27）設置為110時，4－tone FSK模式信號的波形.

圖5 AD9954的4－tone FSK信號Fig.5 4－tone FSK signal of AD9954

3.3 AD9954相移鍵控（Phase Shift Keying，PSK）信號的實現

實現AD9954相移鍵控信號首先要將CFR0（串行地址OX00）寄存器中的CFR＜31＞（寄存器使能位）置1，再將CFR＜30＞置1，即將RAM的輸出設置為相位偏移加法器，4個RSCW寄存器中的RSCW＜5、6、7＞置000，相應寄存器片段（RSCW）中開始地址、終止地址和地址變化速率的設置與FSK模式大致相同，但要注意相應SRAM地址中內容儲存的是14位相位數值，即＜31、18＞位有效，其余位無效，波形的相位可由式（2）計算獲得[8].

式（2）中：N為相位控制字的位數，FN為相位控制字的值；圖6是CFR＜29、28、27＞設置為001時雙相相移鍵控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）模式信號的波形.

圖6 AD9954的BPSK信號Fig.6 BPSK signal of AD9954

圖7 是CFR＜29、28、27＞設置為110時四相相移鍵控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）模式信號的波形.

圖7 AD9954的QPSK信號Fig.7 QPSK signal of AD9954

4 結論

本研究利用ATmega16L對AD9954進行控制，構建硬件實現平臺，利用AD9954可編程幅度、頻率和相位的特點，結合相應的數據處理軟件和控制軟件，給出AD9954在高速調制信號系統(tǒng)中的應用方案.本設計信號源電路可以方便容易地獲得調幅、掃頻、FSK、PSK和跳頻等多種調制信號，可廣泛應用于數字頻率捷變、可編程時鐘信號發(fā)生器、衛(wèi)星通信、雷達、測試和測量儀器儀表中，尤其適用于雷達線性調頻信號源和自動雷達掃描系統(tǒng).與傳統(tǒng)方法相比，多模式信號源電路更適應當前科學技術的發(fā)展趨勢，具有顯著的優(yōu)點和良好的應用價值.

[1]袁雪蓮，馮偉.基于AD9954信號發(fā)生器的設計[J].信息技術，2006（12）：144－146.

[2]許加楓，劉抒珍，劉小紅.高性能DDS芯片AD9954及其應用[J].國外電子元器件，2004（11）：23－26.

[3]劉明成，劉瑞安.基于AD9852多模式信號的應用研究[J].天津師范大學學報：自然科學版，2011，31（4）：66－68.

[4]趙艷朝，江修富，許斌，等.基于AD9954實現多種調制信號平臺[J].國外電子測量技術，2006（6）：58－61.

[5]潘啟中，朱國榮，呂久明.基于超高速AD9954的多模式信號的實現[J].艦船電子工程，2007（3）：98－101.

[6]劉柯，童子權，李德青.基于AD9954的雙路高速調制信號源的設計[J].國外電子測量技術，2006（1）：48－50.

[7]白宗文，張威虎，周美麗.一種基于DDS技術400MHz信號源的設計[J].微計算機信息，2007（23）：161－162.

[8]劉明成，孫景瑞，武津城.基于DDS芯片的信號源應用設計[J].天津師范大學學報：自然科學版，2008，28（4）：66－68.