一種基于DDS的中頻模擬電路設計

郝朝亮　軟會英　侯光梁

摘要：介紹一種基于DDS芯片JS9854的雷達中頻模擬電路，以AT91RM9200處理器為核心，以JS9854頻率合成芯片為模擬信號產(chǎn)生器，可產(chǎn)生常規(guī)脈沖、相位編碼、線性調(diào)頻等多種不同調(diào)制方式的雷達中頻回波，輸出一組頻率可調(diào)的模擬中頻回波信號，可用于多普勒測速雷達信號數(shù)據(jù)處理分機的自檢測試。

關(guān)鍵詞： DDS 信號模擬器 自檢測試

引言

直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（Direct Digital Synthesis，DDS）是20世紀80年代初發(fā)展起來的一種新的波形產(chǎn)生方法，具有體積小、功耗低、頻率分辨率高、易于編程控制等優(yōu)點，被廣泛應用于電子對抗、雷達、通信等領域。近年來，基于DDS的中頻模擬電路設計得到越來越多的研究和應用，為雷達研制、算法驗證和故障檢測等方面提供了很大的便利。本文介紹一種基于DDS芯片JS9854的雷達中頻模擬電路，可產(chǎn)生常規(guī)脈沖、相位編碼、線性調(diào)頻等多種不同調(diào)制方式的雷達中頻回波，輸出一組頻率可調(diào)的模擬中頻回波信號，可用于多普勒測速雷達信號數(shù)據(jù)處理分機的自檢測試，并已裝備部分多普勒測速雷達，取得了良好的效果。

1 DDS技術(shù)原理

直接數(shù)字頻率合成技術(shù)將數(shù)字信號處理理論引入頻率合成領域，圖1是DDS的技術(shù)原理圖，系統(tǒng)由時序控制器、相位累加器、波形ROM、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器組成。在參考時鐘的控制下，相位累加器對頻率控制字進行線性累加，得到的相位碼對波形存儲器尋址，使之輸出相應的幅度碼，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器得到相應的階梯波，最后經(jīng)過低通濾波器得到連續(xù)變化的所需頻率的波形。

2 中頻模擬電路設計

模擬電路以AT91RM9200處理器為核心，以JS9854頻率合成芯片為模擬信號產(chǎn)生器，產(chǎn)生一組模擬中頻回波信號，通過濾波電路濾波以后以SMA接口形式進行輸出。

2.1 系統(tǒng)電路設計

處理器選型為AT91RM9200，這是ATMEL公司推出的一款基于ARM920TTM核的微控制器，具有豐富的資源和外設接口，便于實現(xiàn)信息的處理和控制。

DDS芯片選型為中國電科58所的國產(chǎn)DDS芯片JS9854，JS9854內(nèi)含一個DDS核（包含相位累加器、相位/幅度轉(zhuǎn)換）、兩個反正弦濾波器、兩個12位數(shù)字乘法器、一個可編程PLL倍頻器、一個高速比較器和兩個12位高速高性能的正交D/A轉(zhuǎn)換器。提供一個精確的參考時鐘時，該電路能產(chǎn)生可以調(diào)頻、調(diào)幅、調(diào)相位的兩路正交正余弦波形，能夠被廣泛應用于通訊、雷達等領域中。這款DDS與ADI公司的AD9854在電路上完全兼容，最高支持到300MHz的工作頻率，支持產(chǎn)生從直流到150MHz的寬頻輸出信號，其頻率控制字的位數(shù)為48位，因此產(chǎn)生的信號具有很高的頻率分辨率。

DDS的設計電路圖如下圖2所示。采用AT91RM9200的SPI口對DDS進行配置以及頻率控制字的輸入等，采用GPIO口為DDS提供硬件復位及工作模式選擇等。22腳為SPI接口的片選信號，低電平有效;21腳為串行時鐘信號，數(shù)據(jù)被寄存在時鐘上升沿上;19腳為SDIO，在串行通信模式時作為雙向數(shù)據(jù)輸入/輸出口，本設計中配置為數(shù)據(jù)輸入口;18腳為SDO，在串行通信模式中為數(shù)據(jù)輸出口;71腳為芯片復位信號，對芯片進行初始化配置。

69腳為單端參考時鐘輸入，設計采用雷達整機中Ku波段接收組件產(chǎn)生的40MHz時鐘作為雷達系統(tǒng)工作時鐘，系統(tǒng)時鐘輸入到DDS芯片的69腳作為DDS芯片工作時鐘。

本設計中輸出信號為10MHz±2.2KHz和10MHz±2.8KHz，采用串聯(lián)三級82nH、120nH和120nH電感的方式來構(gòu)成帶通濾波器，濾掉高頻和低頻雜波信號。由于DDS芯片產(chǎn)生的低頻雜波較多，所以另加七個電容來更好的消除低頻雜波信號。

2.2 系統(tǒng)電源設計

本設計中需要向AT91RM9200提供穩(wěn)定的數(shù)字3.3V電源和數(shù)字1.8V電源，需要向時鐘模塊提供數(shù)字3.3V電源，需要向DDS提供3.3V數(shù)字電源和3.3V模擬電源。系統(tǒng)電源輸入為5V，設計采用Linear公司的單片雙通道電源模塊LTM4622將輸入的5V轉(zhuǎn)為3.3V和1.8V輸出，為系統(tǒng)提供數(shù)字3.3V電源和數(shù)字1.8V電源，選用LDO電源芯片TPS74401將5V轉(zhuǎn)為3.3V，為DDS芯片提供低噪聲的模擬3.3V電源，有助于實現(xiàn)較高的DDS輸出性能。同時在芯片的每一個電源管腳放置1顆0.1uF的電容進行去耦。

3 軟件設計

軟件設計主要是通過對ARM芯片AT91RM9200進行編程，按照一定的算法和協(xié)議，將頻率控制字以一定的時序發(fā)送到DDS芯片JS9854。因此軟件設計的重點是頻率控制字的計算與頻率控制字的傳輸。

3.1 頻率控制字的計算

輸出頻率由頻率控制字（FTW）決定，存在如下公式：

FTW=（Fout×2N）/Fc

其中FTW為頻率控制字，F(xiàn)out為輸出頻率，F(xiàn)c為系統(tǒng)時鐘，N為相位累加器的分辨率（此例中為48位），頻率的單位是Hz。

本設計中，F(xiàn)c的值為40MHz，N的值為48，F(xiàn)out取值分別為10MHz±2.2KHz和10MHz±2.8KHz，因此計算出4個FTW的值如下：

FTW1=（9.9972MHz×248）/40MHz=70349040929294.25408

FTW2=（9.9978MHz×248）/40MHz=70353263053944.91392

FTW3=（10.0022MHz×248）/40MHz=70384225301383.08608

FTW4=（10.0028MHz×248）/40MHz=70388447426033.74592

在不影響精度的情況下，對結(jié)果取整，再將這個數(shù)以二進制的數(shù)值表示，就可以得出最終的48位頻率控制字。

3.2 頻率控制字的傳輸

頻率控制字通過SPI以串行的方式實現(xiàn)傳輸，SPI接口時序如下圖3所示。

配置頻率控制字是一共要在片選和時鐘上升沿下傳輸7個字節(jié)的數(shù)據(jù)，第一個字節(jié)8個bit確定頻率控制字的寄存器地址，第二個字節(jié)傳輸頻率控制字的[48：41]位，第三個字節(jié)傳輸頻率控制字的[40：33]位，以此類推，第七個字節(jié)傳輸頻率控制字的[7：0]位，然后將片選拉高，完成48位頻率控制字的傳輸。

4 輸出結(jié)果

本設計中DDS輸出信號頻率為10MHz±2.2KHz和10MHz±2.8KHz，信號功率約為-20dBm，如下圖4所示。

5 結(jié)束語

本文設計的中頻模擬電路產(chǎn)生的信號精度高、穩(wěn)定性好。此外，該系統(tǒng)還具有電路簡單、搭建方便、可靠性高的特點。DDS芯片在低、中頻波段范圍內(nèi)，都能產(chǎn)生質(zhì)量非常高的輸出信號，只要改變頻率控制字就可以方便的改變輸出信號的頻率。

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