DSP控制AD9959實現快速跳頻的接口設計

【摘要】本文介紹了直接數字合成（Direct Digital Synthesic縮寫DDS）技術的工作原理及特點，并給出了DSP控制DDS芯片AD9959實現快速跳頻的接口設計方案。

【關鍵詞】跳頻；DDS；AD9959；SPI串行通信

1.引言

跳頻通信是擴頻通信的一種主要形式。由于其具有抗干擾、抗截獲的能力，并能做到頻譜資源共享，在當前軍事抗干擾通信系統中被廣泛應用。跳頻通信系統的一項重要參數是頻率的跳變速度。它在很多程度上決定了跳頻通信系統抗跟蹤式干擾的能力，這一點在電子對抗中尤為重要。因此，快速跳頻頻率合成器的設計就成為跳頻通信的關鍵之一。直接數字合成（DDS）是近年來迅速發展起來的一種新的頻率合成方法。這種方法簡單可靠、控制方便，且具有很高的頻率分辨率和轉換速度，非常適合快速跳頻通信的要求。本文將介紹DDS的工作原理，并給出基于DDS的跳頻頻率合成器的設計。

2.DDS的結構及工作原理

直接數字頻率合成是采用數字化技術，通過控制和位的變化速度，直接產生各種不同頻率信號的一種頻率合成方法。DDS的結構原理框圖如圖1所示，它由相位累加器、波型存儲器、數模轉換器、低通濾波器和參考時鐘五部分組成。參考時鐘fc由一個穩定的晶體振蕩器產生，用它來同步整個合成器的各個組成部分。在參考時鐘的控制下，相位累加器對頻率控制字K進行線性累加，得到的相位碼對波型存儲器尋址，使之輸出相應的幅度碼，經過數模轉換器得到相應的階梯波，最后經低通濾波器對階梯波進行平滑處理，得到所需頻率的波形。

3.DDS的特點及跳頻能力

新一代的直接數字頻率合成器采用全數字的方式實現頻率合成，與傳統的頻率合成技術相比，具有以下特點：

（1）頻率轉換快。直接數字頻率合成是一個開環系統，無任何反饋環節，其頻率轉換時間主要由頻率控制字狀態改變所需的時間及各電路的延時時間所決定，轉換時間很短；

（2）頻率分辨率高、頻點數多。DDS輸出頻率的分辨率和頻點數隨機位累加器的位數的增長而呈指數增長，分辨率高達μHz；

（3）相位連續。DDS在改變頻率時只需改變頻率控制字（即累加器累加步長），而不需改變原有的累加值，故改變頻率時相位是連續的；

（4）相位噪聲小。DDS的相位噪聲主要取決于參考源的相位噪聲；

（5）控制容易、穩定可靠。

衡量跳頻頻率合成器性能指標的因素有：頻率范圍、頻率分辨率、頻率轉換時間、頻率準確度和穩定度、頻譜純度等。其中，跳頻速度和頻率點數是決定跳頻通信系統性能的主要因素，系統的抗干擾和保密能力隨頻率點數的增高和跳速的加快而加強。從DDS的特點可以看出，直接數字頻率合成器各個性能指標都較高，特別是其頻率轉換速度，因此它是實現快速跳頻頻率合成器的最佳選擇。

4.基于DDS芯片AD9959實現快速跳頻的接口設計方案

4.1 DDS芯片的選擇

現在國外已經有非常成熟的DDS芯片。Qualcomm公司推出了DDS系列Q2220、Q2230、Q2334、Q2240、Q2368，其中Q2368的時鐘頻率為130MHz，分辨率為0.03Hz，雜散控制為-76dBc，變頻時間為0.1μs；美國AD公司也相繼推出了他們的DDS芯片：AD985x系列和AD995x系列，如可以實現線性調頻的AD9852、兩路正交輸出的AD9854以及以DDS為核心的QPSK調制器AD9853、數字上變頻器AD9856和AD9857。AD公司的產品全部內置了D/A變換器，稱為Complete-DDS。其中AD9852時鐘頻率為300MHz，近端雜散抑制優于-80dBc，遠端優于-48dBc，相位噪聲為-148dBc/Hz@10kHz，頻率跳變速度為130ns，頻率分辨率為1uHz。四通道的AD9959和2通道的AD9958中的每一個通道都含有一個高速10位DAC，該DAC具有優良寬帶SFDR和窄帶SFDR。其中每一個完全可獨立編程的通道都提供14位的相位偏移控制，32位頻率分辨率控制和10位幅度控制。這些器件還支持直接和線性掃描調制，同時可以達到大于60db的通道隔離度，集成的32位頻率控制字在采樣時鐘高達500MSPS時能夠使每個通道的分辨率設置到116MHz或小于116MHz。本文介紹的方案使用Analog Devices公司推出的新一代DDS芯片AD9959，該新芯片比早期DDS芯片以更低的功耗提供頻率高達500MHz的內部時鐘。

4.2 頻率合成方案

圖2是以DDS為核心的跳頻頻率合成器的結構框圖。它主要由DSP、AD9959、時鐘產生電路、濾波器等組成。DSP采用TI公司的TMS320VC33，由于該芯片和AD9959都是3.3V供電，所以可以直接將二者的數據線相連。DSP與AD9959的硬件接口如圖3所示。

4.2.1 DDS的時鐘

AD9959內含振蕩電路，因此外加一晶體就可產生系統時鐘。也可以不用內部振蕩電路而直接引入外部時鐘信號。外部時鐘信號可以是單端信號或差分信號，并且可以通過配置相應的控制寄存器和控制信號，得到不同的時鐘模式。為了減少共模干擾，通常采用差分外部時鐘輸入方法。本電路中使用高穩定度的有源晶振，然后由差分接收器MC100LVEL16D將晶振輸出的單端信號轉換為符合AD9959的差分信號。

4.2.2 AD9959的SPI串行控制

4.2.3 串行傳送數據的使能

所有輸入AD9959的數據在時鐘上升沿寫入，而所有從AD9959輸出的數據則在時鐘下降沿讀出。由串口傳送的數據首先被寫入I/O緩存中，而只有當這些數據被寫入寄存器組后，AD9959才能完成相應的功能。傳送過程的完成通過以下兩種方式進行：

（1）通過內部更新信號完成，這時數據的傳送是自動的；

（2）通過外部更新信號完成，這時數據的傳送由用戶完全控制；用戶通過對 AD9959的第46腳（IO_UPDATE）的操作來完成。這時將IO_UPDATE引腳與外部控制信號相連，由外部控制單元的頻率更新信號來完成更新。

要讓AD9959工作，需要先對AD9959進行初始化。當片選/CS信號為低時，數據在SCLK控制下從串行輸入口SDIO_0對AD9959進行初始化，包括寫通道選擇寄存器CSR、功能寄存器FR1、功能寄存器FR2、通道功能寄存器CFR、通道頻率控制字CTW0及相位控制字CPW0、振幅控制寄存器ACR、LSR、RDW和FDW等，如果不對相應的寄存器初始化，那么各寄存器的初值則按默認值設置（具體值詳見AD9959數據手冊）。由于AD9959的復位信號是高電平有效，因此將DSP的復位信號經過反相后連接到AD9959的復位引腳Reset，使兩芯片可以同時上電復位。

5.結束語

本文介紹的利用DSP控制DDS芯片AD9959來實現快速跳頻頻率合成器的設計已在實際應用中取得了成功。實驗表明，AD9959具有分辨率高，轉換速度快，體積小，系統工作穩定，使用方便等特點。通過DSP的控制，可以廣泛地應用在通信、導航、制導等電子系統中。DDS構成的頻率合成器必將成為快速跳頻通信系統頻率合成器的主流。

參考文獻

[1]http：//www.analog.com/AD9959 DataSheet.pdf

[2]http：//www.ti.com/TMS320VC33.pdf

[3]http：//www.ti.com/TMS320C3x User’s Guide.pdf

作者簡介：

岳超峰（1978—），男，工程師，現供職于陜西凌云電器集團有限公司設計所，主要從事復雜數字信號處理、接口控制方面的應用與開發。

范以訓（1981—），男，工程師，現供職于陜西凌云電器集團有限公司設計所，主要從事數字電路設計方面的應用與開發。