基于高速DDS芯片AD9914的信號產生方法

趙　臘，祁　全，張　俊

(1.海軍駐南京地區雷達系統軍事代表室，南京 210003；2.中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

基于高速DDS芯片AD9914的信號產生方法

趙臘1，祁全2，張俊2

(1.海軍駐南京地區雷達系統軍事代表室，南京 210003；2.中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

摘要：DDS技術在現代雷達信號產生中具有相當廣泛的應用。本文基于AD公司高速DDS芯片AD9914，設計了實現電路，測試了相關數據并對數據進行了分析。

關鍵詞：雷達；DDS；AD9914；線性調頻

0引言

現代雷達技術已由傳統的模擬技術向數字技術發展，要求D/A和A/D轉換器盡可能靠近發射和接收前端乃至天線[1]。D/A盡可能靠近發射前端實際也就是要求雷達不需要上變頻環節，直接產生發射射頻信號。變頻環節的省略常常需要借助直接數字頻率合成(DDS)技術。DDS因其出色的頻率高分辨率、快捷變、低相噪、信號形式輸出靈活可控的優點而在現代雷達信號產生技術中獲得廣泛應用[2]。

1DDS工作原理

DDS利用數字方法由系統時鐘頻率產生所需頻率信號，如圖1所示，在系統時鐘的驅動下，每過一個時鐘周期，頻率累加器和相位累加器各進行一次累加，其輸出的數據經處理后作為正弦查找表的地址，在系統時鐘的控制下將存儲的對應幅度值數據輸出后送D/A轉換器轉換為模擬信號[3-4]。經過一次完整的累加，輸出端即可以得到一個完整的正弦(余弦)波，同時大部分DDS還允許通過相位控制字和幅度控制字直接控制輸出信號的相位和幅度。

圖1　DDS原理框圖

直接數字頻率合成的實現方式通常有兩種：一種通過FPGA+D/A方式，由FPGA產生信號所需的頻率和相位，經過D/A變換輸出。這種方式產生信號的頻率和帶寬受FPGA時鐘速率的限制，一般應用于低頻窄帶的信號產生。另一種方式是通過DDS專用芯片直接產生。這種方式相對簡單，只需通過配置DDS芯片內部的寄存器即可得到需要的射頻信號，而且此種方式下芯片的工作時鐘可做的相對較高，目前已能達到數GHz，能產生頻率和帶寬較高的信號。

2電路設計

本文基于AD公司最新推出的DDS芯片AD9914設計實現信號產生電路。AD9914是一款帶12位D/A轉換器的DDS芯片。該芯片采用先進的DDS技術，可實現快速跳頻、精確調諧分辨率、快速相位與幅度調制等功能，輸出信號頻率最高可達1.4 GHz。AD9914還支持在用戶定義的線性掃描模式下工作，可產生頻率、相位或幅度的線性掃描波形，其主要性能參數如下：

? 3.5GSPS內部時鐘速度；

? 集成12位DAC；

? 頻率調諧分辨率190 pHz；

? 自動線性和非線性頻率掃描功能；

? 寬帶SFDR<50 dBc；

? 輸出1396 MHz時，相位噪聲優于-128 dBc/Hz@1kHz；

? 3.3/1.8V供電，典型功耗2.4 W。

圖2是AD9914的內部結構框圖。從圖中可知，AD9914內置數字PLL、DDS內核、DAC、線性掃頻、參考時鐘倍頻、時鐘定時和控制、高速并行調制端口、串并行控制端口等功能模塊。

圖2　AD9914內部結構框圖

AD9914支持5種工作模式：單頻、Profile調制、線性掃描、并行數據端口調制和可編程調制。根據設計需要，選擇單頻模式可以實現單頻信號產生，選擇線性掃描模式可以實現線性調頻信號產生。在單頻模式中，DDS信號控制參數由Profile編程寄存器直接提供。在線性掃描模式中，DDS信號控制參數通過數字斜坡發生器提供，斜坡方向(即線性調頻信號斜率)通過DRCTL引腳外部控制。圖3是線性調頻信號的時序圖。

控制芯片采用XILINX公司的Cool Runner-II系列CPLD XC2C256-6VQ100C，通過并行端口將頻率控制字送至AD9914。AD9914輸出為差分形式，通過差分轉單端和濾波可得所需輸出信號，其信號產生電路原理框圖如圖4所示。

圖3　線性調頻信號時序圖

圖4　信號產生電路原理框圖

印制電路板采用多層電路結構設計，通過對信號去耦和電源濾波，以降低電源噪聲干擾射頻信號和控制信號，同時合理布局電路走線，減小數字信號和模擬信號之間的串擾。信號產生電路實物圖如圖5所示。

圖5　信號產生電路實物圖

3測試結果

利用兩臺信號源N5183A、一臺頻譜儀N9020A和一臺示波器DSA90404A搭建如圖6所示的測試平臺，其中一臺N5183A為CPLD提供50 MHz時鐘，另一臺N5183A為AD9914提供3.5 GHz(相位噪聲為-111 dBc/Hz@1kHz)的時鐘。

圖6　電路測試平臺

3.1　單頻信號測試結果

單頻信號設計產生650~730 MHz、步進20 MHz的點頻信號，并通過四倍頻器實現S波段信號輸出。圖7是單頻中心頻率雜散及相位噪聲的測試結果。從圖中可得信號雜散為-81 dBc，相位噪聲為-117.5 dBc/Hz@1kHz。

圖8是經四倍頻后輸出的S波段信號雜散和相位噪聲的測試結果。從圖中可以看出，S波段信號雜散為-69.96 dBc，相位噪聲為-105 dBc/Hz@1kHz。

圖7　單頻信號雜散及相位噪聲測試圖

圖8　S波段信號雜散及相位噪聲測試圖

比較圖7~圖8的測試結果，單頻信號經四倍頻后，雜散惡化11.1 dB，相位噪聲惡化12.5 dB。根據理論可知，信號倍頻后相位噪聲按20 lgN(N是倍頻次數)規律惡化，即四倍頻后的相位噪聲理論惡化12 dB，與測試結果基本相符。

3.2　線性調頻信號測試結果

線性調頻信號設計產生信號頻率為444~644 MHz，帶寬200 MHz，脈寬48 μs。用示波器對線性調頻信號進行時域測量并用頻譜儀對信號進行頻域測量，測試結果如圖9所示(信號時域波形幅度隨頻率增大而減小是由于所用示波器探頭帶寬為500 MHz)。由圖可得，線性調頻信號脈寬為48 μs，帶寬為200 MHz，帶內平坦度較好，帶外無明顯雜散信號，可滿足使用要求。

圖9　線性調頻信號時域波形及頻域圖

5結束語

本文以DDS技術原理為基礎介紹了DDS芯片AD9914的工作特性參數，并基于該款芯片設計了信號產生電路。測試結果表明，產生的單頻信號和線性調頻信號均滿足系統技術指標要求。目前，該電路經改進后已在某型裝備的一本振產生中使用。

參考文獻：

[1]弋穩.雷達接收機技術[M].北京：電子工業出版社,2005.

[2]費元春，等.寬帶雷達信號產生技術[M].北京：國防工業出版社,2002.

[3]Jouko Vankka.Direct Digital Synthesizers:Theory,Design and Applications[D].Helsinki University,2000.

[4]張厥盛,曹麗娜.鎖相與頻率合成技術[M].成都：電子科技大學出版社,1995.

A signal generation method based on high-speed DDS chip AD9914

ZHAO La1, QI Quan2, ZHANG Jun2

(1. Military Representative Office of Radar System of the PLA Navy in Nanjing, Nanjing 210003;

2. No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

Abstract:The DDS technology is widely used in modern radar signal generation. The realization circuit is designed based on the high-speed DDS chip AD9914, and the relevant data are tested and analyzed.

Keywords:radar; DDS； AD9914; linear frequency modulation

中圖分類號：TN74

文獻標志碼：A

文章編號：1009-0401(2015)04-0029-04

作者簡介:趙臘(1986-)，男，工程師，碩士，研究方向：雷達總體；祁全(1987-)，男，助理工程師，碩士，研究方向：雷達接收技術；張俊(1982-)，女，工程師，碩士，研究方向：雷達接收技術。

收稿日期：2015-09-11；修回日期：2015-09-16