基于DDS的多路可控中频信号源设计*

喻　勇，姚志成，杨　剑，席建祥(第二炮兵工程大学控制工程系，西安710025)



基于DDS的多路可控中频信号源设计*

喻勇，姚志成*，杨剑，席建祥
(第二炮兵工程大学控制工程系，西安710025)

摘要:针对多路信号拼接技术中多路信号在相位、频率及幅值上均需达到精确可控的要求，在完成可控时钟信号模块设计的基础上，结合AD9910具有多芯片协同工作的功能，提出了一种能够实现最高频率可达400 MHz的多通道可控的中频信号源设计方案。测试结果表明多通道可控中频信号源达到了多路同步的苛刻要求，这为多路窄带信号拼接为单路宽带信号打下了坚实基础，提供了技术上与硬件上的支持。

关键词:信号发生器;多通道可控; DDS技术; AD9910

现代雷达不仅要完成对目标位置、速度等信息的提取，而且要对目标进行成像分析和识别，因此要求雷达发射信号具有大带宽，从而获得很高的距离分辨力以激励出目标的细节特征。故设计能够产生大瞬时带宽的雷达信号发生器成为一个十分关键且具有重大意义的问题［2］。

在信号生成技术领域，直接数字频率合成技术(DDS)由于具有优良的相位、频率分辨力以及转换时间短等突出优点，已经在许多场合替代传统的直接频率合成技术(DS)与锁相频率合成技术(PLL)。在使用DDS芯片生成雷达信号时，大部分设计人员纷纷采用提高使用芯片时钟频率的办法，来达到拓宽雷达信号瞬时带宽的目的。然而，受电路工艺和速度的限制，单片DDS电路产生的信号带宽极为有限，难以满足现代高分辨率雷达对带宽的需求。同时，通过采用高性能器件的方法来拓宽输出瞬时带宽还会大大增加产品成本［1，3－5］。

因此，如何利用现有常规器件，生成大瞬时带宽信号成为一个值得探究的问题。信号拼接技术是利用多路窄带信号拼接为单路宽带信号的技术，能够有效解决单片DDS电路输出带宽较窄的问题。在信号拼接过程中，需要多路在频率、相位与幅值上均可精确控制的信号，因此设计出能够实现各通道参数精确控制的中频信号源成为一个关键问题。

结合DDS芯片AD9910具有同步协同工作的功能，设计了一套多通道可控中频信号源，旨在解决信号拼接过程中各通道信号需精确控制的问题。

1　基本原理分析

1.1DDS技术特点［9－10］

DDS技术之所以具有如此广阔的发展应用前景，与其技术特点是分不开的。与直接式频率合成、锁相频率合成技术相比，直接数字频率合成具有下述优点。

(1)频率切换时间短:DDS的频率转换可以近似认为是即时的，因为它的相位序列在时间上是离散的，在改变频率控制字K以后，只要经一个时钟周期之后就能按照新的相位增量累加，所以它的频率转换时间就是频率控制字的传输时间，即一个时钟周期Tc=1/fclk。例如fclk= 10 MHz时转换时间为100 ns，当时钟频率进一步提高时，转换时间将会更短。目前，集成DDS产品的频率转换时间可达10 ns的量级，目前常用的锁相频率合成技术无法做到的这点。

(2)频率分辨率高:DDS的最小频率步进量就是它的最低输出频率，即

只要累加器有足够的字长，就能实现非常精密的分辨率。例如可以实现Hz、mHz甚至于nHz的频率分辨率，这是传统的频率合成技术几乎不可能达到的频率分辨率。

(3)相位变化连续:DDS改变输出频率实际上改变的是每次的相位增量，即改变相位增长速度。当频率控制字改变后，它是在已有的积累相位上再继续累加，因此相位函数的曲线是连续的，只是在改变频率的瞬间改变了其斜率，因而保持了输出信号相位的连续性。这在很多相位要求严格的领域显得十分重要。

(4)具有低相位噪声和低漂移:DDS系统中合成信号的频率稳定度直接由参考源的频率稳定度决定，合成信号的相位噪声与参考源的相位噪声相同。在大多数DDS系统应用中，一般由固定的晶振来产生基准频率，所以其具有极好的相位噪声和漂移特性。

1.2实现DDS的技术方案分析

DDS的技术实现方案包括如下3种:

方案1采用分立IC电路系统实现。

一般由CPU、RAM、ROM、D/A、CPLD、模拟滤波器等组成。它的缺点是要通过分别搭建各个环节的电路来实现，给设计和实现带来很多不便。

方案2采用FPAG器件实现DDS技术。

采用FPGA器件，将某一标准正弦信号经过高速采样后送到外部存储器中储存，然后用一个计数器产生地址读出存储器中的数据后送到D/A转换器件中输出，通过改变计数器的参数来改变地址信号。此方案的输出波形受时钟影响较大，且不易于控制步进和进行功能扩展。

方案3采用高性能DDS专用芯片。

目前性能优良的DDS芯片不断推出，主要包括AD、Qualcomm和Stanford等公司生产的DDS单片电路。其中美国AD公司推出DDS系列产品以其较高的性能价格比，取得了广泛的应用。综合考虑各通道信号相干要求、模拟输出频率、频率分辨率、信号调制模式、DAC分辨率以及成本后，在设计中采用AD公司的AD9910芯片来实现所需功能。

1.3AD9910功能［12］

AD9910集成了14 bit的DAC，支持高达1GPS的采样率，输出有效信号最高频率为400 MHz，频率分辨率为0.23 Hz，在显著降低了功耗的同时拥有出色的SFDR(无杂散动态范围)和相位噪声性能。图1为该芯片的主要结构框图，除了简单的单频模式(Single Tone)，AD9910还可通过RAM调制、数字斜坡调制(DRG)、并行数据端口调制等多种模式编程对输出信号的频率、相位和幅度分别进行控制，从而可以生成各种所需的调制信号，非常适合于复杂雷达波形生成等应用。

图1　AD9910功能结构示意图

2　电路分析与设计

2.1系统整体结构分析

研究中为实现中频信号源的多通道精确控制，在各个关键环节为达到控制要求均采用了高性能芯片以及可靠有效的设计，确保了整个系统多通道信号的可控性。

系统信号生成的核心芯片采用了DDS专用芯片AD9910，它的主要功能是在完成参数配置后经时钟信号的驱动，根据FPGA所设定寄存器参数产生所需的信号样式。

研究中为实现整个系统多通道信号的精确控制，系统采用了三片AD9516－4时钟芯片构成可控时钟信号模块为全局芯片提供可靠有效的时钟信号，确保各通道信号产生的可控性。

在设计中为了确保信号源与上位机数据交互的通畅与便捷，采用CPCI总线来实现数据通信，其中采用了PCI9656接口芯片来达到简化总线设计的目的。

在信号源系统主控逻辑单元FPGA的选择上，选择XILINX公司推出的XC5VLX50－FF1153这款芯片，它的主要功能为对全局硬件资源的调度与掌控以及对DDS芯片进行复杂的参数配置。

同时，为了提高DDS输出信号品质，在DDS信号输出端设计了截止频率为400 MHz的低通滤波器，确保输出信号高频杂波的滤除。

此外，为增加系统开发的灵活性，设计了开发难度较小的USB接口电路。设计中将USB芯片的地址线、数据线及控制线与FPGA相连，充分利用FPGA可编程的特点实现USB对AD9910的配置。图2为多路可控中频信号源的整体结构图。

图2　多路可控中频信号源整体结构图

2.2多通道可控电路分析

在信号拼接技术中，最难实现及最关键的技术是实现各通道信号在幅度、相位、频率上的精确控制。其中，幅值与频率的精确控制主要依靠FPGA寄存器参数的配置与DDS的协同来实现，而相位的精确控制需要时钟信号的配合。在中频信号源电路设计中，通过可控时钟芯片模块产生精确时钟信号与AD9910同步功能相配合来完成多路信号相位的精确控制。

在所有情况中，实现多通道同步在一定程度上是检验多通道可控性的最佳指标。采用的AD9910能够通过同步发生器与同步接收器配合工作，使得多器件进入时钟状态匹配，在时钟状态匹配且状态转换同步的条件下，就可以实现多器件的相位同步。图3为所设计的多路可控中频信号源同步电路的示意图。

同步多个AD9910有3项基本要求:一是要求提供完全一致的参考时钟(REF CLK)信号;二是要求对准所有4片AD9910的SYNC_CLK信号上升沿;三是要求4片AD9910的IO_UPDATE信号完全一致。在设计中采用了三片时钟芯片AD9516－4，分别用以实现同步AD9910的3个要求［12，14］。

时钟芯片1提供AD9910的参考时钟(REF CLK)。利用一个外部晶振和内部PLL工作，将相位对准的1 GHz参考时钟分配给4片AD9910芯片，为各DDS芯片提供完全一致的参考时钟。

时钟芯片2用以向所有4片AD9910分配相位对准的SYNC_IN信号。为使SYNC_CLK上升沿相位对准，将一个AD9910设置为主器件，将其他DDS设置为从器件。主器件的SYNC_OUT为AD9516－4的参考输入信号，由其缓冲并分配给所有AD9910作为SYNC_IN信号，其中SYNC_IN信号必须满足各器件系统时钟的内部设置与保持时间要求。AD9910还能够延迟主器件的SYNC_OUT，以便达到这一时序要求。为了提高灵活性，各器件的内部SYNC_IN路径均可独立延迟。

时钟芯片3用以提供相位一致的IO_UPDATE。IO_UPDATE必须满足SYNC_CLK的设置与保持时间要求。此外，为达到在信号拼接时任意调节4路信号的相位差值目的，以便提高拼接信号质量，在设计中采用AD9516－4中具有精确时间延迟调整的6号～9号通道。在实现4路完全同步的基础上，根据生成信号的频率、时钟频率，按要求调节3个时钟芯片的4路可控延迟通道，即可达到任意精确调整4路AD9910产生信号相位的目的。

图3　多路可控中频信号源同步电路

3　实物验证与分析

在主控芯片FPGA的控制下，将控制字送入9910控制字寄存器，经时钟信号的驱动芯片将按照相应控制字产生特定的波形。图4为单通道产生的波形图，图5展示各通道同步后幅值一致的效果，图6展示各通道同步后频率与相位一致的效果。

由于在PCB设计布线过程中难以保证所有时钟通道产生的延迟均相同，因此通过设定相同的初始相位来实现AD9910同步，是不符合实际情况的。故在现有测量计算工具不足的情况下在调试过程中需依靠示波器显示实际波形，并根据实际波形来不断设定各通道的时间延迟值以便达到4个通道同步工作。

图4　单通道产生波形图

图5　4通道产生同步波形图

图6　4通道产生同步波形图

4　结语

通过设计合理的同步电路，以及示波器的补偿调节，实现了4路AD9910信号发生通道的精确控制，使得各通道产生的波形在幅度、相位、频率以及时间上均精确可控，为下一步实现信号拼接，扩展现有器件输出信号瞬时频率，生成满足高分辨率雷达信号提供了有效的技术支持。

参考文献:

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［13］Analog Devices.AD9910/PCBZ Datasheet［R］.2008.

［14］Analog Devices.AD9516－4 Datasheet［R］.2013.

喻　勇(1990－)，男，汉族，四川成都人，第二炮兵工程大学，在读硕士生，主要研究方向为电磁环境效应测试与控制，yuyongep@163.com;

姚志成(1975－)，男，汉族，湖南邵阳人，第二炮兵工程大学，副教授、硕士生导师，主要研究方向为系统可靠性与电磁环境控制，信号检测与估计等，yzc303@163.com。

System Design of Real-Time Localization Radio Beacon in Dynamic Environment

CAO Aoxiang1，2，ZHANG Huixin1，2，LIU Wenyi1，2*
(1.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China;
2.Education Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory，Taiyuan 030051，China)

Abstract:Proposed a real-time locating system solution about recycling the recorder carried on rocket under dynamic environment.The search network is consisted by the beacon transmitter along with the falling recorder，the unmanned aerial vehicle in the sky and ground receiving equipment，which can achieve real-time location information of the recorder.Through the experiment，the positioning information of the recorder at a time in the air are latitude 39°04.182 64，longitude 111°44.721 32，altitude 1411.1 m; After landing position information:latitude 39°04.165 00，longitude 111°44.730 90，altitude 1 333.0 m.The result show the whereabouts trace of the recorder is drew according to the real-time position information，seeking to quick back.

Key words:circuit design; real-time localization; beacon; GPS; unmanned aerial vehicle

doi:EEACC:6210; 722610.3969/j.issn.1005－9490.2015.04.029

收稿日期:2014－10－15修改日期:2014－11－09

中图分类号:TN47

文献标识码:A

文章编号:1005－9490(2015)04－0853－05

项目来源:军内科研项目