劉明成，郭建敏，古悅悅

（天津師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，天津300387）

直接數(shù)字頻率合成（Direct Digital Synthesis，DDS）技術(shù)是20世紀(jì)70年代提出的一種采用全數(shù)字技術(shù)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?jǐn)?shù)－N鎖相環(huán)（Fractonar－N Phase Lock Loop，F(xiàn)NPLL）合成和PSG單環(huán)路合成技術(shù)相比，DDS技術(shù)具有頻率切換時(shí)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(diǎn)[1].因此，目前許多設(shè)備和系統(tǒng)都采用此技術(shù)，特別是在現(xiàn)代民用無(wú)線通信系統(tǒng)、雷達(dá)及現(xiàn)代化儀器儀表等多個(gè)領(lǐng)域中，作為通信系統(tǒng)中必不可少的信號(hào)發(fā)生器越來(lái)越多地采用了該技術(shù).

由美國(guó)AD公司生產(chǎn)的AD9954是一種采用先進(jìn)DDS技術(shù)的高集成度頻率合成器，它內(nèi)置高速D／A轉(zhuǎn)換器和超高速比較器，可作為數(shù)字編程控制的頻率合成器[2]，產(chǎn)生約200MHz的模擬正弦波.AD9954內(nèi)含1 024×32靜態(tài)RAM（SRAM），利用該RAM可實(shí)現(xiàn)高速調(diào)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(guò)AD9954的串行I／O口輸入控制字實(shí)現(xiàn)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(yīng)用于數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中.以AD9954為核心，輔以單片機(jī)為控制器可以設(shè)計(jì)出容易擴(kuò)展、穩(wěn)定性好的信號(hào)平臺(tái)，以DDS技術(shù)為背景的信號(hào)源電路必將逐步成為新一代信號(hào)源的主流.本研究基于AD9954，給出多模式信號(hào)源的硬件實(shí)現(xiàn)電路和幾種模式的具體調(diào)制信號(hào).

1 硬件電路設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)應(yīng)用ATMEL公司研發(fā)的精簡(jiǎn)指令集計(jì) 算 機(jī) （Reduced Instruction Set Computer，RISC）的高速8位單片機(jī)ATmega16L對(duì)AD9954進(jìn)行控制，如圖1所示.AD9954的數(shù)據(jù)輸入方式是串行數(shù)據(jù)傳送方式，即在電路設(shè)計(jì)中，采用串行數(shù)據(jù)傳輸方式將各種控制字（數(shù)據(jù)）輸送到AD9954的內(nèi)部控制寄存器.

圖1 ATmega16L控制AD9954的電路設(shè)計(jì)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(shù)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(shù)據(jù)信號(hào)傳輸需要通過(guò)SN54LVTH162245進(jìn)行信號(hào)電平的轉(zhuǎn)換[3].AD9954的數(shù)據(jù)輸入端口可接收3.3V的電平信號(hào)，所以串口的幾個(gè)引腳可用ATmega16L直接控制.

2 單音模式的實(shí)現(xiàn)

AD9954上電復(fù)位（RESET引腳置高電平1）后的默認(rèn)模式為單音模式，在單音模式中正弦波的實(shí)現(xiàn)是在上電復(fù)位后，通過(guò)設(shè)置AD9954中CFR2（串行地址OX01）寄存器的參考時(shí)鐘倍頻數(shù)字來(lái)設(shè)定內(nèi)部時(shí)鐘頻率，通過(guò)設(shè)置FTW0（串行地址OX04）的32位頻率控制字實(shí)現(xiàn)波形頻率值的設(shè)定[4]，通過(guò)設(shè)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(shí)現(xiàn)波形的幅值控制，波形的頻率可利用式（1）計(jì)算得到[3].

式（1）中：M為頻率控制字的位數(shù)；fM為 頻率控制字的值；fc為AD9954內(nèi)部工作時(shí)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(hào)Fig.2 Sine signal of AD9954

3 AD9954幾種調(diào)制信號(hào)的實(shí)現(xiàn)

調(diào)制信號(hào)對(duì)干擾具有較強(qiáng)的抵抗作用，對(duì)相鄰信道的信號(hào)干擾也較小，具有解調(diào)方便和易于集成等優(yōu)點(diǎn)，因此數(shù)字調(diào)制信號(hào)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代通信設(shè)備和科研教學(xué)儀器中.

3.1 AD9954掃頻信號(hào)的實(shí)現(xiàn)

AD9954線性掃頻模式的實(shí)現(xiàn)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(gè)寄存器中設(shè)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(gè)寄存器中設(shè)置相應(yīng)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(wú)駐留位）可根據(jù)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(shí)得到的掃頻模式波形圖.

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

3.2 AD9954頻移鍵控（Frequency Shift Keying，F(xiàn)SK）信號(hào)的實(shí)現(xiàn)

在AD9954的隨機(jī)存儲(chǔ)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(gè)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(zhuǎn)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(guò)寄存器目標(biāo)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(shí)，將CFR＜30＞置0，4個(gè)RSCW寄存器（串行地址OX07－0A）中設(shè)置相應(yīng)的SRAM（串行地址OX0B）的開(kāi)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(duì)應(yīng)的寄存器單元中設(shè)置相應(yīng)的頻率值.圖4和圖5是RSCW＜5、6、7＞置000（直接轉(zhuǎn)換模式）時(shí)，2種FSK模式信號(hào)波形，其中圖4是CFR＜29、28、27＞設(shè)置為001時(shí)FSK模式信號(hào)的波形.

圖4 AD9954的FSK信號(hào)Fig.4 FSK signal of AD9954

圖5 是CFR＜29、28、27）設(shè)置為110時(shí)，4－tone FSK模式信號(hào)的波形.

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

3.3 AD9954相移鍵控（Phase Shift Keying，PSK）信號(hào)的實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)AD9954相移鍵控信號(hào)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(shè)置為相位偏移加法器，4個(gè)RSCW寄存器中的RSCW＜5、6、7＞置000，相應(yīng)寄存器片段（RSCW）中開(kāi)始地址、終止地址和地址變化速率的設(shè)置與FSK模式大致相同，但要注意相應(yīng)SRAM地址中內(nèi)容儲(chǔ)存的是14位相位數(shù)值，即＜31、18＞位有效，其余位無(wú)效，波形的相位可由式（2）計(jì)算獲得[8].

式（2）中：N為相位控制字的位數(shù)，F(xiàn)N為相位控制字的值；圖6是CFR＜29、28、27＞設(shè)置為001時(shí)雙相相移鍵控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）模式信號(hào)的波形.

圖6 AD9954的BPSK信號(hào)Fig.6 BPSK signal of AD9954

圖7 是CFR＜29、28、27＞設(shè)置為110時(shí)四相相移鍵控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）模式信號(hào)的波形.

圖7 AD9954的QPSK信號(hào)Fig.7 QPSK signal of AD9954

4 結(jié)論

本研究利用ATmega16L對(duì)AD9954進(jìn)行控制，構(gòu)建硬件實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，利用AD9954可編程幅度、頻率和相位的特點(diǎn)，結(jié)合相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件和控制軟件，給出AD9954在高速調(diào)制信號(hào)系統(tǒng)中的應(yīng)用方案.本設(shè)計(jì)信號(hào)源電路可以方便容易地獲得調(diào)幅、掃頻、FSK、PSK和跳頻等多種調(diào)制信號(hào)，可廣泛應(yīng)用于數(shù)字頻率捷變、可編程時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器、衛(wèi)星通信、雷達(dá)、測(cè)試和測(cè)量?jī)x器儀表中，尤其適用于雷達(dá)線性調(diào)頻信號(hào)源和自動(dòng)雷達(dá)掃描系統(tǒng).與傳統(tǒng)方法相比，多模式信號(hào)源電路更適應(yīng)當(dāng)前科學(xué)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，具有顯著的優(yōu)點(diǎn)和良好的應(yīng)用價(jià)值.

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