喻　勇，姚志成，楊　劍，席建祥(第二炮兵工程大學控制工程系，西安710025)

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基于DDS的多路可控中頻信號源設計*

喻勇，姚志成*，楊劍，席建祥
(第二炮兵工程大學控制工程系，西安710025)

摘要:針對多路信號拼接技術中多路信號在相位、頻率及幅值上均需達到精確可控的要求，在完成可控時鐘信號模塊設計的基礎上，結合AD9910具有多芯片協(xié)同工作的功能，提出了一種能夠?qū)崿F(xiàn)最高頻率可達400 MHz的多通道可控的中頻信號源設計方案。測試結果表明多通道可控中頻信號源達到了多路同步的苛刻要求，這為多路窄帶信號拼接為單路寬帶信號打下了堅實基礎，提供了技術上與硬件上的支持。

關鍵詞:信號發(fā)生器;多通道可控; DDS技術; AD9910

現(xiàn)代雷達不僅要完成對目標位置、速度等信息的提取，而且要對目標進行成像分析和識別，因此要求雷達發(fā)射信號具有大帶寬，從而獲得很高的距離分辨力以激勵出目標的細節(jié)特征。故設計能夠產(chǎn)生大瞬時帶寬的雷達信號發(fā)生器成為一個十分關鍵且具有重大意義的問題［2］。

在信號生成技術領域，直接數(shù)字頻率合成技術(DDS)由于具有優(yōu)良的相位、頻率分辨力以及轉換時間短等突出優(yōu)點，已經(jīng)在許多場合替代傳統(tǒng)的直接頻率合成技術(DS)與鎖相頻率合成技術(PLL)。在使用DDS芯片生成雷達信號時，大部分設計人員紛紛采用提高使用芯片時鐘頻率的辦法，來達到拓寬雷達信號瞬時帶寬的目的。然而，受電路工藝和速度的限制，單片DDS電路產(chǎn)生的信號帶寬極為有限，難以滿足現(xiàn)代高分辨率雷達對帶寬的需求。同時，通過采用高性能器件的方法來拓寬輸出瞬時帶寬還會大大增加產(chǎn)品成本［1，3－5］。

因此，如何利用現(xiàn)有常規(guī)器件，生成大瞬時帶寬信號成為一個值得探究的問題。信號拼接技術是利用多路窄帶信號拼接為單路寬帶信號的技術，能夠有效解決單片DDS電路輸出帶寬較窄的問題。在信號拼接過程中，需要多路在頻率、相位與幅值上均可精確控制的信號，因此設計出能夠?qū)崿F(xiàn)各通道參數(shù)精確控制的中頻信號源成為一個關鍵問題。

結合DDS芯片AD9910具有同步協(xié)同工作的功能，設計了一套多通道可控中頻信號源，旨在解決信號拼接過程中各通道信號需精確控制的問題。

1　基本原理分析

1.1DDS技術特點［9－10］

DDS技術之所以具有如此廣闊的發(fā)展應用前景，與其技術特點是分不開的。與直接式頻率合成、鎖相頻率合成技術相比，直接數(shù)字頻率合成具有下述優(yōu)點。

(1)頻率切換時間短:DDS的頻率轉換可以近似認為是即時的，因為它的相位序列在時間上是離散的，在改變頻率控制字K以后，只要經(jīng)一個時鐘周期之后就能按照新的相位增量累加，所以它的頻率轉換時間就是頻率控制字的傳輸時間，即一個時鐘周期Tc=1/fclk。例如fclk= 10 MHz時轉換時間為100 ns，當時鐘頻率進一步提高時，轉換時間將會更短。目前，集成DDS產(chǎn)品的頻率轉換時間可達10 ns的量級，目前常用的鎖相頻率合成技術無法做到的這點。

(2)頻率分辨率高:DDS的最小頻率步進量就是它的最低輸出頻率，即

只要累加器有足夠的字長，就能實現(xiàn)非常精密的分辨率。例如可以實現(xiàn)Hz、mHz甚至于nHz的頻率分辨率，這是傳統(tǒng)的頻率合成技術幾乎不可能達到的頻率分辨率。

(3)相位變化連續(xù):DDS改變輸出頻率實際上改變的是每次的相位增量，即改變相位增長速度。當頻率控制字改變后，它是在已有的積累相位上再繼續(xù)累加，因此相位函數(shù)的曲線是連續(xù)的，只是在改變頻率的瞬間改變了其斜率，因而保持了輸出信號相位的連續(xù)性。這在很多相位要求嚴格的領域顯得十分重要。

(4)具有低相位噪聲和低漂移:DDS系統(tǒng)中合成信號的頻率穩(wěn)定度直接由參考源的頻率穩(wěn)定度決定，合成信號的相位噪聲與參考源的相位噪聲相同。在大多數(shù)DDS系統(tǒng)應用中，一般由固定的晶振來產(chǎn)生基準頻率，所以其具有極好的相位噪聲和漂移特性。

1.2實現(xiàn)DDS的技術方案分析

DDS的技術實現(xiàn)方案包括如下3種:

方案1采用分立IC電路系統(tǒng)實現(xiàn)。

一般由CPU、RAM、ROM、D/A、CPLD、模擬濾波器等組成。它的缺點是要通過分別搭建各個環(huán)節(jié)的電路來實現(xiàn)，給設計和實現(xiàn)帶來很多不便。

方案2采用FPAG器件實現(xiàn)DDS技術。

采用FPGA器件，將某一標準正弦信號經(jīng)過高速采樣后送到外部存儲器中儲存，然后用一個計數(shù)器產(chǎn)生地址讀出存儲器中的數(shù)據(jù)后送到D/A轉換器件中輸出，通過改變計數(shù)器的參數(shù)來改變地址信號。此方案的輸出波形受時鐘影響較大，且不易于控制步進和進行功能擴展。

方案3采用高性能DDS專用芯片。

目前性能優(yōu)良的DDS芯片不斷推出，主要包括AD、Qualcomm和Stanford等公司生產(chǎn)的DDS單片電路。其中美國AD公司推出DDS系列產(chǎn)品以其較高的性能價格比，取得了廣泛的應用。綜合考慮各通道信號相干要求、模擬輸出頻率、頻率分辨率、信號調(diào)制模式、DAC分辨率以及成本后，在設計中采用AD公司的AD9910芯片來實現(xiàn)所需功能。

1.3AD9910功能［12］

AD9910集成了14 bit的DAC，支持高達1GPS的采樣率，輸出有效信號最高頻率為400 MHz，頻率分辨率為0.23 Hz，在顯著降低了功耗的同時擁有出色的SFDR(無雜散動態(tài)范圍)和相位噪聲性能。圖1為該芯片的主要結構框圖，除了簡單的單頻模式(Single Tone)，AD9910還可通過RAM調(diào)制、數(shù)字斜坡調(diào)制(DRG)、并行數(shù)據(jù)端口調(diào)制等多種模式編程對輸出信號的頻率、相位和幅度分別進行控制，從而可以生成各種所需的調(diào)制信號，非常適合于復雜雷達波形生成等應用。

圖1　AD9910功能結構示意圖

2　電路分析與設計

2.1系統(tǒng)整體結構分析

研究中為實現(xiàn)中頻信號源的多通道精確控制，在各個關鍵環(huán)節(jié)為達到控制要求均采用了高性能芯片以及可靠有效的設計，確保了整個系統(tǒng)多通道信號的可控性。

系統(tǒng)信號生成的核心芯片采用了DDS專用芯片AD9910，它的主要功能是在完成參數(shù)配置后經(jīng)時鐘信號的驅(qū)動，根據(jù)FPGA所設定寄存器參數(shù)產(chǎn)生所需的信號樣式。

研究中為實現(xiàn)整個系統(tǒng)多通道信號的精確控制，系統(tǒng)采用了三片AD9516－4時鐘芯片構成可控時鐘信號模塊為全局芯片提供可靠有效的時鐘信號，確保各通道信號產(chǎn)生的可控性。

在設計中為了確保信號源與上位機數(shù)據(jù)交互的通暢與便捷，采用CPCI總線來實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，其中采用了PCI9656接口芯片來達到簡化總線設計的目的。

在信號源系統(tǒng)主控邏輯單元FPGA的選擇上，選擇XILINX公司推出的XC5VLX50－FF1153這款芯片，它的主要功能為對全局硬件資源的調(diào)度與掌控以及對DDS芯片進行復雜的參數(shù)配置。

同時，為了提高DDS輸出信號品質(zhì)，在DDS信號輸出端設計了截止頻率為400 MHz的低通濾波器，確保輸出信號高頻雜波的濾除。

此外，為增加系統(tǒng)開發(fā)的靈活性，設計了開發(fā)難度較小的USB接口電路。設計中將USB芯片的地址線、數(shù)據(jù)線及控制線與FPGA相連，充分利用FPGA可編程的特點實現(xiàn)USB對AD9910的配置。圖2為多路可控中頻信號源的整體結構圖。

圖2　多路可控中頻信號源整體結構圖

2.2多通道可控電路分析

在信號拼接技術中，最難實現(xiàn)及最關鍵的技術是實現(xiàn)各通道信號在幅度、相位、頻率上的精確控制。其中，幅值與頻率的精確控制主要依靠FPGA寄存器參數(shù)的配置與DDS的協(xié)同來實現(xiàn)，而相位的精確控制需要時鐘信號的配合。在中頻信號源電路設計中，通過可控時鐘芯片模塊產(chǎn)生精確時鐘信號與AD9910同步功能相配合來完成多路信號相位的精確控制。

在所有情況中，實現(xiàn)多通道同步在一定程度上是檢驗多通道可控性的最佳指標。采用的AD9910能夠通過同步發(fā)生器與同步接收器配合工作，使得多器件進入時鐘狀態(tài)匹配，在時鐘狀態(tài)匹配且狀態(tài)轉換同步的條件下，就可以實現(xiàn)多器件的相位同步。圖3為所設計的多路可控中頻信號源同步電路的示意圖。

同步多個AD9910有3項基本要求:一是要求提供完全一致的參考時鐘(REF CLK)信號;二是要求對準所有4片AD9910的SYNC_CLK信號上升沿;三是要求4片AD9910的IO_UPDATE信號完全一致。在設計中采用了三片時鐘芯片AD9516－4，分別用以實現(xiàn)同步AD9910的3個要求［12，14］。

時鐘芯片1提供AD9910的參考時鐘(REF CLK)。利用一個外部晶振和內(nèi)部PLL工作，將相位對準的1 GHz參考時鐘分配給4片AD9910芯片，為各DDS芯片提供完全一致的參考時鐘。

時鐘芯片2用以向所有4片AD9910分配相位對準的SYNC_IN信號。為使SYNC_CLK上升沿相位對準，將一個AD9910設置為主器件，將其他DDS設置為從器件。主器件的SYNC_OUT為AD9516－4的參考輸入信號，由其緩沖并分配給所有AD9910作為SYNC_IN信號，其中SYNC_IN信號必須滿足各器件系統(tǒng)時鐘的內(nèi)部設置與保持時間要求。AD9910還能夠延遲主器件的SYNC_OUT，以便達到這一時序要求。為了提高靈活性，各器件的內(nèi)部SYNC_IN路徑均可獨立延遲。

時鐘芯片3用以提供相位一致的IO_UPDATE。IO_UPDATE必須滿足SYNC_CLK的設置與保持時間要求。此外，為達到在信號拼接時任意調(diào)節(jié)4路信號的相位差值目的，以便提高拼接信號質(zhì)量，在設計中采用AD9516－4中具有精確時間延遲調(diào)整的6號～9號通道。在實現(xiàn)4路完全同步的基礎上，根據(jù)生成信號的頻率、時鐘頻率，按要求調(diào)節(jié)3個時鐘芯片的4路可控延遲通道，即可達到任意精確調(diào)整4路AD9910產(chǎn)生信號相位的目的。

圖3　多路可控中頻信號源同步電路

3　實物驗證與分析

在主控芯片F(xiàn)PGA的控制下，將控制字送入9910控制字寄存器，經(jīng)時鐘信號的驅(qū)動芯片將按照相應控制字產(chǎn)生特定的波形。圖4為單通道產(chǎn)生的波形圖，圖5展示各通道同步后幅值一致的效果，圖6展示各通道同步后頻率與相位一致的效果。

由于在PCB設計布線過程中難以保證所有時鐘通道產(chǎn)生的延遲均相同，因此通過設定相同的初始相位來實現(xiàn)AD9910同步，是不符合實際情況的。故在現(xiàn)有測量計算工具不足的情況下在調(diào)試過程中需依靠示波器顯示實際波形，并根據(jù)實際波形來不斷設定各通道的時間延遲值以便達到4個通道同步工作。

圖4　單通道產(chǎn)生波形圖

圖5　4通道產(chǎn)生同步波形圖

圖6　4通道產(chǎn)生同步波形圖

4　結語

通過設計合理的同步電路，以及示波器的補償調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了4路AD9910信號發(fā)生通道的精確控制，使得各通道產(chǎn)生的波形在幅度、相位、頻率以及時間上均精確可控，為下一步實現(xiàn)信號拼接，擴展現(xiàn)有器件輸出信號瞬時頻率，生成滿足高分辨率雷達信號提供了有效的技術支持。

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喻　勇(1990－)，男，漢族，四川成都人，第二炮兵工程大學，在讀碩士生，主要研究方向為電磁環(huán)境效應測試與控制，yuyongep@163.com;

姚志成(1975－)，男，漢族，湖南邵陽人，第二炮兵工程大學，副教授、碩士生導師，主要研究方向為系統(tǒng)可靠性與電磁環(huán)境控制，信號檢測與估計等，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

中圖分類號:TN47

文獻標識碼:A

文章編號:1005－9490(2015)04－0853－05

項目來源:軍內(nèi)科研項目