數字波束合成中AD9910的應用與研究

李臻立韓志韌楊春蘭

（1.哈爾濱工程大學，黑龍江 哈爾濱 150001；2.中船重工集團 第722研究所，湖北 武漢 430074）

1.引言

目前相控陣天線技術在艦船雷達、通信系統中的應用已較為普遍，數字多波束相控陣天線通過數字技術，在同一個天線口徑上，可以同時在空間合成多個波束，可以實現跟蹤多個通信目標。特別是信號空間抗干擾以及抗信道衰落需要，采用陣列天線，尤其是基于DBF的方法相控陣天線的使用，使得天線波束形成更具靈活性，也使得系統具備了自適應能力，能夠較好地實現空域濾波和自適應抗干擾。

2.d9910在相控陣天線中的應用及介紹

系統的核心技術是基于DDS的自適應數字波束合成技術,其主要特征在于:利用DDS技術完成了信號產生、頻率源和幅相控制的一體化實現,其控制組件的輸入、輸出信息都是數字化的,而所有組件的同步則是靠施加于每一組件的一公用的時鐘來實現的。利用 DDS技術完成發射波束形成所必需的幅度和相位加權及波形產生和上變頻所必需的本振信號?；?DDS的相控陣天線電路原理如下:

圖1.基于DDS的相控陣天線原理圖

DDS有著很多適合在發射端的優點，其中最重要的一點就是它的幅度相位極容易控制，因此有利于在發射波束形成中各路的移相操作，這兩點都有利于波束形成中的加權操作。DDS的工作建立在DSP運算的基礎上的，它首先根據相應的波束形成算法運算得出相應的權值，DSP再通過接口將數據傳給DDS控制邏輯，控制邏輯再將相應的權值寫入DDS的控制寄存器從而形成波束控制。DDS波形產生的過程如圖2所示。

圖2.DDS的工作原理

在我們的發射DBF實驗系統中，波束幅相控制部分采用的是AD9910的DDS芯片，AD9910是一款采用ADI公司的DDS專利技術的直接數字頻率合成器（DDS）芯片，它集成了14位數/模轉換器（DAC），可以形成數字可編程、高頻模擬輸出的頻率合成器，能夠產生頻率高達400MHz的正弦波形。用戶可以訪問三個用于控制DDS的信號控制參數：頻率、相位和幅度。這款DDS使用32位累加器，可提供快速調頻和頻率調節分辨率。其采樣率為1GSPS，調節分辨率為0.23Hz。該DDS也支持快速的相位和幅度切換，具有PLLREFCLK乘法器。

3.用TMS320C54x對ad9910控制

3.1.件電路設計

TMS320C54x是TI公司為實現低功耗、高速實時信號處理而專門設計的16位定點數字信號處理，采用改進的哈佛結構，具有高度的操作靈活性和運行速度，適用于遠程通信等實時嵌入式應用的需要，現已廣泛地應用于無線電通信系統中。

TMS320C54x具有的主要優點有：1.圍繞1組程序總線、3組數據總線和4組地址總線而建立的改進哈佛結構，提高了系統的多功能性和靈活性。2.具有高度并行性和專用硬件邏輯的CPU設計，提高了芯片的性能。3.具有完善的尋址方式和高度專業化指令系統，更適用于快速算法實現和高級語言編程的優化。4.模塊化結構設計，使派生器件的到了更快的發展。5.才有先進的 IC制造工藝，降低了芯片的功耗，提高了芯片的性能。6.采用先進的靜態設計技術，進一步降低了功耗，使芯片具有更強的應用能力。

控制接口電路本文設計是利用DSP5416對DDS芯片的串口控制寄存器直接進行送數以及對相關管腳的配置來實現對該DDS芯片的控制。AD9910在串行通信模式下的對芯片管腳關系如圖3所示，在片選信號cs低電平時開始對串口寄存器進行讀寫操作。指令周期中的8位數據的第一位為讀寫控制位，后7位表示為寄存器地址。數據周期緊接指令周期之后，送完數據后再將片選信號置位。注意，輸入的數據暫時存在寄存器的緩存器中，還需要IO—UPDATA(59腳)上跳沿脈沖觸發后才有效。同時，在設置IO—UPDATA時確保脈寬大于一個周期的內部信號SYNC—CLK。

圖3.TMS320VC5416與AD9910的連接

3.2.件設計

AD9910DDS器件有單音頻模式、頻率掃描模式和完全睡眠模式三種工作模式。RF部分的功能模塊（PFD、CP、混頻器）能夠被激活或者進入低功耗模式。

在單音頻模式下，器件產生一個單一的輸出頻率。輸出頻率將通過一個裝入在內部寄存器中的32位的控制字（頻率調諧字FTW,Frequency Tuning Word）來設置。輸出頻率能夠根據需要而改變，并且迅速跳頻完成，僅需要更新相應的寄存器控制字所需時間。甚至，如果需要更快的跳頻，4個預置可用的結構形式可以通過外部的片選信號，在已存儲的4個頻率值之間更快速的跳頻，省去了由于乘法寄存器經由I／O端口的運行時間。頻率掃描模式允許自動完成大部分的頻率掃描任務，通過I／O通道操作多個寄存器，可以實現線性和其他頻率掃描。無論器件在哪種模式下運行，頻率變化相位都是連續的。

將用戶的數據傳輸至DDS核心，要經過兩個步驟。通過寫操作，用戶先通過并行端口（包括地址及數據）或串行模式（地址和數據結合為一個串行字）將數據資料寫入I／O緩沖器。不管采用什么方法將數據輸入到I／O緩沖器，在數據從I／O緩沖器存入存儲器之前，DDS核心不能夠存取數據。切換FUD引腳或改變預置可用的結構形式選擇引腳端，都將使I／O內存單元更新的數據進入DDS核心的寄存器存儲器單元。系統軟件設計流程說明框圖如下：

圖4.系統程序流程圖

4.驗結果與算法仿真

仿真實驗：在均勻八單元線陣中，陣元間距為半波長，期望信號方位角分別為25，干擾信號來向為45，50。SNR均為10dB，INR均為一10dB，快拍數1024。本文設計的相控陣數字波束合成發射系統，其特性在實驗上得到了證明。

5結束語

在數字波束形成中，以DDS為核心的全數字T/R組件不僅滿足系統的數字移相功能，而且完全代替了原來的數控移相器、不等功率分配器和電調衰減器部分，并且顯示出強大的優越性。隨著數字技術的不斷發展，DDS信號源的采樣工作頻率將越來進越高，將在通信領域中發揮更大的作用。

[1]Analog Devices AD9910 datasheet[Z].2007．

[2]Analog Devices AD99 10 Preliminary Technical Da.Ta[Z].2007．

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