基于AD9912鏡像頻率的應(yīng)用

易龍飛，文繼國

（成都信息工程學(xué)院 電子工程學(xué)院，四川 雙流 610225）

直接數(shù)字頻率合成即DDS（Direct Digital Synthesis），它將先進(jìn)的數(shù)字信號處理方法引入了信號合成領(lǐng)域理論，實現(xiàn)了合成信號的頻率轉(zhuǎn)換速度與頻率準(zhǔn)確度之間的統(tǒng)一。DDS技術(shù)具有輸出頻率、相位和幅度能夠在數(shù)字處理器的控制下精確而快速的變換以及能進(jìn)行極微小的頻率調(diào)諧和在兩個頻率間“跳躍”的特點，同時這種技術(shù)也具有極好的溫度、老化穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)換頻率保持相位恒定和小型可靠等優(yōu)點[1]。因此DDS技術(shù)是公認(rèn)的產(chǎn)生頻率的理想方法，是頻率合成的第三代方案。八十年代以來各國都在研制和發(fā)展各自的DDS產(chǎn)品，如美國QUALCOMM公司的Q233x；STANFORD 公 司 的 STEL-1175，STEL-1180；AD 公 司 的AD7008，AD985x等。

近年來隨著理論的不斷完善和集成工藝的發(fā)展，DDS技術(shù)已被廣泛的應(yīng)用于雷達(dá)、航空航天和通信系統(tǒng)等高端系統(tǒng)中，與此同時DDS器件輸出頻率受限的缺點也被凸顯了出來。而這樣的缺點大大限制了DDS技術(shù)在UHF頻率合成上的應(yīng)用。因此設(shè)計一個合適的頻率合成方案來克服這樣的不足，是非常必要的。

1 頻率合成的基本原理

1.1 DDS設(shè)備的基本工作原理

直接數(shù)字頻率合成器是從相位概念出發(fā)根據(jù)不同的相位給出不同的電壓幅度，即相位-正弦幅度變換，最后濾波，輸出所需頻率信號[1]。DDS設(shè)備主要由相位累加器，波形存儲器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）構(gòu)成。在DDS設(shè)備工作時，相位累加器在參考時鐘頻率的控制下以預(yù)先設(shè)定好的頻率控制字作為步長進(jìn)行線性累加，得到相位碼對波形存儲器進(jìn)行尋址輸出幅度碼，由DAC轉(zhuǎn)換為階梯波再經(jīng)低通濾波器平滑后可以得到相應(yīng)的合成頻率信號。

1.2 鏡像頻率的產(chǎn)生原理

為方便分析，設(shè) DDS 芯片合成的信號頻率為 x（t）=sin（ωDDSt），該信號由正弦波離散采樣值的數(shù)字量經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換為階梯型的模擬波形信號xe（t），其轉(zhuǎn)換關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式[2-3]可以表示為：

式（1）中的第二項即為各次諧波的分量，其中am表示第m次諧波的幅度。通過采樣率為ωS理想采樣及理想數(shù)模轉(zhuǎn)換（零階保持的階梯重構(gòu)）后的信號頻譜Y（ω）可以表示成：

由式（2）可知，輸出的信號頻譜中除了包含設(shè)計頻率信號ωDDS及其諧波分量mωDDS，還存在著以采樣頻率為折疊頻率的設(shè)計頻率的鏡像頻率，以及設(shè)計頻率諧波的鏡像頻率等一系列鏡像頻率分量。本設(shè)計中主要利用的設(shè)計頻率的鏡像頻率分量ωm可由式（3）得出：

圖1 理想情況下DDS輸出頻譜圖Fig.1 Ideal DDS output spectrum

由于DDS設(shè)備的參考頻率ωS恒定，nωS可以看做一個常數(shù)，由式（3）可知DDS設(shè)備最終合成的鏡像頻率ωm與設(shè)計頻率ωDDS成1:1的線性關(guān)系，設(shè)計頻率變化量即為鏡像頻率的變化量，故可通過改變設(shè)計頻率來精確地控制鏡像頻率合成。

1.3 AD9912的UHF頻率合成原理

硬件系統(tǒng)采用AD公司最新的AD9912芯片作為直接數(shù)字頻率合成器，通過編程控制合成頻率為500 MHz的信號，并利用其鏡像頻率獲得了頻率為1 500 MHz的信號。實際操作中，通過對AD9912芯片內(nèi)部集成的一個48位的頻率控制字（FTW）寄存器賦值，為相位累加器提供了一個初始值，在每一個系統(tǒng)周期中，相位累加器都要把輸出值與FTW值累加一次，相位累加器輸出的數(shù)字量進(jìn)行相符轉(zhuǎn)換后，由14位DAC轉(zhuǎn)換為模擬信號，輸出所需正弦波。FTW與AD9912芯片輸出的設(shè)計頻率的關(guān)系表達(dá)式為：

為了合成鏡像頻率為1 500 MHz信號，由（3）式計算可知須首先合成500 MHz頻率，由式（4）計算可知，在參考頻率ωS=1 GHz的情況下合成ωDDS=500 MHz的設(shè)計頻率，只需設(shè)置 FTW=140737488355328（0x800000000000）。 最后采用帶通濾波器對輸出信號進(jìn)行選頻即可獲得1 500 MHz信號。

在一般的DDS應(yīng)用中，由于奈奎斯特采樣定理的限制，往往取參考頻率的40%作為設(shè)計頻率，并選用低通濾波器來濾除其它頻率雜散。由于本應(yīng)用中只需利用相應(yīng)設(shè)計頻率的UHF鏡像頻率，可以不考慮設(shè)計頻率信號的性能，故本硬件系統(tǒng)的合成頻率取參考時鐘頻率的一半500 MHz。在實際得出的頻譜圖中可以看到當(dāng)設(shè)計頻率為500 MHz的時候，存在鏡像頻率為1 500 MHz的信號。

圖2 AD9912輸出頻譜Fig.2 Spectrum of AD9912 output signal

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)硬件模塊主要包括：基于MSP430的單片機(jī)控制模塊，基于AD9912的直接數(shù)字頻率合成模塊，選頻模塊。在實際操作中，AD9912芯片輸出的合成信號頻譜中含有大量的雜散信號分量。其中主要雜散是設(shè)計頻率的諧波和其他不需要的鏡像頻率，這些頻率分量都可通過窄帶濾波的方式去除，但是由于系統(tǒng)的不完善和電源供電諧波的影響，會存在頻率靠近1 500 MHz鏡像頻率的雜散分量。這些雜散分量往往不能被濾波器濾除掉。為避免出現(xiàn)這樣的情況，將雜散抑制作為本硬件系統(tǒng)的重點設(shè)計內(nèi)容。

圖3 硬件系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Hardware system block diagram

2.1 AD9912及MSP430簡介

AD9912芯片是AD公司的一款具有1GSPS采樣率的DDS芯片。其內(nèi)部集成有一個14位數(shù)——模轉(zhuǎn)換器、低噪聲鎖相環(huán)、兩個雜散抑制通道，這使得該芯片有極好的雜散抑制能力，極大地降低了后續(xù)UHF鏡像頻率選頻濾波工作的難度。并可通過48位頻率控制字進(jìn)行分辨率為4 μHz的頻率合成控制，因此可以通過調(diào)節(jié)頻率控制字來精確地控制頻率合成。

MSP430系列單片機(jī)是德州儀器（TI）公司的一款16位超低功耗、具有精簡指令集 （RISC）的混合信號處理器（Mixed Signal Processor）。該系列單片機(jī)針對實際應(yīng)用需求，將多個不同功能的模擬電路、數(shù)字電路模塊和微處理器集成在一個芯片上。其CPU采用的16位精簡指令系統(tǒng)發(fā)揮了最高編碼效率，這使得這款單片機(jī)非常適用于AD9912的控制電路。

2.2 控制模塊

本硬件系統(tǒng)的控制模塊采用MSP430x14x作為核心控制器。為實現(xiàn)對AD9912軟件控制。選擇MSP430的4個I/O端口分別控制AD9912芯片的SCLK（串行時鐘）、SDIO（串行數(shù)據(jù)輸入輸出端）、CSB（片選）、I/O_UPDATE（數(shù)據(jù)寫入控制）。為避免MSP430引入雜散，采用一個緩沖器分隔MSP430的信號與AD9912的信號。

2.3 直接數(shù)字頻率合成模塊

本硬件系統(tǒng)采用AD9912作為直接數(shù)字頻率合成模塊的核心。使用R&S信號發(fā)生器產(chǎn)生1 GHz的信號作為參考頻率輸入。由于AD9912的參考頻率是采用差分輸入，所以采用巴倫（Balun）芯片完成輸入?yún)⒖夹盘柕膯味宿D(zhuǎn)雙端工作，并提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性[4]。同理在系統(tǒng)輸出端口采用一個巴倫來將差分信號雙端轉(zhuǎn)單端信號輸出。AD9912芯片的其他管腳主要為電源輸入管腳和接地管腳。為了更好地抑制雜散，采用數(shù)字信號地和模擬信號地分開接地。由于有大量的數(shù)字電源和模擬電源為AD9912芯片供電，這就不可避免的將電源中的紋波引入到硬件系統(tǒng)中，進(jìn)而直接影響到后續(xù)選頻輸出信號的雜散等性能指標(biāo)[5]，因此采用極性濾波電容濾除電源紋波。

2.4 選頻模塊

據(jù)圖2可知DDS的輸出信號中，存在著大量無用的頻率因此需要使用通帶極窄的濾波器對其進(jìn)行選頻。為了以盡量少的額外衰減捕獲所需的鏡像頻率，同時顯著抑制其他雜散信號，選頻部分采用GA1500T20A窄帶聲表面波濾波器（SAW）[6]對1 500 MHz的信號進(jìn)行選頻。其通帶為1 490～1 510 MHz，插入損耗約為2.95 dB，帶外抑制：1 300～1 440 MHz為48 dB，1 580～1 700 MHz為 48 dB。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在上位機(jī)中按照AD9912芯片的頻率控制寄存器配置編程，計算出相應(yīng)的頻率調(diào)節(jié)字，由MSP430處理后經(jīng)送入AD9912芯片中，合成系統(tǒng)所需的頻率，實現(xiàn)AD9912的編程頻率控制。上位機(jī)軟件控制程序采用C語言來編寫。為提高調(diào)試效率，本系統(tǒng)采用了極精簡的程序來控制AD9912芯片。

圖4 主程序處理流程圖Fig.4 Flow chart of main processing

3.1 主程序分析

上位機(jī)程序運(yùn)行時，首先對MSP430單片機(jī)進(jìn)行初始化。選擇MSP430的P3.4～P3.7端口作為AD9912芯片的控制端口。通過編程選擇并定義P3.4～P3.7端口為輸出端口，以實現(xiàn)對AD9912芯片的軟件編程控制。通過DDS_load（）語句加載頻率控制字并由配置端口對AD9912芯片進(jìn)行操作。主程序部分代碼如下：

3.2 頻率控制字的加載程序分析

由上位機(jī)通過DDS_load（）子程序向AD9912芯片寫入頻率控制字以控制頻率合成模塊合成所需的設(shè)計頻率，進(jìn)而靈活地獲得相應(yīng)UHF頻段鏡像頻率[7]。DDS_load（）程序部分代碼如下：

計算出頻率控制字后，即可通過SPI_TX_FTW_BYTE（）完成對相應(yīng)頻率控制字寄存器的尋址賦值，SPI_TX_FTW_BYTE（）程序部分代碼如下所示：

4 結(jié)果分析

AD9912最終輸出的窄帶信號測試頻譜結(jié)果如圖5所示。

圖5 窄帶信號頻譜Fig.5 Spectrum of narrowband signal

圖中可以清楚的看到1 500 MHz的信號譜線，其幅度約為-25 dBm，無雜散動態(tài)范圍（SFDR）約為-45 dBc。由于頻譜主要能量集中在設(shè)計頻率上，且在頻率合成模塊后再加入基于GA1500T20A的窄帶濾波模塊還會帶來3 dB的插入損耗，導(dǎo)致最后合成的UHF信號幅值較低，可以通過加入放大器來提高其幅值。

5 結(jié)束語

本設(shè)計最終成功的獲得了1 500 MHz信號，驗證了利用DDS器件的鏡像頻率合成超奈奎斯特頻率信號的可行性。這樣的頻率合成方法，不僅具有DDS的合成信號分辨率高、控制靈活、可編程及任意波形輸出的特點，還具有輸出頻率高、相位噪聲小等優(yōu)點。只需采用100 MHz恒溫晶振在本硬件系統(tǒng)前端進(jìn)行一次10倍頻獲得參考頻率，即可合成低相噪，高雜散抑制的UHF信號。相比于多級倍頻電路來說，這樣的頻率合成方法不僅更加靈活方便，更避免了多級電路引入的雜散。

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