??? 摘 要： 選用內(nèi)部時鐘為400MHz的高性能直接數(shù)字合成頻率源DDS芯片AD9951作為核心器件設(shè)計頻率合成器" title="頻率合成器">頻率合成器，采用DDS+DSP的設(shè)計方案。利用鎖相環(huán)ADF4113為AD9951提供參考時鐘。闡述了AD9951芯片的主要性能及其在快速頻率合成器設(shè)計中的應(yīng)用方法。
??? 關(guān)鍵詞： AD9951芯片；直接數(shù)字合成頻率源；頻率控制字
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??? 短波通信因其技術(shù)成熟、通信距離遠(yuǎn)、體積小、不易摧毀的特點(diǎn)，幾十年來一直是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信和戰(zhàn)術(shù)通信的主要手段，如何保證短波電臺在敵方干擾下通信可靠有效，成為一個重要的研究課題。由于近十年來在數(shù)字信號處理技術(shù)(DSP)、超大規(guī)模集成電路和軟件方面的新技術(shù)、新成果不斷涌現(xiàn)，使得現(xiàn)代通信技術(shù)及短波通信技術(shù)得到飛速發(fā)展，尤其是跳頻" title="跳頻">跳頻技術(shù)在短波通信中得到越來越重要的應(yīng)用。差分" title="差分">差分跳頻技術(shù)是一種新型的跳頻通信技術(shù)，它利用跳變載波之間的相關(guān)性來傳送信息。差分跳頻技術(shù)應(yīng)用于短波通信，可以在短波波段內(nèi)實(shí)現(xiàn)寬頻帶、高速率的跳頻，極大地提高了短波通信的數(shù)據(jù)速率及抗干擾、抗多徑衰落能力，這種新型短波跳頻系統(tǒng)將成為短波通信領(lǐng)域今后發(fā)展方向之一。圖1是典型的差分跳頻系統(tǒng)的組成框圖。本文將針對短波差分跳頻系統(tǒng)的特點(diǎn)，利用AD9951作為核心器件設(shè)計出適合于該系統(tǒng)的快速DDS頻率合成器。
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1 快速頻率合成器特點(diǎn)及指標(biāo)要求
??? 短波差分快速跳頻系統(tǒng)跳頻速度達(dá)5000跳/秒，跳頻帶寬達(dá)2.56MHz，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)19.2Kb/s，對雜散、相位噪聲等指標(biāo)要求高，因此，系統(tǒng)對頻率合成器相應(yīng)提出較高的要求。本文設(shè)計的頻率合成器的指標(biāo)要求如下：
??? · 頻率范圍：1.6MHz～80MHz
??? · 頻率轉(zhuǎn)換" title="頻率轉(zhuǎn)換">頻率轉(zhuǎn)換時間≤10μs
??? · 頻率間隔：10Hz
??? · 相位噪聲：≤-100dBc/Hz@1kHz
??? · 雜散抑制：≤-60dB
??? 從上述指標(biāo)可以看出本頻率合成器具有頻率覆蓋范圍相對較寬、頻率轉(zhuǎn)換速度快、頻譜純度高的特點(diǎn)，因此設(shè)計上具有較高的難度。
2 頻率合成方案
??? 為了滿足快速頻率轉(zhuǎn)換的要求，設(shè)計采用了DDS+DSP頻率合成方案。通過設(shè)計良好的頻率基準(zhǔn)源和窄帶跟蹤式濾波器，提高頻譜純度，以達(dá)到差分跳頻系統(tǒng)對頻率合成器的要求。頻率合成器的設(shè)計框圖如圖2所示。DDS選用ADI公司生產(chǎn)的高性能AD9951芯片，DSP選用TI公司的TMS320C6418。
2.1 AD9951波形發(fā)生單元
??? AD9951是ADI公司生產(chǎn)的高度集成化芯片，采用了先進(jìn)的DDS技術(shù)，結(jié)合內(nèi)部高速、高性能D/A轉(zhuǎn)換器，形成可編程、可靈活使用的頻率合成功能。AD9951的主要特點(diǎn)如下：400MHz內(nèi)部時鐘；集成化14位D/A輸出；32位頻率轉(zhuǎn)換字；良好的動態(tài)性能，在160MHz輸出時，具有大于80dB的SFDR；4～20倍可編程參考時鐘倍乘器；串行I/O控制；工作電壓1.8V，最大功耗僅為200mW。在設(shè)計時時鐘頻率" title="時鐘頻率">時鐘頻率選擇為400MHz，則頻率分辨率fmin=FTW/2n＝400×106/232≈0.09Hz，因此滿足步進(jìn)為10Hz的指標(biāo)要求。
??? AD9951采用二線控制方式，將片選CSB低電平有效，數(shù)據(jù)線采用雙向SDIO，數(shù)據(jù)在時鐘SCLK上升沿寫入，首先存于輸入緩沖器中，采用外部頻率更新方式，頻率更新信號FUD的上升沿有效。頻率合成器加電第一次送數(shù)時，所有寄存器送相應(yīng)數(shù)，以后改變頻率時只送頻率字寄存器04h，控制時序如圖3所示?？梢娨獋鬟_(dá)32位的頻率控制字需要傳輸8位指令信息和32位數(shù)據(jù)信息，需要40個時鐘周期。
??? 控制芯片選擇TI公司生產(chǎn)的TMS320C6418。該芯片是32位的定點(diǎn)DSP，芯片內(nèi)部集成了1.5Mbit的片內(nèi)SRAM，具有豐富的外部接口；它使用了超長指令字結(jié)構(gòu)（VLIW）體系結(jié)構(gòu)，一個時鐘周期可同時處理8條相互獨(dú)立的指令，再加上流水線技術(shù)，大大提高了并行處理能力和運(yùn)算能力。TMS320C6418參考時鐘為50MHz，內(nèi)部工作時鐘經(jīng)倍頻后達(dá)400MHz。通過SPI總線控制對AD9951進(jìn)行控制，采用20MHz的時鐘傳輸頻率，2μs即可完成頻率控制字的更新。
2.2 AD9951時鐘電路設(shè)計
??? DDS輸出信號的質(zhì)量取決于工作時鐘信號的頻譜質(zhì)量，DDS輸出信號的最高頻率受到時鐘頻率的限制（最高輸出頻率小于時鐘頻率的40%），并且DDS輸出信號頻率越接近上限，性能指標(biāo)越差。從提高頻率合成器的性能指標(biāo)來講，應(yīng)選擇400MHz低相位噪聲的時鐘做AD9951的頻率源，但市場上這種頻率源不但價格昂貴，而且性能指標(biāo)達(dá)不到要求。因此，在設(shè)計時選用了目前性能優(yōu)良、時鐘頻率不太高的晶體作為參考頻率的基準(zhǔn)源，采用低相位噪聲的鑒相器和窄帶壓控振蕩器作為鎖相環(huán)，用于產(chǎn)生1600MHz的時鐘頻率。由于只作為點(diǎn)頻，因此在環(huán)路濾波器的參數(shù)選擇上主要考慮如何使輸出信號頻譜特性最優(yōu)。最后由分頻器進(jìn)行4分頻或5分頻，即輸出400MHz或320MHz時鐘信號，設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)將信號轉(zhuǎn)換為差分輸入，供AD9951作為時鐘頻率，能夠有效減少共模干擾。由于DDS雜散分布具有一定的規(guī)律性，通過不同的參考時鐘將這種規(guī)律性破壞，能夠有效抑制某些頻段的雜散電平信號。
2.3 濾波器設(shè)計
??? 由于DDS采用數(shù)字化技術(shù)，最終合成信號是經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后得到的，其頻譜含有豐富的高次頻譜分量，必須將它們?yōu)V除，才能得到頻譜純凈的正弦波輸出，因此對濾波器的要求很高。在設(shè)計濾波器時，由于發(fā)射信號為短波波段的1.6MHz～30MHz，頻率較低，因此頻譜質(zhì)量較好，在設(shè)計時只采用了七階橢圓濾波器，截止頻率為80MHz，后端通過隔離放大后輸出。收頻率輸出信號進(jìn)行了上變頻，其頻率為50MHz，因此實(shí)際輸出頻率達(dá)51.6MHz～80MHz，頻率相對較高，因此在七階橢圓濾波器的后端再接一個數(shù)字式跳頻調(diào)諧濾波器，該濾波器由數(shù)量較多的二進(jìn)制電容、電感組成，通過電子開關(guān)連接所需電容、電感構(gòu)成濾波網(wǎng)絡(luò)，通過DSP對其進(jìn)行控制。調(diào)諧頻率與輸出頻率保持一致，過濾帶非常窄，因此能夠達(dá)到比較理想的濾波效果。收、發(fā)頻率通過七階橢圓濾波后端的電子開關(guān)進(jìn)行選擇，并由DSP進(jìn)行控制。收發(fā)進(jìn)行隔離，防止信號相互干擾。
3 電磁兼容性設(shè)計
??? 由于該頻率合成器是用于快速跳頻系統(tǒng)，電臺的數(shù)據(jù)傳輸速度最高可達(dá)19.2Kb/s，對雜散和噪聲的抑制要求高，由于是高速數(shù)?；旌想娐罚栽谠O(shè)計時應(yīng)對電磁兼容性進(jìn)行充分考慮。PCB板設(shè)計為4層板。其中第2層為地平面，并將地平面在AD9951芯片下面分為數(shù)字地和模擬地。第3層為電源平面，分成AVDD、DVDD、1.8 V、3.3 V四部分，分別為AD9951的模擬部分、數(shù)字部分電路供電。其余外圍電路的電源單獨(dú)通過穩(wěn)壓塊提供。同時使用濾波器組件對全部頻段進(jìn)行電源濾波。PCB板的1、4、2層走信號線，走線盡可能短，防止在信號線上出現(xiàn)不必要的過孔以免損害信號電氣特性完整性。信號線間距D與線寬W之間滿足D≥3W以避免信號竄擾。按照傳輸線理論設(shè)計好帶線和微帶線，避免信號線連接處阻抗不匹配，防止反射。為了減少時鐘泄漏對其他信號的干擾，在屏蔽盒內(nèi)做出一個腔體把時鐘源與系統(tǒng)的其他部分進(jìn)行隔離。在PCB布線時，盡量讓時鐘線遠(yuǎn)離其他信號，同時在時鐘線的兩邊加地線屏蔽。
4 測試結(jié)果
??? 通過圖4、圖5可以看出，該頻率合成器在76MHz處的雜散抑制和相位噪聲分別達(dá)到了－65dB和－113dBc/Hz@1KHz，諧波分量達(dá)到-59.6dB，完全滿足指標(biāo)要求。頻率轉(zhuǎn)換時間通過采用安捷倫公司生產(chǎn)5372A調(diào)制域分析儀進(jìn)行測量，實(shí)際頻率轉(zhuǎn)換時間僅為2μs。
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??? 在基于AD9951的差分快速跳頻系統(tǒng)頻率合成器的研制過程中，為了降低相位噪聲、提高雜散抑制度和頻率轉(zhuǎn)換速度，在電磁兼容、電路布局以及PCB設(shè)計等方面進(jìn)行了精心的考慮，達(dá)到了較為理想的性能指標(biāo)。
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