数字波束合成中AD9910的应用与研究

李臻立韩志韧杨春兰

（1.哈尔滨工程大学，黑龙江 哈尔滨 150001；2.中船重工集团 第722研究所，湖北 武汉 430074）

1.引言

目前相控阵天线技术在舰船雷达、通信系统中的应用已较为普遍，数字多波束相控阵天线通过数字技术，在同一个天线口径上，可以同时在空间合成多个波束，可以实现跟踪多个通信目标。特别是信号空间抗干扰以及抗信道衰落需要，采用阵列天线，尤其是基于DBF的方法相控阵天线的使用，使得天线波束形成更具灵活性，也使得系统具备了自适应能力，能够较好地实现空域滤波和自适应抗干扰。

2.d9910在相控阵天线中的应用及介绍

系统的核心技术是基于DDS的自适应数字波束合成技术,其主要特征在于:利用DDS技术完成了信号产生、频率源和幅相控制的一体化实现,其控制组件的输入、输出信息都是数字化的,而所有组件的同步则是靠施加于每一组件的一公用的时钟来实现的。利用 DDS技术完成发射波束形成所必需的幅度和相位加权及波形产生和上变频所必需的本振信号。基于 DDS的相控阵天线电路原理如下:

图1.基于DDS的相控阵天线原理图

DDS有着很多适合在发射端的优点，其中最重要的一点就是它的幅度相位极容易控制，因此有利于在发射波束形成中各路的移相操作，这两点都有利于波束形成中的加权操作。DDS的工作建立在DSP运算的基础上的，它首先根据相应的波束形成算法运算得出相应的权值，DSP再通过接口将数据传给DDS控制逻辑，控制逻辑再将相应的权值写入DDS的控制寄存器从而形成波束控制。DDS波形产生的过程如图2所示。

图2.DDS的工作原理

在我们的发射DBF实验系统中，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专利技术的直接数字频率合成器（DDS）芯片，它集成了14位数/模转换器（DAC），可以形成数字可编程、高频模拟输出的频率合成器，能够产生频率高达400MHz的正弦波形。用户可以访问三个用于控制DDS的信号控制参数：频率、相位和幅度。这款DDS使用32位累加器，可提供快速调频和频率调节分辨率。其采样率为1GSPS，调节分辨率为0.23Hz。该DDS也支持快速的相位和幅度切换，具有PLLREFCLK乘法器。

3.用TMS320C54x对ad9910控制

3.1.件电路设计

TMS320C54x是TI公司为实现低功耗、高速实时信号处理而专门设计的16位定点数字信号处理，采用改进的哈佛结构，具有高度的操作灵活性和运行速度，适用于远程通信等实时嵌入式应用的需要，现已广泛地应用于无线电通信系统中。

TMS320C54x具有的主要优点有：1.围绕1组程序总线、3组数据总线和4组地址总线而建立的改进哈佛结构，提高了系统的多功能性和灵活性。2.具有高度并行性和专用硬件逻辑的CPU设计，提高了芯片的性能。3.具有完善的寻址方式和高度专业化指令系统，更适用于快速算法实现和高级语言编程的优化。4.模块化结构设计，使派生器件的到了更快的发展。5.才有先进的 IC制造工艺，降低了芯片的功耗，提高了芯片的性能。6.采用先进的静态设计技术，进一步降低了功耗，使芯片具有更强的应用能力。

控制接口电路本文设计是利用DSP5416对DDS芯片的串口控制寄存器直接进行送数以及对相关管脚的配置来实现对该DDS芯片的控制。AD9910在串行通信模式下的对芯片管脚关系如图3所示，在片选信号cs低电平时开始对串口寄存器进行读写操作。指令周期中的8位数据的第一位为读写控制位，后7位表示为寄存器地址。数据周期紧接指令周期之后，送完数据后再将片选信号置位。注意，输入的数据暂时存在寄存器的缓存器中，还需要IO—UPDATA(59脚)上跳沿脉冲触发后才有效。同时，在设置IO—UPDATA时确保脉宽大于一个周期的内部信号SYNC—CLK。

图3.TMS320VC5416与AD9910的连接

3.2.件设计

AD9910DDS器件有单音频模式、频率扫描模式和完全睡眠模式三种工作模式。RF部分的功能模块（PFD、CP、混频器）能够被激活或者进入低功耗模式。

在单音频模式下，器件产生一个单一的输出频率。输出频率将通过一个装入在内部寄存器中的32位的控制字（频率调谐字FTW,Frequency Tuning Word）来设置。输出频率能够根据需要而改变，并且迅速跳频完成，仅需要更新相应的寄存器控制字所需时间。甚至，如果需要更快的跳频，4个预置可用的结构形式可以通过外部的片选信号，在已存储的4个频率值之间更快速的跳频，省去了由于乘法寄存器经由I／O端口的运行时间。频率扫描模式允许自动完成大部分的频率扫描任务，通过I／O通道操作多个寄存器，可以实现线性和其他频率扫描。无论器件在哪种模式下运行，频率变化相位都是连续的。

将用户的数据传输至DDS核心，要经过两个步骤。通过写操作，用户先通过并行端口（包括地址及数据）或串行模式（地址和数据结合为一个串行字）将数据资料写入I／O缓冲器。不管采用什么方法将数据输入到I／O缓冲器，在数据从I／O缓冲器存入存储器之前，DDS核心不能够存取数据。切换FUD引脚或改变预置可用的结构形式选择引脚端，都将使I／O内存单元更新的数据进入DDS核心的寄存器存储器单元。系统软件设计流程说明框图如下：

图4.系统程序流程图

4.验结果与算法仿真

仿真实验：在均匀八单元线阵中，阵元间距为半波长，期望信号方位角分别为25，干扰信号来向为45，50。SNR均为10dB，INR均为一10dB，快拍数1024。本文设计的相控阵数字波束合成发射系统，其特性在实验上得到了证明。

5结束语

在数字波束形成中，以DDS为核心的全数字T/R组件不仅满足系统的数字移相功能，而且完全代替了原来的数控移相器、不等功率分配器和电调衰减器部分，并且显示出强大的优越性。随着数字技术的不断发展，DDS信号源的采样工作频率将越来进越高，将在通信领域中发挥更大的作用。

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

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

[3]曾金荣,曾劲松.船摇扰动和雷达天线两轴稳定系统[J].雷达与对抗,1995.

[4]严武升,刘宏,过润秋.基于前馈补偿的舰载雷达三轴稳定跟踪的研究[J].电子科技大学学报,1998,(5).

[5]谭鸽伟等.DSP在天线平台控制系统中的应用[J].微计算机信息(嵌入式与SOC),2005,(12-2).