基于高速DDS芯片AD9914的信号产生方法

赵　腊，祁　全，张　俊

(1.海军驻南京地区雷达系统军事代表室，南京 210003；2.中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153)

基于高速DDS芯片AD9914的信号产生方法

赵腊1，祁全2，张俊2

(1.海军驻南京地区雷达系统军事代表室，南京 210003；2.中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153)

摘要：DDS技术在现代雷达信号产生中具有相当广泛的应用。本文基于AD公司高速DDS芯片AD9914，设计了实现电路，测试了相关数据并对数据进行了分析。

关键词：雷达；DDS；AD9914；线性调频

0引言

现代雷达技术已由传统的模拟技术向数字技术发展，要求D/A和A/D转换器尽可能靠近发射和接收前端乃至天线[1]。D/A尽可能靠近发射前端实际也就是要求雷达不需要上变频环节，直接产生发射射频信号。变频环节的省略常常需要借助直接数字频率合成(DDS)技术。DDS因其出色的频率高分辨率、快捷变、低相噪、信号形式输出灵活可控的优点而在现代雷达信号产生技术中获得广泛应用[2]。

1DDS工作原理

DDS利用数字方法由系统时钟频率产生所需频率信号，如图1所示，在系统时钟的驱动下，每过一个时钟周期，频率累加器和相位累加器各进行一次累加，其输出的数据经处理后作为正弦查找表的地址，在系统时钟的控制下将存储的对应幅度值数据输出后送D/A转换器转换为模拟信号[3-4]。经过一次完整的累加，输出端即可以得到一个完整的正弦(余弦)波，同时大部分DDS还允许通过相位控制字和幅度控制字直接控制输出信号的相位和幅度。

图1　DDS原理框图

直接数字频率合成的实现方式通常有两种：一种通过FPGA+D/A方式，由FPGA产生信号所需的频率和相位，经过D/A变换输出。这种方式产生信号的频率和带宽受FPGA时钟速率的限制，一般应用于低频窄带的信号产生。另一种方式是通过DDS专用芯片直接产生。这种方式相对简单，只需通过配置DDS芯片内部的寄存器即可得到需要的射频信号，而且此种方式下芯片的工作时钟可做的相对较高，目前已能达到数GHz，能产生频率和带宽较高的信号。

2电路设计

本文基于AD公司最新推出的DDS芯片AD9914设计实现信号产生电路。AD9914是一款带12位D/A转换器的DDS芯片。该芯片采用先进的DDS技术，可实现快速跳频、精确调谐分辨率、快速相位与幅度调制等功能，输出信号频率最高可达1.4 GHz。AD9914还支持在用户定义的线性扫描模式下工作，可产生频率、相位或幅度的线性扫描波形，其主要性能参数如下：

• 3.5GSPS内部时钟速度；

• 集成12位DAC；

• 频率调谐分辨率190 pHz；

• 自动线性和非线性频率扫描功能；

• 宽带SFDR<50 dBc；

• 输出1396 MHz时，相位噪声优于-128 dBc/Hz@1kHz；

• 3.3/1.8V供电，典型功耗2.4 W。

图2是AD9914的内部结构框图。从图中可知，AD9914内置数字PLL、DDS内核、DAC、线性扫频、参考时钟倍频、时钟定时和控制、高速并行调制端口、串并行控制端口等功能模块。

图2　AD9914内部结构框图

AD9914支持5种工作模式：单频、Profile调制、线性扫描、并行数据端口调制和可编程调制。根据设计需要，选择单频模式可以实现单频信号产生，选择线性扫描模式可以实现线性调频信号产生。在单频模式中，DDS信号控制参数由Profile编程寄存器直接提供。在线性扫描模式中，DDS信号控制参数通过数字斜坡发生器提供，斜坡方向(即线性调频信号斜率)通过DRCTL引脚外部控制。图3是线性调频信号的时序图。

控制芯片采用XILINX公司的Cool Runner-II系列CPLD XC2C256-6VQ100C，通过并行端口将频率控制字送至AD9914。AD9914输出为差分形式，通过差分转单端和滤波可得所需输出信号，其信号产生电路原理框图如图4所示。

图3　线性调频信号时序图

图4　信号产生电路原理框图

印制电路板采用多层电路结构设计，通过对信号去耦和电源滤波，以降低电源噪声干扰射频信号和控制信号，同时合理布局电路走线，减小数字信号和模拟信号之间的串扰。信号产生电路实物图如图5所示。

图5　信号产生电路实物图

3测试结果

利用两台信号源N5183A、一台频谱仪N9020A和一台示波器DSA90404A搭建如图6所示的测试平台，其中一台N5183A为CPLD提供50 MHz时钟，另一台N5183A为AD9914提供3.5 GHz(相位噪声为-111 dBc/Hz@1kHz)的时钟。

图6　电路测试平台

3.1　单频信号测试结果

单频信号设计产生650~730 MHz、步进20 MHz的点频信号，并通过四倍频器实现S波段信号输出。图7是单频中心频率杂散及相位噪声的测试结果。从图中可得信号杂散为-81 dBc，相位噪声为-117.5 dBc/Hz@1kHz。

图8是经四倍频后输出的S波段信号杂散和相位噪声的测试结果。从图中可以看出，S波段信号杂散为-69.96 dBc，相位噪声为-105 dBc/Hz@1kHz。

图7　单频信号杂散及相位噪声测试图

图8　S波段信号杂散及相位噪声测试图

比较图7~图8的测试结果，单频信号经四倍频后，杂散恶化11.1 dB，相位噪声恶化12.5 dB。根据理论可知，信号倍频后相位噪声按20 lgN(N是倍频次数)规律恶化，即四倍频后的相位噪声理论恶化12 dB，与测试结果基本相符。

3.2　线性调频信号测试结果

线性调频信号设计产生信号频率为444~644 MHz，带宽200 MHz，脉宽48 μs。用示波器对线性调频信号进行时域测量并用频谱仪对信号进行频域测量，测试结果如图9所示(信号时域波形幅度随频率增大而减小是由于所用示波器探头带宽为500 MHz)。由图可得，线性调频信号脉宽为48 μs，带宽为200 MHz，带内平坦度较好，带外无明显杂散信号，可满足使用要求。

图9　线性调频信号时域波形及频域图

5结束语

本文以DDS技术原理为基础介绍了DDS芯片AD9914的工作特性参数，并基于该款芯片设计了信号产生电路。测试结果表明，产生的单频信号和线性调频信号均满足系统技术指标要求。目前，该电路经改进后已在某型装备的一本振产生中使用。

参考文献：

[1]弋稳.雷达接收机技术[M].北京：电子工业出版社,2005.

[2]费元春，等.宽带雷达信号产生技术[M].北京：国防工业出版社,2002.

[3]Jouko Vankka.Direct Digital Synthesizers:Theory,Design and Applications[D].Helsinki University,2000.

[4]张厥盛,曹丽娜.锁相与频率合成技术[M].成都：电子科技大学出版社,1995.

A signal generation method based on high-speed DDS chip AD9914

ZHAO La1, QI Quan2, ZHANG Jun2

(1. Military Representative Office of Radar System of the PLA Navy in Nanjing, Nanjing 210003;

2. No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

Abstract:The DDS technology is widely used in modern radar signal generation. The realization circuit is designed based on the high-speed DDS chip AD9914, and the relevant data are tested and analyzed.

Keywords:radar; DDS； AD9914; linear frequency modulation

中图分类号：TN74

文献标志码：A

文章编号：1009-0401(2015)04-0029-04

作者简介:赵腊(1986-)，男，工程师，硕士，研究方向：雷达总体；祁全(1987-)，男，助理工程师，硕士，研究方向：雷达接收技术；张俊(1982-)，女，工程师，硕士，研究方向：雷达接收技术。

收稿日期：2015-09-11；修回日期：2015-09-16