芯片AD9854在跳频通信系统中的应用
摘 要：介绍了AD公司新推出的AD9854芯片的主要特性，讨论了将其应用于跳频通信系统中的优势。 关键词：跳频通信系统；频率合成器；直接数字频率合成；锁相环
1 引言
跳频通信是扩频通信的主要方式之采用了信号载波频率依照某一特定伪随机序列不断跳变的工作方式，因而具有较强的抗干扰性。为了适应高速数据传输并有效地抑制干扰，要求系统有较高的跳频速率及达到稳定的时间尽可能地短。因此跳频速率是决定整个跳频系统性能的重要参数，其主要取决于对跳频系统中频率合成器的选择，这是系统设计的关键问题。
直接数字频率合成（DDS）技术是继直接频率合成和间接频率合成之后发展起来的第三代频率合成技术，具有频率转换时间短、频率分辩率高、输出相位连续和全数字化、可编程、便于集成等优点，因此采用DDS芯片作为跳频系统中的频率合成器，必将大大提高整个系统的性能，成为理想的选择。
AD9854是继ANALOG DEVICES公司生产的AD9850之后推出的一种具有更高性能的DDS芯片，在输出频率、频率分辨率、频率和切换速度、调制功能等方面比原有的芯片均有一定程度的提高，用于跳频系统后会使系统设计得到简化，系统性能得到进一步提高。 2 AD9854简介
前面讲过，AD9854 DDS是高度集成化的芯片，能产生和输出高稳定度的频率、相位、可编程的正弦、余弦信号，能用于频率合成器、可编程时钟发生器、雷达和扫频系统的扫频源以及有关的测试仪器等之中。 AD9854的主要特征有：
（1）内部系统时钟（SYSCLK）最大频率300MHz，输出最大频率150MHz，频率转换速度高达108次/s。
（2）具有移频键控（FSK）、二元相移键控（BPSK）、相移键控（PSK）、脉冲调频（CHIRP）和振幅调制（AM）多种调制功能。
（3）两个48位的可编程频率寄存器，用于存放频率控制字。在300MHz的系统时钟下，频率分辨率可达1uHz（300MHz/248）。通过FSK单引脚输入数据，可自动完成FSK调制。
（4）两个14位的可编程相位偏移寄存器，用于存放相位控制字。通过BPSK单引脚输入数据可自动完成BPSK调制。对于高阶PSK调制，可通过I/O接口改变相位控制字来实现。
（5）12位幅度调制和可编程的“通断整形键控”功能。
（6）具有过渡FSK（RamPed FSK）功能。这种FSK从频率F1变化到F2不具瞬时的，而是经过一个频率扫描的过程，可比传统的FSK提供更好的带宽量。频率变化的斜率可通过设置相应的寄存器来控制。
（7）具有线性和非线性CHIRP功能，可实现宽带扫频和引脚可控制暂停（HOLD）扫频。
（8）对相位累加器输出的瞬时相位进行17位的截断，保证有良好的SFDR（Sprious Free Dynamic Range）特性。
（9）内置基于锁相环（PLL）的可编程参考时钟倍乘器，倍乘范围为4X-20X，可将较低频率的输入参考时钟转化为较高频率的系统时钟，降低对时钟源的要求。参考时钟可以单端输入，也可差分输入。
（10）内部集成有两个12位的D/A转换器，在I、Q通道分别输出余弦和正弦信号。Q数模转换器（QD-AC）还可以被配置为控制数模转换器（控制DAC），并由用户介供12位的二进制数据，用于产生直流电平、交流信号以及控制比较器输出方波的占空比。
（11）内部集成了一个超高速的比较器，可将DDS产生的正弦波转化为方波，用作时钟发生器。
（12）可进行Sin(x)/x校正。通过反辛格函数滤波器对DAC的输入数据进行预均衡，补偿DAC的Sin(x)/x的函数起伏特性，使幅频特性变得平坦。 （13）需要一个更新时钟。从I/O口输入的数据，起初被存放在缓存器中，只有通过更新时钟上升沿的作用才可传入内部寄存器组，使设置生效。这个更新时钟可以通过对内部相关寄存器的编程来周期性地自动生成，也可以直接由外部输入。
（14）支持100MHz的8位并行和10MHz的2线或3线的串行I/O操作。并行I/O操作配有6位地址位、8位双向数据位以及分离的读写控制输入引脚。串行I/O操作支持MSB（最高有效位）和LSB（最低有效应）两种数据传输模式。 （15）具有降低功耗的功能，将不用的功能模块关闭，以降低器件的温度。 （16）采用3.3V单
（17）采用小型80引脚的LQFP封装形式。
除了以上特征外，AD9854有五种工作模式，可通过对控制寄存器中三位模式位的设置来选择。这五种模式分别为单频模式（Single-Tone），无过渡频移键控制模式（Unramped FSK），过渡频移键控模式（Ramped FSK），CHIRP和BPSK模式。这里只对Unramped FSK，即传统FSK模式进行讨论。
在Unramped FSK模式下，首先将要跳变的两个频率F1和F2转换为相应的频率控制字FTW1和FTW2，分别放入频率寄存器1、2中，频率控制字FTW的计算公式如式（1）： FTW=F×248/STSCLK
若FSK引脚为低电平，则选择FTW，若为高电平，则选择FTW2，频率的改变是相位连续的。若去掉FTW2和FSK引脚逻辑值，则可转化为single-Tone模式。这
种传统的FSK模式，由F1到F2的变化是瞬时的，方法较简单，运行的效果也较好，是数字通信的可靠模式。 3 AD9854在跳频通信系统中的应用
AD9854器件主要应用在跳频通信系统中，应用所涉及的问题有以下方面： （1）跳频通信系统的主要设计参数
在用AD9854设计跳频通信系统之前，先介绍一下跳频通信系统的主要设计参数，如表1所示。
（2）使用AD9854器件前跳频通信系统的设计方案
参考文献[2]提出了一种跳频发射系统的设计方案，采用的是AD50器件，如图1所示。在该方案中，DSP负责完成对数据RS的编码（一种循环编码）、交织以及产生跳频码的功能。交织后的“1”、“0”数据分别控制门1和门2的导通，进而控制两路中频信号的导通。其中产生峡谷路中频信号的频率控制字FTW1、FTW2分别为要跳变的中频载波频率控制字与基带FSK调制（“1”对应48kHz，“0”对应32kHz）相应的频率控制字之和，巧妙地将FSK调制与混频结合在一起。跳变的中频载波频率控制字可直接由DSP存储器中的跳频图案表获得，两种中频信号的频率控制字FTW1、FTW2经由DSP算法后分别输送给两个频率合成器（均由AD9850+PLL构成），以产生两路中频信号。最后将两路中频信号进行模拟相加，再送至射频部分。
在该设计方案的频率合成器中由于采用了AD9850器件，其性能和功能都很有限，且设计相对较为复杂。
（3）采用AD9854器件后跳频通信系统的设计方案
采用新型的AD9854器件之后，因该器件有强大的功能和优越的性能，使得跞频通信系统设计方案的硬件电路得到了大大简化，也使系统的性能有了明显的提高。采用AD9854后的跳频发射系统原理图如图2所示。
（4）两种跳频发射系统设计方案的分析与比较
a.AD9850的最时钟频率为125MHz，而实际最大输出频率一般只在30MHz左右，与系统设计要求中的最大输出中频频率56.384MHz差距较大，因此需要在后面加一PLL对输出进行倍频，以达到设计的要求。相比较，AD9854的最时钟频率为300MHz，输出频率必能满足系统对中频频率的要求，因此完全可以用AD9854来代替AD9850+PLL。在省去PLL后，不仅电路变得简单了，更重要的是频率切换速度可以得到很大的提高。因为在AD9820+PLL中，换频时间主要取决于PLL，其远大于us量级（参阅文献[3]），而AD9854代替AD9850+PLL后，换频时间主要取决于AD9854，只有几十ns，因此跳频速率得到了大大的提高。
b.由于AD9850没有FSK调制的功能，需要产生两路中频信号并通过“0”、“1”数据的选通、再求和来实现FSK调制，这就增加了硬件电路的复杂度。而AD9854具有FSK调制的功能，只需将交织后的“0”、“1”数据直接接到AD9854的29引脚（FSL date in），FSK便可由芯片自动实现。具体的操作过程为：DSP预先产生下两个要跳变的频率控制字FTW1、FTW2，并将控制字输入到AD9854的两个可编程频率寄存器中，当需要载波跳变时，输入更新的时钟信号，即可完成频率的切换。此时输出的频率由29引脚的输入“0”、“1”数据，在FTW1、吉选择跳变，而完成FSK调制，实现了与图1方案相同的功能。这样，图2所示的方案，电路就被大大的简化，不仅节省了资源，更重要的是，由于FSK是在AD9854芯片内部自动完成的，整个系统的可靠性也得到了大大的提高。 4 结论
AD9854具有输出频率高，频率分辨率高，频率切换速度快，调制功能丰富等优点，在跳频通信系统的设计中采用芯片AD9854可以显著提高跳频速率和系统的可靠性，并使电路结构得到简化和资源得到节省。
基于AD9854 的程控信号源设计
直接数字合成(DDS) 是一种新型的频率合成技术. 具有较高的频率分辨率,可以实现快速的频率切换,并且在改变频率时能够保持相位的连续性,很容易实现频率、相位和幅度的数字控制. 因此,在现代电子系统及设备的频率源设计中,尤其在通信领域,直接数字合成的应用越来越广泛.DDS 技术的主要优点是: 频率分辨率高, 以AD9854 为例,它的频率分辨率可以达到1μHz .还具有体积小,控制灵活,即时的频率转换,成本低,功耗小等优点.简介
AD9854 (如图1) 主要由时钟乘法器、48 位频率累加器、48 位相位累加器、正弦转换表、反辛格函数滤波器、数字幅度调制乘法器、编程寄存器、频率和相位控制字乘法器与调频控制逻辑、12 位正交数模转换器、I/ O 口缓冲器、比较器等组成.该芯片能够在单片上完成频率调制、相位调制、幅度调制以及IQ 正交调制等多种功能[1 ] . 图1 AD9854 的内部结构
AD9854 把DDS 技术和高速D/ A 转换器结合在一起,形成一个全数字化、可编程的频率合成器. 在一个精确时钟源的控制下,可产生一个频谱纯正、频率- 相位- 幅度可编程的正弦波信号.AD9854 工作频率高、I/ O 端口功能丰富. 其主要功能特点如下[2 ] :
(1) 工作频率可达300MHz , 片内有PLL(Phase - Locked Loop) ,可实现对参考频率的4～20 倍频,支持单端或差分时钟源输入.
(2) 双频率控制字字长48 位;双相位控制字字长14 位. 当工作频率为300MHz 时,频率分辨
率可达1 ×10 - 6 Hz[3 ] .
(3)片内可选5 种工作模式:Single - Tone 、Un2ramped FSK、Ramped FSK、Chirp 和BPSK. 调制功能丰富,可实现复杂的数字调制和模拟调制等[4] . 单片机基本特点
1997 年,A TMEL 公司利用Flash 新技术,研发出RISC 精简指令集的高速8 位单片机,简称
AVR 单片机. 应用较多的是A Tmega 8/ A Tmega16/ A Tmega 128. 此设计采用A Tmega128. A T2mega128 具有如下特点[5 ] :128 K 字节的系统内可编程Flash ( 具有在写的过程中还可以读的能力,即RWW) 、4 K 字节的EEPROM、4 K 字节的SRAM、53 个通用I/ O 口线、32 个通用工作寄存器、实时时钟RTC、4 个灵活的具有比较模式和PWM 功能的定时器/ 计数器( T/ C) 、两个USART、面向字节的两线接口TWI、8 通道10 位ADC ( 具有可选的可编程增益) 、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、SPI串行端口、与IEEE 1149. 1 规范兼容的J TA G 测试接口( 此接口同时还可以用于片上调试) ,以及六种可以通过软件选择的省电模式.AVR 单片机的一个突出特点是:对C 语言专门进行了优化,即在拥有用C 语言开发的优势的同时,最大限度的避免其劣势———代码空间大.AVR 单片机在结构和指令集的设计还没有完成时,已开始了外部编译器的设计. 几个潜在的改进在这个过程中被识别和实现了,这样的结果就是AVR 单片机的C 语言代码效率的提高. 信号源的电路设计
在电路设计(图2) 中,控制AD9854 的数据由4 ×8 矩阵式键盘输入频率、相位
控制字以及AD9854 的工作方式控制字等数据. 液晶显示器采用凌阳科技的SPLC501 芯片作为LCD 驱动和控制器,用来显示输入的数字及显示字符. 在电路中采用并行方式控制SPLC501. A Tmega128 和AD9854 的数据输送方式采用并行方式传送.A Tmega128 采用+ 5V 供电,而AD9854 的电源电压为+ 3. 3V ,要用SN54LV TH162245 进行电平转换以便AD9854 接收控制信号和数据. 图2 信号源设计框图
4 A Tmega 128 控制AD9854 的程序设计
AD9854 有40 个8 位寄存器,包括两个48位的可编程频率寄存器,用于存放频率控制字;两个14 位的可编程相位偏移寄存器,用于存放相位控制字;双12 位可编程幅度控制寄存器和键控可编程幅度渐变开关功能;32 位控制寄存器,可通过设置控制字选择工作模式和倍频控制字[6 ] . 在电路中AD9854 的参考时钟采用30MHz 有源晶振,设计选择的是单音工作模式和8 倍频. 下式为频率转换公式:
Fd = Fc ×△φ/ 2N . 式中, Fd 为输出频率; Fc 为采样时钟的频率;N 为相位累加器位数; △φ为频率控制字. 通过改变频率控制字△φ 即可改变输出频率. A T2 mega128 向AD9854 输送数据的写时序图如下: 图3 并口写时序
控制AD9854 工作的数据由键盘输入,特别是频率、相位控制字,由键盘输入的是十进制数值,必须经过一定的算法程序运算后转变成48 位(AD9854 的频率寄存器格式) 或14 位(相位寄存器格式) 二进制数值,然后按并行输送数据的时序关系送到AD9854 的内部寄存器. 整个系统电路的程序设计采用模块化的C 程序设计,系统主程序流程图如图4 所示. 首先为系统设置一系列初始值,再利用查询方式扫描键盘输入的一系列信号的频率和相位值以及AD9854 的工作模式选择值等数据,储存到指定的存储单元,经不同的算法转换成AD9854 和显示电路所需要的数据格式储存起来,A Tmega 128 接收到键盘输入的显示信号和向D9854 输出指令后,启动显示和输出程序模块,使AD9854 产生响应的信号输出. 整个电路系统的程序设计流程如图4 所示.
基于AD9854 的多功能信号源能灵活、方便地实现多种模拟调制和数字调
制. 从程控信号源的硬件实验设计和它的软件编程的实际效果来看,其工作可靠,效果良好,而且切换频率速度快,既满足了输出波形高稳定度,高精度,高分辨率的要求,又有价格低廉,体积小的特点,AD9854 芯片输出频率可达100MHz 以上. 但设计中仍在软件程序实现方面存在着一些不足之处,设计采用单音模式实现多种信号的调制,今后可通过改变工作模式和参数实现Unramped FSK、Ramped FSK、BPSK、Chirp 等多种模式的信号调制[8 ] ,这些有待于今后进一步的完善和改进.