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1、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
2、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
3、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/2 48）。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，
4、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 Fr
5、ee 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 Si
6、n(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（
7、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
8、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=F248/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
9、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 AD8950 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
10、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
11、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 的最大参考时钟频率为 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 的最大参考时钟频率为 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 PL
12、L，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 AD985
13、4 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 AD
14、9854 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 1Hz .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
15、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
16、考频率的 420 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 Hz3 .(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
