基于AD9957的双通道高速数字调制信号源设计

在传统的数字信号源设计中，调制信号对于扰有较强的抵抗作用，同时对相邻信道的信号干扰也较小，要得到调制信号，一般都采用对波形发生器件逐点送控制字的方法来实现。调制信号具有解调方便且易于集成等优点，因此数字调制信号系统可广泛应用于现代通信设备及科研教学仪器中。

由于受频率精确度、稳定度和范围等因素的制约，提高数字调制方式中的FM速度是难点，这是高速调制信号源的技术瓶颈。直接数字频率合成(DDS)技术具有频率切换速度快、分辨率高、频率和相位易于控制等特点，因此在各种数字系统中得到越来越广泛的应用，成为现代电子系统及设备中频率源设计的首选。

本文采用ADI公司新产品AD9957设计出高速双通道调制信号源，具有电路结构简单，精确度和稳定度高、容易实现各种调制等特点。

2 AD9957简介

AD9957是美国模拟器件公司(Analog Devices，Inc)生产的内置14位数模转换器的直接数字频率合成器(DDS)集成电路，基本框图如图1所示。它采用数字技术合成多种跳频应用所需要的模拟波形，例如无线基站、军事和民用雷达、测试设备和安全通信系统。其采样速度达到1 GS／s，同时功耗比其他直接频率合成器减小50％以上，广泛应用于各种通信、仪表仪器和国防应用。

AD9957动态性能提高到高达400 MHz输出频率，而且无杂散动态范围(SFDR)高达80 dB以上。应用到无线和有线系统中时，利用AD9957调制器或正交数字上变频器(QDUC)提供的高达400 MHz中频的实时输出达到简化数据传输的目的。

AD9957还可提供用于快速编程的宽并行装入接口，它具有一个更新速率达250 MHz的16 bit并行端口，允许每隔8 ns更新一次32 bit的频率控制字。这种快速编程能力使之可以用于高速波形发生器、跳频合成器、安全通信以及各种雷达和扫描系统等需要频率或相位极快变化的场合。

此外，AD9957支持高达400 MHz输出的正交数字上变频器(QDUC)。由于AD9957内部集成了高速DDS、14 bit DAC、时钟倍频电路和数字滤波器，当应用于无线或有线通信基础设施系统时，可以实现基带上的变频，使数据传输简单、成本低、效率高。1 GS／s的数控振荡器(NCO)和DAC允许AD9957提供高达400 MHz的直接输出，因此无需使用上变频级，而且降低了对滤波器的要求。

AD9957的主要特点：32位相位累加器；波特率达25 Mb／s的SPI接口；内置1 024×32位RAM，可实现内部调制功能；内部采用1.8 V供电，超低功耗；内置的低噪声参考时钟倍频器允许用低成本、低频外部时钟作为系统时钟，同时仍可提供优良的动态性能：支持测试向量和幅度斜坡式控制功能。

3 系统硬件电路设计

系统结构框图如图2所示，主要由上位机、单片机系统、波形发生及调理电路4部分组成。PC机为主控制设备．控制波形产生时所需要的各种参数，通过RS232串行通信接口传送给单片机，单片机主要完成与控制计算机进行通讯，根据输入的信息产生各种控制字；对DDS器件写入频率控制字、幅度控制字、相位控制字和模式控制字，产生各种控制信号等功能。调理电路由功率放大、滤波电路、衰减电路等几部分组成。单片机采用89C52，因其具有指令速度快、SPI接口与AD9957完全兼容的优点，在低速调制时采用逐点送控制字的方法实现高速调制和低速调制的无缝衔接。

控制电路以单片机为核心，利用89C52丰富的I／O资源和功能强大的事件管理器模块，对各外围电路进行实时控制，实现系统功能。

4 系统工作原理

4.1 工作原理

单片机是整个系统的控制中心，它控制AD9957的输出。控制设备通过RS232接口把所需的频率字、工作模式、幅度字、相位字等有关信息发送到89C252单片机，单片机经过运算后产生一定的模式控制字、频率控制字、相位控制字和幅度控制字，按照相应的寄存器地址写入AD9957，使其输出两路特定频率、相位和幅值的信号。

本系统波形发生电路的两个通道是相互独立的，具有3种工作模式：(1)输出高频正弦波(最高400 MHz)或同步正弦波；(2)输出相互独立的高速频率、相位调制波；(3)选择一个通道作为载波，另一个通道作为基波进行调制，可实现高速调幅波输出。

首先，实现正弦信号的产生。AD9957可以提供多种内部时钟产生方式，本文采用外部加参考时钟的方式，AD9957内部集成了一个锁相环，能够对外部输入时钟进行12～127倍可编程倍频，本设计采用12 MHz的有源晶体振荡器，可得到400MHz内部系统时钟。其中倍频系数可以通过给DDS送控制字CFR3来设置。根据采样定理和器件的频率输出关系，计算出频率控制字，由PC机发送给单片机，并写入AD9957，就可以实现高稳定性的输出信号。

其次，实现调制输出。选择一个通道作为载波通道，另一个作为基波，采用高速多路开关将基波切换到另外一个通道的幅度输入，就可以实现高速调幅波输出。AD9957内置了1 024×32位RAM。同理，调频和调相也都是通过设置命令控制字实现。

4.2 单片机与AD9957的通信

本系统大多数操作是对DDS器件进行控制，这些控制是通过向DDS器件写命令控制字实现的。AD9957通过串行口实现对AD9957内部寄存器的读写，读写时序受到引脚SCLK上时钟信号的控制，串口写操作时序如图3所示。其中，指令字节指出是读还是写操作，以及对应的寄存器地址。在AD9957中串行操作是在寄存器级，而不是在字节级执行。AD9957与控制器件(单片机)的通信周期分两个阶段，第一个阶段是指令周期，在这个阶段把指令字节写入AD9957，在每个SCLK上升沿写入一位。指令字节除了指出读写操作和寄存器地址外，还同时给出了第二个阶段所要传送数据的字节数。第二个阶段为数据传送周期，传送波形参数的控制字。

5 系统软件实现原理

本系统软件主要由基于PC机的系统控制程序和基于单片机的器件控制程序两部分组成，它有两个主要任务，其一，提供友好的输入界面，接收用户要求的波形参数，并将它转换成AD9957的控制字形式；其二，完成与单片机的通信。程序采用VB6.0编写，利用它提供的专用于串行通信的Active控件来实现串行通信。

PC程序流程和单片机的流程分别如图4和图5所示。

6 结束语

文中利用数字频率合成器件，以单片机为控制核心，设计出了一款高性能高速数字调制信号源。本设计主要有以下特点：采用DDS技术，可以满足高线性度、高稳定度、高信噪比和低杂散的要求；用上位机可以简单方便地控制信号波形参数，为不同频率、不同波形的要求提供了通用平台；能够在产生中频信号的同时对信号进行任意包络的波束调制；能够完成正交检波和正交调制的功能；硬件结构简单，功能划分清晰，两个通道可单独当作普通高频信号源使用。