基于AD9954的多模式信号源电路的设计与实现

刘明成，郭建敏，古悦悦

（天津师范大学 物理与电子信息学院，天津300387）

直接数字频率合成（Direct Digital Synthesis，DDS）技术是20世纪70年代提出的一种采用全数字技术的新型频率合成方法.与传统直接频率合成（Direct Synthesis，DS）、锁相环（Phase Lock Loop，PLL）间接频率合成 、分数－N锁相环（Fractonar－N Phase Lock Loop，FNPLL）合成和PSG单环路合成技术相比，DDS技术具有频率切换时间极短、频率分辨率高、相位连续、相位噪声低和易于控制等诸多优点[1].因此，目前许多设备和系统都采用此技术，特别是在现代民用无线通信系统、雷达及现代化仪器仪表等多个领域中，作为通信系统中必不可少的信号发生器越来越多地采用了该技术.

由美国AD公司生产的AD9954是一种采用先进DDS技术的高集成度频率合成器，它内置高速D／A转换器和超高速比较器，可作为数字编程控制的频率合成器[2]，产生约200MHz的模拟正弦波.AD9954内含1 024×32静态RAM（SRAM），利用该RAM可实现高速调制，支持几种扫频模式，并可提供自定义的线性扫频操作模式，通过AD9954的串行I／O口输入控制字实现快速变频，且具有良好的频率分辨率.AD9954具有频率分辨率高、快速且连续的变频能力，因而广泛应用于数字调制系统的设计中.以AD9954为核心，辅以单片机为控制器可以设计出容易扩展、稳定性好的信号平台，以DDS技术为背景的信号源电路必将逐步成为新一代信号源的主流.本研究基于AD9954，给出多模式信号源的硬件实现电路和几种模式的具体调制信号.

1 硬件电路设计

电路设计应用ATMEL公司研发的精简指令集计 算 机 （Reduced Instruction Set Computer，RISC）的高速8位单片机ATmega16L对AD9954进行控制，如图1所示.AD9954的数据输入方式是串行数据传送方式，即在电路设计中，采用串行数据传输方式将各种控制字（数据）输送到AD9954的内部控制寄存器.

图1 ATmega16L控制AD9954的电路设计图Fig.1 Circuit design of AD9954controlled by ATmega16L

由于 ATmega16L的工作电压为3.3V，AD9954的模拟电源电压和数字电源电压均为1.8V，两者的引脚不可直接相连，因此，AT－mega16L与AD9954之间的数据信号传输需要通过SN54LVTH162245进行信号电平的转换[3].AD9954的数据输入端口可接收3.3V的电平信号，所以串口的几个引脚可用ATmega16L直接控制.

2 单音模式的实现

AD9954上电复位（RESET引脚置高电平1）后的默认模式为单音模式，在单音模式中正弦波的实现是在上电复位后，通过设置AD9954中CFR2（串行地址OX01）寄存器的参考时钟倍频数字来设定内部时钟频率，通过设置FTW0（串行地址OX04）的32位频率控制字实现波形频率值的设定[4]，通过设置CFR0（串行地址OX00）寄存器中CFR＜25、24＞和ASF寄存器（串行地址OX02）的低14位控制字实现波形的幅值控制，波形的频率可利用式（1）计算得到[3].

式（1）中：M为频率控制字的位数；fM为 频率控制字的值；fc为AD9954内部工作时钟频率.AD9954在单音模式下的正弦波形如图2所示.

图2 AD9954的正弦波信号Fig.2 Sine signal of AD9954

3 AD9954几种调制信号的实现

调制信号对干扰具有较强的抵抗作用，对相邻信道的信号干扰也较小，具有解调方便和易于集成等优点，因此数字调制信号系统广泛应用于现代通信设备和科研教学仪器中.

3.1 AD9954扫频信号的实现

AD9954线性扫频模式的实现首先需要将CFR0（串行地址OX00）寄存器中的线性扫频使能位 CFR＜21＞ 置高（1），在 FTW0（串行地址OX04）和FTW1（串行地址OX06）2个寄存器中设置不同的频率值[4]，再在 NLSCW（串行地址OX07）和PLSCW（串行地址OX08）2个寄存器中设置相应的升、降频率变化量（Δ，低32位）和扫频变化速率（高8位），而CFR0（串行地址OX00）寄存器中的CFR＜2＞（线性扫频无驻留位）可根据扫频模式要求加以选择.图3为CFR＜2＞置1、PS＜0＞引脚输入由ATmega16L控制的模拟方波时得到的扫频模式波形图.

图3 AD9954的扫频信号Fig.3 Sweep frequency signal of AD9954

3.2 AD9954频移键控（Frequency Shift Keying，FSK）信号的实现

在AD9954的随机存储器（Random Access Memory，RAM）控制模式下，首先将CFR0（串行地址OX00）寄存器中的寄存器使能位CFR＜31＞置高（1），RAM控制模式下4个RSCW寄存器（串行地址OX07－0A）的RSCW＜5、6、7＞位可指示RAM操作的5种模式，即直接转换模式、上斜坡模式、双向斜变模式、连续双向斜变模式和连续循环模式[5].通过寄存器目标地址控制位CFR＜30＞控制RAM的输出为相位累加器或相位偏移加法器.在FSK模式时，将CFR＜30＞置0，4个RSCW寄存器（串行地址OX07－0A）中设置相应的SRAM（串行地址OX0B）的开始地址、终止地址和地址变化速率，并在SRAM（串行地址OX0B，1 024×32bits）[6－7]对应的寄存器单元中设置相应的频率值.图4和图5是RSCW＜5、6、7＞置000（直接转换模式）时，2种FSK模式信号波形，其中图4是CFR＜29、28、27＞设置为001时FSK模式信号的波形.

图4 AD9954的FSK信号Fig.4 FSK signal of AD9954

图5 是CFR＜29、28、27）设置为110时，4－tone FSK模式信号的波形.

图5 AD9954的4－tone FSK信号Fig.5 4－tone FSK signal of AD9954

3.3 AD9954相移键控（Phase Shift Keying，PSK）信号的实现

实现AD9954相移键控信号首先要将CFR0（串行地址OX00）寄存器中的CFR＜31＞（寄存器使能位）置1，再将CFR＜30＞置1，即将RAM的输出设置为相位偏移加法器，4个RSCW寄存器中的RSCW＜5、6、7＞置000，相应寄存器片段（RSCW）中开始地址、终止地址和地址变化速率的设置与FSK模式大致相同，但要注意相应SRAM地址中内容储存的是14位相位数值，即＜31、18＞位有效，其余位无效，波形的相位可由式（2）计算获得[8].

式（2）中：N为相位控制字的位数，FN为相位控制字的值；图6是CFR＜29、28、27＞设置为001时双相相移键控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）模式信号的波形.

图6 AD9954的BPSK信号Fig.6 BPSK signal of AD9954

图7 是CFR＜29、28、27＞设置为110时四相相移键控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）模式信号的波形.

图7 AD9954的QPSK信号Fig.7 QPSK signal of AD9954

4 结论

本研究利用ATmega16L对AD9954进行控制，构建硬件实现平台，利用AD9954可编程幅度、频率和相位的特点，结合相应的数据处理软件和控制软件，给出AD9954在高速调制信号系统中的应用方案.本设计信号源电路可以方便容易地获得调幅、扫频、FSK、PSK和跳频等多种调制信号，可广泛应用于数字频率捷变、可编程时钟信号发生器、卫星通信、雷达、测试和测量仪器仪表中，尤其适用于雷达线性调频信号源和自动雷达扫描系统.与传统方法相比，多模式信号源电路更适应当前科学技术的发展趋势，具有显著的优点和良好的应用价值.

[1]袁雪莲，冯伟.基于AD9954信号发生器的设计[J].信息技术，2006（12）：144－146.

[2]许加枫，刘抒珍，刘小红.高性能DDS芯片AD9954及其应用[J].国外电子元器件，2004（11）：23－26.

[3]刘明成，刘瑞安.基于AD9852多模式信号的应用研究[J].天津师范大学学报：自然科学版，2011，31（4）：66－68.

[4]赵艳朝，江修富，许斌，等.基于AD9954实现多种调制信号平台[J].国外电子测量技术，2006（6）：58－61.

[5]潘启中，朱国荣，吕久明.基于超高速AD9954的多模式信号的实现[J].舰船电子工程，2007（3）：98－101.

[6]刘柯，童子权，李德青.基于AD9954的双路高速调制信号源的设计[J].国外电子测量技术，2006（1）：48－50.

[7]白宗文，张威虎，周美丽.一种基于DDS技术400MHz信号源的设计[J].微计算机信息，2007（23）：161－162.

[8]刘明成，孙景瑞，武津城.基于DDS芯片的信号源应用设计[J].天津师范大学学报：自然科学版，2008，28（4）：66－68.