作者：劉大成，齊睿，沈鵬，張洪水

1 引言

在雷達設計中，上變頻電路的作用是將晶體振蕩器產生的雷達信號混頻成射頻信號，經信號放大，達到發射機所需的功率，經濾波后將信號送至發射機，通過雷達天線發射。一般雷達的上變頻電路采用混頻方式設計，由放大器、濾波器、耦合器、隔離器等元器件組成，設計存在電路復雜、穩定度不高、調試困難等缺點。因此，選擇QDUC器件AD9957為核心設計雷達上變頻器，取代傳統的上變頻電路。

2 器件介紹

2．1 AD9957

AD9957是一款1 GS／s速度正交數字上變頻器（ODUC），它有18路I／Q數據通道和14位D／A轉換器，具有頻率轉換時間短、頻率分辨率高、頻率穩定度高、輸出信號頻率和相位可快速程控切換、器件體積小、功耗低等優點，因此可以很容易地對信號進行上變頻操作。該器件還擁有250 MHz的I／O數據吞吐量速率，相位噪聲小于－125 dBc／Hz，SFDR（無雜散動態范圍）大于80 dB，具有增強數據吞吐量的串行I／O端口（SPI），內置多器件同步功能，可采用軟件／硬件控制以降低功耗，支持測試向量和幅度斜坡式控制功能，1．8 V供電，超低功耗。

AD9957支持高達400 MHz輸出的QDUC，內部集成有高速DDS、14 bit D／A轉換器、時鐘倍頻電路和數字濾波器。通過一個公用系統時鐘在器件內部同步獨立的通道，AD9957可對由于模擬處理（例如濾波、放大）或PCB布線失配而產生的外部信號通道的不均衡進行有效的校正。AD9957的內部結構如圖1所示。它由并行數據時序和控制邏輯、程序寄存器、反向正弦濾波器、內插級聯積分梳狀濾波器、內部時鐘控制邏輯A／D轉換器、數據寄存器和SPI串行通信接口控制器等組成。圖中Cs為器件的片選信號輸入端，低電平有效。SDIO為雙向引腳，和SDO引腳一起用于串行操作的數據輸入和輸出。SCLK為I／O串行操作時鐘輸入端，在該端的上升沿寫入數據，下降沿讀出數據。IOUT為輸出引腳，有一個互補輸出端，使用時需接電阻至數字地。

2．2 STC12C5410

單片機選擇STC12C5410，它是新一代增強型、低功耗51單片機，具有2 KB非易失。E2PROM和SPI接口，非常方便與AD9957接口實現對信號的控制。同時由于STC12C5410具有先進的RISC精簡指令集結構、硬件看門狗、4路．PWM、8路高速A／D轉換、超強抗干擾、寬電壓和低功耗等特點，在此作為控制器件使用。

3 工作過程和SPI接口通信

3．1 QDUC工作原理

AD9957有多種工作模式，在此選用數字上變頻工作模式。18位I路數據和18位Q路數據并行輸入，輸入過程以交叉存取的方式進行，即一組18位的I路數據后面緊跟著一組18位的O路數據，后面再緊跟著一組18位的I路數據，以此類推。對I、Q兩路信號同時進行內部采樣，每個采樣數據以并行方式傳播。I、Q數據通道激活后，并行數據時鐘保證I、Q數據同步傳送。引腳PROFILE和I／O_UPDATE同步并行數據時鐘。

數字頻率合成器核心提供一個積分振蕩器。產生一個求積分的調制數據流，數據流通過反向正弦濾波器發送。經14位D／A轉換器，由此產生求積分的調制模擬輸出信號。

3．2 SPI接口通信

AD9957具有SPI串行通信接口，極易實現與單片機的通信。SPI通信是通過SDIO、SDO、CS和SCLK等引腳實現的。為能正確傳送數據到AD9957的數據寄存器，需嚴格遵循通信命令格式及時序要求。表1為讀取寄存器命令格式。命令序列由8位二進制數組成，第1位為讀／寫控制位，為“1”則讀取寄存器數據，為“0”則向寄存器中寫入數據；中間兩位為無關位：最后5位為寄存器選擇位，DO～D4分別對應寄存器A0～A4。圖2說明向AD9957寫指令或數據的操作時序。

AD9957與單片機的通訊周期分為2個階段，第1階段為指令周期，當SCLK為上升沿時，將8位數據依次寫入AD9957中；第2階段為數據傳送周期，此時傳送波形參數的控制字。其中CS為低電平的時間必須為16個時鐘的整數倍，否則將中止命令。STC12C5410單片機為了與AD9957的SPI通信相對應，單片機選擇主模式作為主機工作，AD9957作為從機工作。按照AD9957的時序圖要求，STC12C5410配置如下：控制位CPHA=1，前時鐘沿驅動，后時鐘沿采樣，CPOL＝0.SPICLK空閑時為低電平，前時鐘沿為上升沿，后時鐘沿為下降沿。SPI時鐘速率選擇為CPUCLK／16。

4 硬件電路設計

AD9957實現的雷達上變頻電路的原理如圖3所示。該電路由QDUC器件AD9957、晶體振蕩器、放大濾波電路、鍵盤、分壓電阻和單片機STC12C5410等組成。首先通過鍵盤向單片機發送指令參數，設置輸出信號參數。單片機通過SPI接口與AD9957連接，單片機設為主工作模式，完成對AD9957內參數的寫操作。為提高SPI通信的可靠性，在時鐘SCLK、SDIO、SDO各線上可加100 pF的對地電容以濾除干擾毛刺。由于AD9957的IOUT輸出端采用電流輸出方式，所以在輸出端需接對地電阻，將電流信號變為電壓信號。IOUT端輸出范圍為8．6～31．6 mA，典型輸出為20 mA，在此選擇阻值為50 Ω的電阻接地，則經電流電壓轉化后，其輸出電壓約為1 V。在輸出電路的后級，設計濾波放大電路，以使電路達到設計的輸出要求，當頻率發生變化時，濾波電路的頻幅特性使其輸出電壓有效值也會發生一定變化，要求在后級放大電路中加入動態調節放大電路，以使輸出信號幅度達到要求。

5 軟件設計

AD9957的軟件設計主要完成SPI數據讀取及處理工作，采用匯編語言編寫，程序流程如圖4所示。首先將頻率寫入AD9957中，再將不同的相位寫入其中，使AD9957產生頻率相同、相位不同的I／Q信號，在寫入過程中，將“RESET”置“1”，使AD9957不輸出信號；當控制字全部寫入后，調整后級放大器的倍數。同時將“RESET”置“0”，使AD9957開始工作，當頻率變化時，幅度保持不變。

6 結束語

QDUC作為上變頻電路的核心，具有高穩定性、高精度、高分辨率、低功耗等優點，是上變頻電路的發展方向，在雷達、通訊與測量等許多方面都有重要的應用價值。

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