1 引言
雷達回波模擬在雷達系統的設計、改進和定型中具有十分重要的意義。AD9856是美國ADI生產的正交數字上變頻器，其內部集成了1個高速直接數字頻率合成器(DDS)、1個12位高速、高性能數/模轉換器、時鐘倍頻電路、數字濾波器及其他數字信號處理功能模塊。它具有低成本、低功耗、體積小、動態范圍大等優點，可以處理來自DSP的成型后的基帶抽樣值序列，將其上變頻變為中頻，產生雷達回波的中頻模擬信號。AD9856可以應用在通信和雷達等系統中。
2 AD9856的工作原理
2.1 AD9856的基本功能
AD9856的基本特性和技術指標如下：
●+3V單電源供電；
●直流到80MHz的輸出帶寬；
●在40MHz輸出頻率下具有大于52dB的SF-DR，在70MHz輸出頻率下，SFDR大于48dB，在70MHz輸出頻率下的窄帶SFDR大于80dB；
●有采樣率可編程的內插濾波器；
●有可編程的參考時鐘倍頻器；
●有內置的Sinx/x補償濾波器；
●有雙向控制總線接口；
●支持突發和持續Tx二種模式
；
●單頻模式可用于直接頻率合成。
2.2 AD9856的原理及各部分的功能
(1)數據復合和串并轉換
AD9856的結構如圖1所示。AD9856內部的數據格式是12bit的二進制補碼。基帶信號的I、Q2路數據是交替輸入的，數據復合器需對輸人數據進行識別，將其轉換成I、Q2路并行數據流，送往下一級電路。
(2)半帶濾波器(HBF)
半帶濾波器(HBF)分為3級：HBFl、HBF2和HBF3。其中HBFI是47階濾波器，HBF2是15階濾波器，前2級HBF的聯合內插損失僅為0.01dB，HBF3是可選11階濾波器，它對信號的損耗為0.03dB。每級HBF可使數據的采樣率提高1倍，為了使信號頻帶處于濾波器通帶的平坦部分，需要提高HBF的截止頻率，也就是說在數據輸入AD9856之前要進行過采樣。
(3)級聯積分梳狀濾波器
AD9856的CIC實際上是可編程的過采樣濾波器，過采樣率的范圍是2≤R≤63。隨著R的改變， CIC會引入不同的插入損耗。為了彌補這種損耗。用戶可以設置CIC增益位，使得CIC的輸出增大1倍。但在這種工作模式下，必須確保輸出信號不會溢出。
(4)正交調制
AD9856的正交調制就是將基帶信號的頻譜移到所需要的載波頻率上，即通常所說的上變頻。正交調制所需要的余弦和正弦2路數字載波由1個高速直接數字信號合成器(DDS)產生，其頻率可以通過設置相應的寄存器來控制。這2路數字載波分別與CIC輸出的I、Q數據相乘，然后再進行相加或相減，即得到調制后的數字中頻信號。CIC輸出的I、Q數據的采樣率與DDS數字載波的采樣率是相同的，也就是AD9856的系統時鐘采樣率(SYSCLK)。所以，調制后的信號實際上是一組采樣率為SYSCLK的數據流。
(5)數/模轉換
調制后的數字信號要經過12位的DAC轉換成模擬信號。DAC通過零階保持實現數/模轉換。由于存在零階保持效應，所以其輸出信號的頻譜實際上是被SINC包絡加權過的。因此需要在DAC前面加上1個反SINC型濾波器(ISF)對輸人數據流進行處理，以校正SINC包絡造成的失真。而數/模轉換會在n*SYSCLK±fCARRIER(n=1，2，3)處產生干擾信號，這些干擾信號可以通過1個外接RLC濾波器濾除。一般情況下，使用1個7階橢圓低通濾波器即可。AD9856提供2路互補的2個電流輸出，輸出電流的滿額值IOUT范圍是5mA～20mA，可以通過其25引腳的DAC RSET，來設置。其關系為 RSET="39".936/IOUT
(6)控制單元
AD9856提供了1個靈活的同步串行通信接口，這個接口可以讀寫，AD9856的所有寄存器。控制單元根據各個寄存器的內容設置AD9856的工作模式。AD9856還提供了1個與AD8320(可編程電纜驅動放大器)串行通信的接口。控制單元可以通過這個串口直接設置AD8320的增益。
(7)輸入數據模式
AD9856提供了二種輸人數據的時序模式：突發模式和連續模式。在突發模式下．AD9856通過TxENABLE的上升沿來保持與輸人數據的同步。突發模式支持全部3種字長(12bit、6bit和3bit)。對于連續模式，TxENABLE可以看成輸入數據時鐘。該信號除了用來同步外，還可以指示輸入數據是I路還是Q路(1表示I路，O表示Q路)。連續模式只支持12bit字長。圖2和圖3分別示出二種輸入模式的時序關系，其中INTERNAL I和INTERNAL Q為數據分離所產生的并行I和Q數據流。
3 在PD雷達回波模擬器中的應用
3.1 硬件組成
本系統由ADI的QDU AD9856、DGA AD8369、TSl01型DSP及Altera公司的EP1K30型FPGA組成，結構框圖如圖4所示。
在圖4中，TS101產生正交I和Q2路雷達回波數據，TSl0l通過外部總線將AD9856和AD8369的配置信息寫入EP1K30。由于AD9856要求的配置信息是串行寫入的，因此，需在EP1K30內將TS101送出的并行指令變為串行指令，并按照AD9856時序要求送入AD9856。將AD9856配置好后，TSl01以DMA方式將正交I和Q2路雷達回波數據通過數據總線送至AD9856，AD8369將AD9856產生的中頻模擬信號放大后，送入下一級電路處理。
3.2 AD9856串口操作
同步串口包括CS、SYNC I/O、S
CLK、SDIO和SDO 5條信號線。其中，CS為低有效串口使能信號；SYNC I/O為串口同步恢復信號，當串口失去同步后，可在SYNC I/O上加1個正脈沖使串口恢復初始狀態；SCLK為串口的數據時鐘信號；SDIO為雙向數據線，當串口置于雙線(SCLK和SDIO)方式時，SDIO為雙向數據線。當置于3線(SCLK、SDIO和SDO)模式時．其輸出功能由SDO替代。對串口的操作有嚴格的時序要求，1個串口通信周期為指令周期和數據讀寫周期。在初始狀態，串口等候SCLK(上的8個上升沿指示的8bit指令，然后進行由指令設定的1-4個字節的數據讀寫，讀串口由SCLK下降沿指示，而寫串口由SCLK上升沿指示。完成后又等待下1個周期的到來。
根據串口寫時序要求設計控制電路，在FPGA中實現AD9856的串口操作，對AD8369的控制也在此電路中實現。控制電路的原理框圖如圖5所示。
用FPGA將DSP輸出的并行指令變換為串行，指令的轉換時必須注意以下幾點：
(1)串口支持MSB在前和LSB在前二種格式，通過寄存器O的第6位設置，并且對該位的設置是立即有效的。即如果當前操作對該位進行修改，則下1個字節的傳輸就會采用新的格式。
(2)對多字節傳輸的通信周期，如果MSB在前，寄存器地址遞減；如果LSB在前，寄存器地址遞增。
(3)外部控制器必須與AD9856同步，如果失去同步。可由SYNC I/O重新產生同步，不必對這個電路進行復位。
通過AD9856的串口設置好工作參數后，TS101以DMA方式將正交的I和Q2路數據交替送入AD9856得到正交上變頻后的模擬信號。
4 結束語
本系統利用AD9856實現正交上變頻，模擬了雷達回波波形，達到了預期的技術指標，在實際工程中運行良好。此外，此系統還可以產生通信中常用的2ASK、2FSK和2PSK等信號，試驗證明其效果良好。