基于CPLD和AD9857的数字化多模式调制单元设计

摘要： 介绍了一种跟踪雷达数字化多模式调制单元的设计方案， 给出了使用CPLD和DDS芯片AD9857 (数字正交上变频器) 来生成调制信号的实现方法， 同时以脉内相位编码信号和非线性调频信号为例， 给出了其软件实现方法， 最后还给出了实测信号波形。

　　0 引言

　　由于微电子和数字电路的飞速发展以及武器系统速度和性能的大幅提高， 系统对雷达、导航、电子测量等领域内设备的频率范围、分辨率、频率转换时间、信号形式多样化等指标也提出了更高的要求。DDS (直接数字合成) 技术以其极高的频率分辨率(几微赫量级)、极短的频率转换时间(几纳秒级)、相对带宽较宽、输出相位连续、具有任意波形输出能力等优势在数字调制电路中得到了广泛应用。

　　本文介绍用于某跟踪雷达中的数字调制单元的应用设计方案。该方案采用DDS与CPLD相结合的方法， 并通过软件加载来产生各种信号， 从而构成灵活可变的多频率、多模式的数字调制器。同时， 该电路还具有数字化， 体积小， 可在线编程等特点。

　　1 数字调制单元设计

　　1.1 工作原理

　　基于DDS芯片和CPLD的某雷达数字调制单元的原理框图如图1所示。该雷达数字调制单元的设计以AD9857为核心， AD9857是AD公司推出的一种高性能通用正交数字上变频器， 其内部集成了半带滤波器、CIC滤波器、反SINC滤波器、高速数模转换器， 其核心是一个相位连续的直接数字频率合成器(DDS)。在正交调制模式下， 该DDS可接受串口输入的频率控制字， 其控制产生的正交本振信号与基带I、Q信号相乘后再相加，即可产生正交调制信号， 最后通过14位的数模转换器变成模拟信号输出， 从而实现信号的数字调制。该电路中CPLD首先通过AD9857的串口将各种控制字写入内部寄存器， 以实现对AD9857的初始化， 串口时钟使用外部10MHz晶振， 初始化完成后， AD9857输出的PDCLK信号可作为I、Q数据的同步时钟。I、Q数据存储在EPROM中，CPLD中的地址产生单元以PDCLK信号作为基准来产生相应的地址， 并将EPROM中的I、Q数据送入AD9857。

图1 数字调制单元框图

　　1.2 串口初始化

　　系统加电时， CPLD便可对AD9857进行初始化。初始化可通过AD9857的串口将各种控制字写入内部寄存器来实现， 串口时钟使用外部10MHz晶振， 其串口连接关系如图2所示。

图2 串口连接电路

　　编写软件可采用MAX+PLUS II作为平台， 采用模块化的方式， 并结合VHDL和原理输入方式来完成， 初始化模块的原理图符号如图3所示。

图3 初始化仿真符号

　　图4所示是初始化部分的MAX+PLUS II仿真结果。

图4 初始化仿真结果

　　1.3 调制数据的并行连接

　　AD9857 的并行接口主要由14位数据线D0～D13、时钟信号PDCLK、传输使能Txenable组成。

　　为了使该电路具有多种调制模式， 可将调制模式数据存储在EPROM CY7C291中， A0～A13为数据地址， A14～A15为调制模式选择。CY7C291的低14位数据D0～D13与AD9857的并行数据口连接，时钟信号由AD9857的PDCLK引脚提供。其并行连接关系如图5 所示。

图5 并行数据口连接电路

　　2 调制信号的生成

　　2.1 相位编码调制信号的生成

　　通常任意已调信号可以表示为:

　　若令： I (n) =cosФ (n)， Q (n) =- sinΦ (n)，则I (n)、Q (n) 即是已调信号对应的I、Q基带数据。该跟踪雷达使用0、π相位编码信号， 在式(1) 中： 若I (n) =0， Q (n) =FFH (低8位全是1)，则： S (n) = sin (ω0n)； 若I (n) =FFH (低8位全是1)， Q (n) =0， 则S (n) =cos (ω0n)。

　　生成相位相差π的相同频率的正弦波， 即可得到0、π相位调制信号对应的I、Q数据。由于并行数据流中的I、Q两路信号是交替传输的， 所以， EPROM中存储的I、Q数据如图6所示。

图6 0、π相位调制信号I、Q数据

　　为了快捷地控制频率， 可在AD9857中将不同的频率控制字存储在不同的Profile中， 然后用外部信号控制PS1、PS0引脚的切换， 从而实现不同中心频率信号的快速生成。

　　2.2 非线性调频信号

　　在非线性调频模式中(计算方式类同3.1.2)使用的基带I、Q数据如图7所示。

图7 非线性调频信号I、Q数据

　　Txenable信号为占空比为10%的脉冲信号，可作为外部脉冲控制的输入信号。所产生的非线性调频信号的频谱如图8所示。图中的非线性调频信号的中心频率为30 MHz， 带宽为1.5 MHz。

图8 非线性调频信号频谱图

　　3 结束语

　　通过测试数据说明， 本文所述的数字调制系统可产生多种形式的调制信号， 并可在脉冲间切换， 而且体积小， 便于系统集成。该系统目前已应用于某跟踪雷达系统， 使用证明， 其设计可以满足整机要求， 使用效果良好。