基于QDUC的雷达上变频电路的设计

1 引言
    在雷达设计中，上变频电路的作用是将晶体振荡器产生的雷达信号混频成射频信号，经信号放大，达到发射机所需的功率，经滤波后将信号送至发射机，通过雷达天线发射。一般雷达的上变频电路采用混频方式设计，由放大器、滤波器、耦合器、隔离器等元器件组成，设计存在电路复杂、稳定度不高、调试困难等缺点。因此，选择QDUC器件AD9957为核心设计雷达上变频器，取代传统的上变频电路。

2 器件介绍
2．1 AD9957
    AD9957是一款1 GS／s速度正交数字上变频器(ODUC)，它有18路I／Q数据通道和14位D／A转换器，具有频率转换时间短、频率分辨率高、频率稳定度高、输出信号频率和相位可快速程控切换、器件体积小、功耗低等优点，因此可以很容易地对信号进行上变频操作。该器件还拥有250 MHz的I／O数据吞吐量速率，相位噪声小于－125 dBc／Hz，SFDR(无杂散动态范围)大于80 dB，具有增强数据吞吐量的串行I／O端口(SPI)，内置多器件同步功能，可采用软件／硬件控制以降低功耗，支持测试向量和幅度斜坡式控制功能，1．8 V供电，超低功耗。
    AD9957支持高达400 MHz输出的QDUC，内部集成有高速DDS、14 bit D／A转换器、时钟倍频电路和数字滤波器。通过一个公用系统时钟在器件内部同步独立的通道，AD9957可对由于模拟处理(例如滤波、放大)或PCB布线失配而产生的外部信号通道的不均衡进行有效的校正。AD9957的内部结构如图1所示。它由并行数据时序和控制逻辑、程序寄存器、反向正弦滤波器、内插级联积分梳状滤波器、内部时钟控制逻辑A／D转换器、数据寄存器和SPI串行通信接口控制器等组成。图中Cs为器件的片选信号输入端，低电平有效。SDIO为双向引脚，和SDO引脚一起用于串行操作的数据输入和输出。SCLK为I／O串行操作时钟输入端，在该端的上升沿写入数据，下降沿读出数据。IOUT为输出引脚，有一个互补输出端，使用时需接电阻至数字地。

2．2 STC12C5410
    单片机选择STC12C5410，它是新一代增强型、低功耗51单片机，具有2 KB非易失。E2PROM和SPI接口，非常方便与AD9957接口实现对信号的控制。同时由于STC12C5410具有先进的RISC精简指令集结构、硬件看门狗、4路．PWM、8路高速A／D转换、超强抗干扰、宽电压和低功耗等特点，在此作为控制器件使用。

3 工作过程和SPI接口通信
3．1 QDUC工作原理
    AD9957有多种工作模式，在此选用数字上变频工作模式。18位I路数据和18位Q路数据并行输入，输入过程以交叉存取的方式进行，即一组18位的I路数据后面紧跟着一组18位的O路数据，后面再紧跟着一组18位的I路数据，以此类推。对I、Q两路信号同时进行内部采样，每个采样数据以并行方式传播。I、Q数据通道激活后，并行数据时钟保证I、Q数据同步传送。引脚PROFILE和I／O_UPDATE同步并行数据时钟。
    数字频率合成器核心提供一个积分振荡器。产生一个求积分的调制数据流，数据流通过反向正弦滤波器发送。经14位D／A转换器，由此产生求积分的调制模拟输出信号。
3．2 SPI接口通信
    AD9957具有SPI串行通信接口，极易实现与单片机的通信。SPI通信是通过SDIO、SDO、CS和SCLK等引脚实现的。为能正确传送数据到AD9957的数据寄存器，需严格遵循通信命令格式及时序要求。表1为读取寄存器命令格式。命令序列由8位二进制数组成，第1位为读／写控制位，为“1”则读取寄存器数据，为“0”则向寄存器中写入数据；中间两位为无关位：最后5位为寄存器选择位，DO～D4分别对应寄存器A0～A4。图2说明向AD9957写指令或数据的操作时序。

    AD9957与单片机的通讯周期分为2个阶段，第1阶段为指令周期，当SCLK为上升沿时，将8位数据依次写入AD9957中；第2阶段为数据传送周期，此时传送波形参数的控制字。其中CS为低电平的时间必须为16个时钟的整数倍，否则将中止命令。STC12C5410单片机为了与AD9957的SPI通信相对应，单片机选择主模式作为主机工作，AD9957作为从机工作。按照AD9957的时序图要求，STC12C5410配置如下：控制位CPHA=1，前时钟沿驱动，后时钟沿采样，CPOL＝0.SPICLK空闲时为低电平，前时钟沿为上升沿，后时钟沿为下降沿。SPI时钟速率选择为CPUCLK／16。

4 硬件电路设计
    AD9957实现的雷达上变频电路的原理如图3所示。该电路由QDUC器件AD9957、晶体振荡器、放大滤波电路、键盘、分压电阻和单片机STC12C5410等组成。首先通过键盘向单片机发送指令参数，设置输出信号参数。单片机通过SPI接口与AD9957连接，单片机设为主工作模式，完成对AD9957内参数的写操作。为提高SPI通信的可靠性，在时钟SCLK、SDIO、SDO各线上可加100 pF的对地电容以滤除干扰毛刺。由于AD9957的IOUT输出端采用电流输出方式，所以在输出端需接对地电阻，将电流信号变为电压信号。IOUT端输出范围为8．6～31．6 mA，典型输出为20 mA，在此选择阻值为50 Ω的电阻接地，则经电流电压转化后，其输出电压约为1 V。在输出电路的后级，设计滤波放大电路，以使电路达到设计的输出要求，当频率发生变化时，滤波电路的频幅特性使其输出电压有效值也会发生一定变化，要求在后级放大电路中加入动态调节放大电路，以使输出信号幅度达到要求。

5 软件设计
    AD9957的软件设计主要完成SPI数据读取及处理工作，采用汇编语言编写，程序流程如图4所示。首先将频率写入AD9957中，再将不同的相位写入其中，使AD9957产生频率相同、相位不同的I／Q信号，在写入过程中，将“RESET”置“1”，使AD9957不输出信号；当控制字全部写入后，调整后级放大器的倍数。同时将“RESET”置“0”，使AD9957开始工作，当频率变化时，幅度保持不变。

6 结束语
    QDUC作为上变频电路的核心，具有高稳定性、高精度、高分辨率、低功耗等优点，是上变频电路的发展方向，在雷达、通讯与测量等许多方面都有重要的应用价值。