DSP控制AD9959实现快速跳频的接口设计

【摘要】本文介绍了直接数字合成（Direct Digital Synthesic缩写DDS）技术的工作原理及特点，并给出了DSP控制DDS芯片AD9959实现快速跳频的接口设计方案。

【关键词】跳频；DDS；AD9959；SPI串行通信

1.引言

跳频通信是扩频通信的一种主要形式。由于其具有抗干扰、抗截获的能力，并能做到频谱资源共享，在当前军事抗干扰通信系统中被广泛应用。跳频通信系统的一项重要参数是频率的跳变速度。它在很多程度上决定了跳频通信系统抗跟踪式干扰的能力，这一点在电子对抗中尤为重要。因此，快速跳频频率合成器的设计就成为跳频通信的关键之一。直接数字合成（DDS）是近年来迅速发展起来的一种新的频率合成方法。这种方法简单可靠、控制方便，且具有很高的频率分辨率和转换速度，非常适合快速跳频通信的要求。本文将介绍DDS的工作原理，并给出基于DDS的跳频频率合成器的设计。

2.DDS的结构及工作原理

直接数字频率合成是采用数字化技术，通过控制和位的变化速度，直接产生各种不同频率信号的一种频率合成方法。DDS的结构原理框图如图1所示，它由相位累加器、波型存储器、数模转换器、低通滤波器和参考时钟五部分组成。参考时钟fc由一个稳定的晶体振荡器产生，用它来同步整个合成器的各个组成部分。在参考时钟的控制下，相位累加器对频率控制字K进行线性累加，得到的相位码对波型存储器寻址，使之输出相应的幅度码，经过数模转换器得到相应的阶梯波，最后经低通滤波器对阶梯波进行平滑处理，得到所需频率的波形。

3.DDS的特点及跳频能力

新一代的直接数字频率合成器采用全数字的方式实现频率合成，与传统的频率合成技术相比，具有以下特点：

（1）频率转换快。直接数字频率合成是一个开环系统，无任何反馈环节，其频率转换时间主要由频率控制字状态改变所需的时间及各电路的延时时间所决定，转换时间很短；

（2）频率分辨率高、频点数多。DDS输出频率的分辨率和频点数随机位累加器的位数的增长而呈指数增长，分辨率高达μHz；

（3）相位连续。DDS在改变频率时只需改变频率控制字（即累加器累加步长），而不需改变原有的累加值，故改变频率时相位是连续的；

（4）相位噪声小。DDS的相位噪声主要取决于参考源的相位噪声；

（5）控制容易、稳定可靠。

衡量跳频频率合成器性能指标的因素有：频率范围、频率分辨率、频率转换时间、频率准确度和稳定度、频谱纯度等。其中，跳频速度和频率点数是决定跳频通信系统性能的主要因素，系统的抗干扰和保密能力随频率点数的增高和跳速的加快而加强。从DDS的特点可以看出，直接数字频率合成器各个性能指标都较高，特别是其频率转换速度，因此它是实现快速跳频频率合成器的最佳选择。

4.基于DDS芯片AD9959实现快速跳频的接口设计方案

4.1 DDS芯片的选择

现在国外已经有非常成熟的DDS芯片。Qualcomm公司推出了DDS系列Q2220、Q2230、Q2334、Q2240、Q2368，其中Q2368的时钟频率为130MHz，分辨率为0.03Hz，杂散控制为-76dBc，变频时间为0.1μs；美国AD公司也相继推出了他们的DDS芯片：AD985x系列和AD995x系列，如可以实现线性调频的AD9852、两路正交输出的AD9854以及以DDS为核心的QPSK调制器AD9853、数字上变频器AD9856和AD9857。AD公司的产品全部内置了D/A变换器，称为Complete-DDS。其中AD9852时钟频率为300MHz，近端杂散抑制优于-80dBc，远端优于-48dBc，相位噪声为-148dBc/Hz@10kHz，频率跳变速度为130ns，频率分辨率为1uHz。四通道的AD9959和2通道的AD9958中的每一个通道都含有一个高速10位DAC，该DAC具有优良宽带SFDR和窄带SFDR。其中每一个完全可独立编程的通道都提供14位的相位偏移控制，32位频率分辨率控制和10位幅度控制。这些器件还支持直接和线性扫描调制，同时可以达到大于60db的通道隔离度，集成的32位频率控制字在采样时钟高达500MSPS时能够使每个通道的分辨率设置到116MHz或小于116MHz。本文介绍的方案使用Analog Devices公司推出的新一代DDS芯片AD9959，该新芯片比早期DDS芯片以更低的功耗提供频率高达500MHz的内部时钟。

4.2 频率合成方案

图2是以DDS为核心的跳频频率合成器的结构框图。它主要由DSP、AD9959、时钟产生电路、滤波器等组成。DSP采用TI公司的TMS320VC33，由于该芯片和AD9959都是3.3V供电，所以可以直接将二者的数据线相连。DSP与AD9959的硬件接口如图3所示。

4.2.1 DDS的时钟

AD9959内含振荡电路，因此外加一晶体就可产生系统时钟。也可以不用内部振荡电路而直接引入外部时钟信号。外部时钟信号可以是单端信号或差分信号，并且可以通过配置相应的控制寄存器和控制信号，得到不同的时钟模式。为了减少共模干扰，通常采用差分外部时钟输入方法。本电路中使用高稳定度的有源晶振，然后由差分接收器MC100LVEL16D将晶振输出的单端信号转换为符合AD9959的差分信号。

4.2.2 AD9959的SPI串行控制

4.2.3 串行传送数据的使能

所有输入AD9959的数据在时钟上升沿写入，而所有从AD9959输出的数据则在时钟下降沿读出。由串口传送的数据首先被写入I/O缓存中，而只有当这些数据被写入寄存器组后，AD9959才能完成相应的功能。传送过程的完成通过以下两种方式进行：

（1）通过内部更新信号完成，这时数据的传送是自动的；

（2）通过外部更新信号完成，这时数据的传送由用户完全控制；用户通过对 AD9959的第46脚（IO_UPDATE）的操作来完成。这时将IO_UPDATE引脚与外部控制信号相连，由外部控制单元的频率更新信号来完成更新。

要让AD9959工作，需要先对AD9959进行初始化。当片选/CS信号为低时，数据在SCLK控制下从串行输入口SDIO_0对AD9959进行初始化，包括写通道选择寄存器CSR、功能寄存器FR1、功能寄存器FR2、通道功能寄存器CFR、通道频率控制字CTW0及相位控制字CPW0、振幅控制寄存器ACR、LSR、RDW和FDW等，如果不对相应的寄存器初始化，那么各寄存器的初值则按默认值设置（具体值详见AD9959数据手册）。由于AD9959的复位信号是高电平有效，因此将DSP的复位信号经过反相后连接到AD9959的复位引脚Reset，使两芯片可以同时上电复位。

5.结束语

本文介绍的利用DSP控制DDS芯片AD9959来实现快速跳频频率合成器的设计已在实际应用中取得了成功。实验表明，AD9959具有分辨率高，转换速度快，体积小，系统工作稳定，使用方便等特点。通过DSP的控制，可以广泛地应用在通信、导航、制导等电子系统中。DDS构成的频率合成器必将成为快速跳频通信系统频率合成器的主流。

参考文献

[1]http：///AD9959 DataSheet.pdf

[2]http：///TMS320VC33.pdf

[3]http：///TMS320C3x User’s Guide.pdf

作者简介：

岳超峰（1978―），男，工程师，现供职于陕西凌云电器集团有限公司设计所，主要从事复杂数字信号处理、接口控制方面的应用与开发。

范以训（1981―），男，工程师，现供职于陕西凌云电器集团有限公司设计所，主要从事数字电路设计方面的应用与开发。