AD9857數(shù)字上變頻芯片在電力線通信發(fā)射機(jī)中的應(yīng)用

0 引言
??? 電力線通信PLC (Power Line Communication)技術(shù)作為一種新型的通信方式，被廣泛用于遠(yuǎn)程監(jiān)控指示、設(shè)備保護(hù)、電力線自動(dòng)抄表、電網(wǎng)負(fù)載控制和供電管理等領(lǐng)域。隨著通信科技的不斷發(fā)展，軟件無線電技術(shù)為電力線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了新的方法。

基于軟件無線電的電力線通信發(fā)射機(jī)硬件平臺(tái)包括FPGA模塊、AD9857上變頻模塊、濾波放大模塊及其它模塊。其中，F(xiàn)PGA模塊用于進(jìn)行基帶處理和系統(tǒng)控制。AD9857模塊用于實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)的數(shù)字上變頻，并將基帶信號(hào)變頻為中頻信號(hào)，然后通過濾波放大模塊，送入電力線耦合模塊。因此AD98-57是連接數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)的橋梁，其性能的好壞將影響電力線通信的質(zhì)量。

1 AD9857的工作原理
??? AD9857是由Analog Devices公司研發(fā)的14位積分?jǐn)?shù)字上變頻器件，具有200 MHz內(nèi)部時(shí)鐘速度。它集成了帶鎖定指示器的4～20倍可編程時(shí)鐘倍頻器，可提供高精度的系統(tǒng)時(shí)鐘；可選擇單端或者差分輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘，輸入時(shí)鐘范圍為10～50MHz；具有14位DUC、DAC數(shù)據(jù)通道，且集成了兩個(gè)插值濾波器及CIC預(yù)先補(bǔ)償濾波器，可接受復(fù)合I／Q數(shù)據(jù)輸入；具有32位頻率控制字，最高可產(chǎn)生90 MHz的載波輸出，同時(shí)由DDS提供正交載波，可實(shí)現(xiàn)PAM、QAM、ASK、FSK等多種信號(hào)的上變頻調(diào)制；具有10MHz串行通信控制接口，可與SPI兼容；具有8位的輸出幅度控制及較好的動(dòng)態(tài)輸出特性，例如當(dāng)輸出65 MHz模擬信號(hào)時(shí)，其無雜散動(dòng)態(tài)范圍SFDR大于80 dB。
??? AD9857主要由14位并行數(shù)據(jù)輸入接口、CIC反轉(zhuǎn)濾波器、固定插值因子濾波器、CIC可編程插值濾波器、正交調(diào)制器、直接數(shù)字頻率生成器DDS、反轉(zhuǎn)SINC濾波器、14位DAC以及串行通信端口、內(nèi)部寄存器、時(shí)鐘電路等部分組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能如圖1所示。

??? AD9857有三種工作模式：正交調(diào)制模式、單頻模式以及內(nèi)插數(shù)模轉(zhuǎn)換模式。此處選取正交調(diào)制模式。AD9857的核心部分是內(nèi)插濾波器與正交數(shù)字混頻器。內(nèi)插濾波器通過在原始取樣值附近增加新的取樣值——零值來增加輸出信號(hào)的采樣率，但在時(shí)域中向數(shù)據(jù)插入零值時(shí)，信號(hào)將會(huì)在頻域上產(chǎn)生原始信號(hào)頻譜的鏡像。因此，還需通過低通濾波器將鏡像頻譜濾除。正交數(shù)字混頻器將內(nèi)插后的I／Q信號(hào)與正交載波信號(hào)進(jìn)行數(shù)字混頻，來完成上變頻過程。正交載波信號(hào)由直接數(shù)字頻率合成器DDS產(chǎn)生，其載波頻率可通過一個(gè)32位的寄存器控制，具有較高的頻率精度。

2 AD9857的初始化
??? AD9857的初始化主要是通過對(duì)一個(gè)串行接口配置AD9857及其內(nèi)部參數(shù)的方式進(jìn)行。AD9857提供了一個(gè)靈活的同步串行通信口，該串口兼容Motorola的6095／11 SPI協(xié)議及Intel8051SSR等協(xié)議，允許對(duì)配置AD9857的所有寄存器進(jìn)行讀寫操作。同時(shí)，在支持單字節(jié)和多字節(jié)傳輸
方式的情況下還可支持先傳MSB，或先傳LSB的傳輸方式，此處選用MSB方式，其串口管腳包括CS、SDIO、SD0、SCLK和SYNCIO。
??? AD9857的一個(gè)串口通訊周期分為以下兩個(gè)階段：
??? 第一階段是指令周期，即對(duì)AD9857的指令字節(jié)的寫入。指令字節(jié)給AD9857的串口控制提供有關(guān)數(shù)據(jù)傳輸周期的信息，并可確定即將到來的數(shù)據(jù)傳輸是讀還是寫、數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)以及傳輸?shù)牡谝粋€(gè)字節(jié)的寄存器地址。
??? 第二階段是數(shù)據(jù)傳輸周期。每個(gè)通訊周期的前8個(gè)SCLK上升沿用來寫AD9857的指令字節(jié)，其余的SCLK上升沿是為了通訊周期的第二個(gè)階段，即AD9857和系統(tǒng)控制器間的數(shù)據(jù)傳輸。AD9857的所有數(shù)據(jù)傳輸在SCLK上升沿被寄存，在下降沿被送出。圖2所示是寄存器數(shù)據(jù)寫時(shí)序圖。
SYNCIO信號(hào)可用于串口同步。當(dāng)傳輸一個(gè)周期后，為防止符號(hào)同步丟失，應(yīng)使SYNCIO信號(hào)拉升為一高電平，并持續(xù)一個(gè)時(shí)鐘周期，而后重新拉低，即開始下一個(gè)通信周期。

在本系統(tǒng)中將AD9857配置為正交工作模式，需要設(shè)置的寄存器組共有8個(gè)，地址為00h～07h，另外的18個(gè)寄存器與該工作模式無關(guān)，因而無需設(shè)置。串口中一個(gè)通信周期最多只能傳輸4個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，因此，應(yīng)分兩個(gè)通信周期完成寄存器組的寫入。在兩個(gè)通信周期中，第一個(gè)指令字節(jié)和其中四個(gè)字節(jié)寄存器數(shù)據(jù)組成第一個(gè)通信周期；第二個(gè)指令字節(jié)和另四個(gè)字節(jié)寄存器數(shù)據(jù)組成第二個(gè)通信周期。
??? 內(nèi)部控制寄存器地址分布范圍為00h～19h，其中00h和01h是共用的，可對(duì)AD9857的工作模式、高低位順序、鎖相環(huán)倍頻數(shù)、串口工作模式、自動(dòng)節(jié)能、CIC溢出控制處理、PLL鎖相環(huán)失效處理等運(yùn)行方式進(jìn)行設(shè)置。從02h～19h共分為4組相同結(jié)構(gòu)的寄存器，每一組長(zhǎng)度為6 byt-e，其中有存儲(chǔ)DDS的頻率控制字、CIC可編程插值濾波器的插值倍數(shù)N及輸出增益控制。各組的值可以預(yù)先設(shè)定，在AD9857工作時(shí)可以通過直接配置管腳PS0、PSl來選定所需要的功能組，從而達(dá)到快速更改工作參數(shù)的目的。
??? 此過程需用到的計(jì)算公式有：
????
??? 本系統(tǒng)參考時(shí)鐘輸入為10 MHz的單端時(shí)鐘，設(shè)置PLL時(shí)鐘倍數(shù)為PLL_MUL=4，則系統(tǒng)時(shí)鐘為SYSCLK=40 MHz。系統(tǒng)需要并口數(shù)據(jù)輸入速率為PDCLK=1．25 MHz，則根據(jù)公式：
???
??? 其中CIC濾波器的插值倍數(shù)為N_CIC=8，AD9857的載波頻率為4 MHz，則混頻器DDS的輸出頻率即為fout_DDS=4 MHz，其頻率控制字寄存器FTW設(shè)置為0x19999999。

3 AD9857的數(shù)據(jù)傳輸過程
??? 在完成初始化后，AD9857即進(jìn)入正交調(diào)制模式。數(shù)據(jù)通過14位并行口送入。AD9857的數(shù)據(jù)傳輸接口如圖3所示。

??? 各引腳功能為：
??? DO—D13：數(shù)據(jù)傳輸端口，14位并行端口；
??? PDCLK：輸入數(shù)據(jù)同步時(shí)鐘，2．5 MHz，由AD9857提供給FPGA；
??? TxENABLE：傳輸使能信號(hào)，當(dāng)信號(hào)為0時(shí)，屏蔽輸入數(shù)據(jù)，自動(dòng)在I／Q通道填0；當(dāng)信號(hào)為1時(shí)，接收數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)上升沿來到時(shí)，開始接收數(shù)據(jù)。
??? 數(shù)據(jù)通過14位并行數(shù)據(jù)接口傳輸給AD9857，I／Q通道數(shù)據(jù)交替?zhèn)鬏敚績(jī)纱螖?shù)據(jù)傳輸匹配為一組合法的I、Q采樣數(shù)據(jù)。兩路數(shù)據(jù)再通過反轉(zhuǎn)CIC插值濾波器，預(yù)先補(bǔ)償CIC濾波器帶來的衰減。之后，數(shù)據(jù)流過插值因子為4的固定內(nèi)插濾波器和可編程CIC濾波器。其中CIC濾波器的插值率可通過寄存器設(shè)定，通常設(shè)置為4倍插值，便可經(jīng)過兩級(jí)內(nèi)插濾波器提高信號(hào)采樣率，同時(shí)低通濾波器濾除了因內(nèi)插而產(chǎn)生的鏡像頻率。最后信號(hào)進(jìn)入正交調(diào)制器，與正交載波信號(hào)進(jìn)行數(shù)字混頻(DDS)，完成上變頻處理。經(jīng)上變頻處理的信號(hào)再經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)換，生成模擬中頻信號(hào)輸出。輸出的模擬信號(hào)通過差分信號(hào)IOUT輸出，其輸出電流范圍為0～20 mA。

4 基于AD9857的數(shù)字上變頻電路設(shè)計(jì)
??? 基于AD9857芯片的信號(hào)上變頻處理模塊的主要任務(wù)是完成調(diào)制信號(hào)的上變頻、DAC轉(zhuǎn)換、濾波放大和處理，最后將信號(hào)經(jīng)過電力線耦合模
塊發(fā)射出去。
??? 該設(shè)計(jì)中，AD9857外部晶振使用10 MHz，內(nèi)部經(jīng)過4倍倍頻，工作時(shí)鐘為40 MHz。內(nèi)部可編程CIC內(nèi)插系統(tǒng)為8，直接數(shù)字頻率合成器DDS產(chǎn)生4 MHz載波信號(hào)。AD9857從FPGA接收IQ兩路信號(hào)，經(jīng)過32被內(nèi)插后，與4MHz載波進(jìn)行正交調(diào)制，之后，在經(jīng)過D＼A轉(zhuǎn)換將其變?yōu)殡娏餍盘?hào)，最后使用變壓器ADTl-l把電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。由于AD9857輸出信號(hào)存在鏡頻干擾?？墒褂媚M帶通濾波器進(jìn)行信號(hào)處理，帶通濾波器通帶頻率為3 MHz-5 MHz，通帶衰減很小。最后信號(hào)經(jīng)過AD8139進(jìn)行差分放大，送入電力線耦合模塊。

5 結(jié)束語
??? 文中介紹了AD9857數(shù)字上變頻芯片在電力線通信發(fā)射機(jī)中的應(yīng)用，描述了AD9857的工作原理和電路設(shè)計(jì)。通常在實(shí)際應(yīng)用中AD9857需要在FPGA的配合下使用，其參數(shù)配置往往也要根據(jù)電力線通信的具體應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)和配置。