摘要：用数字方式实现雷达目标模拟信号的上变频处理已经成为一项重要技术，应用也越来越广泛。AD9957是ADI公司推出的一款高性能数字正交上变频器件。基于FPGA和AD9957实现上变频电路的PCI板卡设计，结构简洁，通用性好，能满足多种制式基带信号的上变频处理。
关键词：数字上变频；AD9957；PCI
中图分类号：TN79 文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2012)29-7117-02
1 概述
上变频电路的作用是将基带信号经过混频变成不同频率的射频信号，射频信号经过滤波、预放大、功率放大通过天线辐射到空间，可以应用于通信、探测及雷达相关领域。本设计中选择ADI公司的数字正交上变频芯片[3]（QDUC）AD9957为核心进行设计，输入基带信号的I、Q两路数据进行上变频运算，代替传统的上变频电路。
本设计采用PCI插卡式设计，系统框图如图1所示，采用PLX公司的PCI桥芯片PCI9054做为上位机和板卡的通讯接口，上位机将基带信号以数字形式发送到板级存储器SRAM中，再由FPGA按照时序读取SRAM中存放的数据送到AD9957的18位并行输入端口，AD9957经过上变频后输出调制信号，AD9957输出信号大小为－15dBm左右，放大电路选择飞利浦公司的BGS67A，增益可达25dB@10MHz，所以经过滤波放大电路输出的射频信号大小为10dBm左右。
2 主要器件介绍
2.1 AD9957
AD9957是ADI公司推出的一款正交数字上变频芯片(ODUC)，它含有18路I／Q数据通道和14位D／A转换器，具有32位频率分辨率、输入I/Q数据可控、输出信号频率和相位可快速程控切换、器件体积小等优点，对信号进行上变频操作变得简单易行，可以支持无线或有线通信基础设施系统（包括WiMAX应用）中数据传输的简单、低成本高效率的基带上变频。广泛应用于各种通信、仪表仪器和国防应用。
AD9957支持高达400 MHz输出的QDUC，内部集成有高速DDS，内部结构如图2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。串行通信控制器有三个控制管脚（SDIO、SDO和SCLK），对AD9957进行配置时，在SCLK的上升沿写入数据，下降沿读取数据。
2.2 FPGA
系统控制以FPGA为中心，上位机为带有PCI插槽的工控机或者普通计算机。上位机通过PCI协议发送命令和数据，FPGA根据相应的指令来配置AD9957的工作方式、存储和读取SRAM的数据、严格按照时序进行工作。FPGA选用XILINX公司的Spart3E系列产品XC3S250E，含有25万逻辑门，满足本系统的设计需求。
2.3 PCI9054
PCI9054 是 PLX 公司生产的一款传统PCI桥芯片，支持32位33MHz的总线速度，芯片含有两个DMA控制器，数据传输速率可以达到132MB/s，本地端时钟可选择。
3 工作过程和SPI接口通信
3.1 QDUC工作过程
AD9957有3种工作模式，单频信号、内插和正交上变频模式。在此选用数字上变频模式，18位I、Q路数据通过并行数据线输入，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Q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，采样时钟为AD9957芯片输出的PDCLK时钟。数据通道激活后（即txen管脚有效），必须保证I、Q数据交替传送。
I/Q数据包含了需要发射的基带信号信息，通过主机传到SRAM，再由SRAM中读取出来送至AD9957的并行数据输入口。在数据传输的过程中，采用乒乓结构进行数据写入和读取，保证信号的不间断发射。
4 程序设计
本系统程序设计分为三个部分，一是上位机的软件程序设计；二是I/Q数据流生成程序设计；三是FPGA的程序设计。
上位机的软件设计中调用Windriver下PCI9054的驱动进行软件开发，节省了大量的时间，上位机在将数据写入板卡时采用DMA方式乒乓传输，FPGA根据情况给主机发送中断，要求主机发送或者停止发送数据、写入AD9957的控制信息。
本系统采用的是灌数据流的工作方式，所以数据流的生成程序显得尤为重要，针对不同的系统时钟，I/Q数据流的速率要求也不同，本设计中使用MATLAB编写程序生成I/Q数据流文件，再由上位机写入板卡上的SRAM存储器。 FPGA程序采用VHDL语言设计，内容包括与主机通讯模块、SPI口模块、读写SRAM数据模块、计数模块等，在设计中力求程序模块化，提高整个程序的稳定性和可靠性。
5 结束语
采用灌数据流的工作方式是本设计的一个特色之处，与以往的DDS控制产生激励源有很大的不同，可以提高输出信号的信杂比、杂散特性等，具有很好的可推广性。据笔者测试，该系统输出信号信杂比优于75dB，无杂散动态范围优于80dB，有着非常广阔的应用前景。AD9957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。
参考文献：
[1] AD9957 Data Sheet[M].Analog Devices,Inc. 2006.
[2] PCI 9054 Data Book Version 2.1[M].2000.
[3] 周利岗,赵丽丹,叶卫明.DUC芯片AD9856原理及应用[J].电力系统通信,2003(9).
