摘要：AD9857是一種可廣泛用于電力線通信中的數(shù)字上變頻芯片，文中介紹了AD9857的工作原理和使用方法，并針對電力線通信發(fā)射機的設(shè)計，詳細(xì)討論了AD9857的配置和相關(guān)電路的設(shè)計方法。
關(guān)鍵字：AD9857；電力線通信；數(shù)字上變頻
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、電力線自動抄表、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)計提供了新的方法。基于軟件無線電的電力線通信發(fā)射機硬件平臺包括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模塊用于實現(xiàn)基帶信號的數(shù)字上變頻，并將基帶信號變頻為中頻信號，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)字信號和模擬信號的橋梁，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)部時鐘速度。它集成了帶鎖定指示器的4～20倍可編程時鐘倍頻器，可提供高精度的系統(tǒng)時鐘；可選擇單端或者差分輸入?yún)⒖紩r鐘，輸入時鐘范圍為10～50MHz；具有14位DUC、DAC數(shù)據(jù)通道，且集成了兩個插值濾波器及CIC預(yù)先補償濾波器，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，同時由DDS提供正交載波，可實現(xiàn)PAM、QAM、ASK、FSK等多種信號的上變頻調(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態(tài)輸出特性，例如當(dāng)輸出65 MHz模擬信號時，其無雜散動態(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的采樣率，但在時域中向數(shù)據(jù)插入零值時，信號將會在頻域上產(chǎn)生原始信號頻譜的鏡像。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信號與正交載波信號進(jìn)行數(shù)字混頻，來完成上變頻過程。正交載波信號由直接數(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一個串行接口配置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，允許對配置AD9857的所有寄存器進(jìn)行讀寫操作。同時，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的一個串口通訊周期分為以下兩個階段：
第一階段是指令周期，即對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�字節(jié)的寄存器地址。
第二階段是數(shù)據(jù)傳輸周期。每個通訊周期的前8個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)寫時序圖。
SYNCIO信號可用于串口同步。當(dāng)傳輸一個周期后，為防止符號同步丟失，應(yīng)使SYNCIO信號拉升為一高電平，并持續(xù)一個時鐘周期，而后重新拉低，即開始下一個通信周期。
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，地址為00h～07h，另外的18個寄存器與該工作模式無關(guān)，因而無需設(shè)置。串口中一個通信周期最多只能傳輸4個字節(jié)數(shù)據(jù)，因此，應(yīng)分兩個通信周期完成寄存器組的寫入。在兩個通信周期中，第一個指令字節(jié)和其中四個字節(jié)寄存器數(shù)據(jù)組成第一個通信周期；第二個指令字節(jié)和另四個字節(jié)寄存器數(shù)據(jù)組成第二個通信周期。
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、自動節(jié)能、CIC溢出控制處理、PLL鎖相環(huán)失效處理等運行方式進(jìn)行設(shè)置。從02h～19h共分為4組相同結(jié)構(gòu)的寄存器，每一組長度為6 byt-e，其中有存儲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。
此過程需用到的計算公式有：
本系統(tǒng)參考時鐘輸入為10 MHz的單端時鐘，設(shè)置PLL時鐘倍數(shù)為PLL_MUL=4，則系統(tǒng)時鐘為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)同步時鐘，2．5 MHz，由AD9857提供給FPGA；
TxENABLE：傳輸使能信號，當(dāng)信號為0時，屏蔽輸入數(shù)據(jù)，自動在I／Q通道填0；當(dāng)信號為1時，接收數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)谝粋�上升沿來到時，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�，每兩次�?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)過兩級內(nèi)插濾波器提高信號采樣率，同時低通濾波器濾除了因內(nèi)插而產(chǎn)生的鏡像頻率。最后信號進(jìn)入正交調(diào)制器，與正交載波信號進(jìn)行數(shù)字混頻(DDS)，完成上變頻處理。經(jīng)上變頻處理的信號再經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)換，生成模擬中頻信號輸出。輸出的模擬信號通過差分信號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
基于AD9857芯片的信號上變頻處理模塊的主要任務(wù)是完成調(diào)制信號的上變頻、DAC轉(zhuǎn)換、濾波放大和處理，最后將信號經(jīng)過電力線耦合模塊發(fā)射出去。
該設(shè)計中，AD9857外部晶振使用10 MHz，內(nèi)部經(jīng)過4倍倍頻，工作時鐘為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。AD9857從FPGA接收IQ兩路信號，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�，最后使用變壓器ADTl-l把電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號。由于AD9857輸出信號存在鏡頻干擾�？墒褂媚M帶通濾波器進(jìn)行信號處理，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)射機中的應(yīng)用，描述了AD9857的工作原理和電路設(shè)計。通常在實際應(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)計和配置。
