基于DDS的短波射頻頻率源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

施華虎，張靈迪

(電子科技大學(xué)微電子與固體電子學(xué)院，四川成都 610054)

頻率源是現(xiàn)代短波射頻通信系統(tǒng)的核心，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行起著決定性的作用。作為射頻電路與系統(tǒng)的核心設(shè)備，頻率源的好壞關(guān)系著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性?，F(xiàn)在的頻率合成技術(shù)正朝著雜散和相位噪聲更低的方向發(fā)展，同時(shí)還要求有更寬的頻帶和更高的頻率分辨率。直接數(shù)字頻率合成(DDS)正是在這種需求背景下發(fā)展起來(lái)的，它具有極微小的頻率調(diào)諧和相位分辨能力。融合了模擬和數(shù)字技術(shù)的DDS是產(chǎn)生高質(zhì)量、高頻譜純度、寬頻帶頻率的理想方法。文中基于ADI公司的AD9912芯片提出一個(gè)直接頻率合成方案，輸出頻率范圍為46.5～75 MHz。

1 DDS基本工作原理

直接頻率合成器DDS本質(zhì)上是一種高分辨率的數(shù)字分頻器。通過(guò)頻率調(diào)節(jié)字來(lái)分頻系統(tǒng)時(shí)鐘，以輸出所需的頻率。DDS有兩個(gè)顯著特點(diǎn):(1)DDS工作在數(shù)字域，其輸出頻率、相位和幅度可以在數(shù)字處理器的控制下，精確而快速地變換;(2)其頻率分辨率主要取決于頻率調(diào)節(jié)字的位數(shù)，可以達(dá)到極高的頻率分辨率[1]。

典型的DDS原理框圖如圖1所示。它主要包括:相位累加器，相位-幅度變換器，數(shù)/模變換器和低通濾波器。

圖1 典型DDS原理框圖

(1)相位累加器。

對(duì)于正弦波而言，雖然幅度不是線(xiàn)性的，但其相位卻是線(xiàn)性變化的，這正是DDS能夠合成正弦波的基礎(chǔ)。DDS根據(jù)頻率調(diào)節(jié)字的位數(shù)N，把0°～360°的相位變化平均分成2N等份。假設(shè)系統(tǒng)參考時(shí)鐘為fs;輸出頻率為fout。在每個(gè)時(shí)鐘周期轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度360°/2N，則可以產(chǎn)生一個(gè)頻率為fs/2N的正弦波的相位增量。因此，只需選擇恰當(dāng)?shù)念l率調(diào)節(jié)字M，使得fout/fs=M/2N，就可以得到所需的輸出頻率fout。

由式(1)可以得到DDS的最小頻率分辨率為

(1)相位幅度轉(zhuǎn)化器。

根據(jù)相位累加器的輸出，可以得到合成fout頻率所對(duì)應(yīng)的相位信息，相位幅度轉(zhuǎn)化器可以把累加器輸出的數(shù)字相位信息變換成相應(yīng)的幅度值。這個(gè)數(shù)值以二進(jìn)制的形式被送入DAC進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。此相位到幅度的轉(zhuǎn)換通過(guò)查表操作完成。

(2)D/A數(shù)模變換器。

從相位幅度轉(zhuǎn)換器得到的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)被送入數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換器中，變換成模擬信號(hào)輸出。此處D/A變換器的位數(shù)對(duì)輸出頻率的分辨率并沒(méi)有影響。輸出頻率的分辨率由頻率調(diào)節(jié)字的位數(shù)決定[2-4，6-7]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中采用低抖動(dòng)、低雜散的直接數(shù)字頻率合成器DDS作為短波射頻通信系統(tǒng)的本振源。整個(gè)短波射頻系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。

圖2 短波射頻通信系統(tǒng)的原理框圖

設(shè)計(jì)采用ADI公司的高端產(chǎn)品AD9912。它最高支持1 GHz的采樣時(shí)鐘，并且內(nèi)置了一個(gè)14 bit的D/A變換器，支持48 bit的頻率調(diào)節(jié)字，最高頻率分辨率為4 μHz。AD9912的突出特點(diǎn)是擁有能編程的輔助直接數(shù)字頻率合成器通道，可以降低輸出頻譜中諧波雜散的等級(jí)，改進(jìn)了DDS固有的雜散和噪聲大的缺點(diǎn)[5]。

本設(shè)計(jì)中采用MSP430F2012單片機(jī)作為AD9912頻率輸出的控制器。在啟動(dòng)DDS芯片前，首先要配置信號(hào)IO_UPDATE、PWRDOWN、HOLDOVER 及 S1～S4時(shí)鐘使能信號(hào)，使AD9912正常工作。DDS上電啟動(dòng)后，單片機(jī)通過(guò)SDO、CSB、SCLK向AD9912寫(xiě)入頻率調(diào)節(jié)字，輸出HSTL電平的時(shí)鐘信號(hào)。信號(hào)經(jīng)選擇和電平轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過(guò)輸出驅(qū)動(dòng)器輸出。

AD9912內(nèi)部集成了采樣時(shí)鐘倍頻器，即鎖相環(huán)(PLL)。在使用PLL的情況下，采樣時(shí)鐘源中的任何噪聲或雜散都會(huì)在PLL的環(huán)路帶寬以20log x關(guān)系被放大，x是頻率放大的倍數(shù)。由于輸入時(shí)鐘的雜散在輸出的相位噪聲會(huì)隨著輸出頻率不同而改變，在采樣時(shí)鐘相同的情況下，輸出兩個(gè)不同頻率時(shí)的相位噪聲關(guān)系為[3，8]

從式(3)可以看出，在固定輸出頻率的前提下，盡量提高采樣時(shí)鐘速率可以提高輸出頻率的相位噪聲性能。在設(shè)計(jì)中，為達(dá)到最佳的性能，放棄了內(nèi)部PLL環(huán)路，而采用外部高性能PLL輸出的1 GHz采樣時(shí)鐘。

2.1 外部環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)

外部環(huán)路濾波可以將DAC輸出的雜波和鏡像頻譜濾掉，可以平滑輸出波形，對(duì)信號(hào)的輸出質(zhì)量有較好地改善作用。外部環(huán)路濾波器采用橢圓函數(shù)低通濾波器。電路設(shè)計(jì)時(shí)采用分立LC元件構(gòu)成截止頻率為400 MHz的低通濾器。電路原理及仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 環(huán)路濾波器原理圖及仿真結(jié)果

2.2 編程控制

對(duì)AD9912編程是為了實(shí)現(xiàn)頻率的步進(jìn)控制，處理由外部控制輸入的頻率值，由單片機(jī)生成頻率調(diào)節(jié)字，經(jīng)SPI方式送入DDS中，合成系統(tǒng)所需的頻率。數(shù)據(jù)寫(xiě)入時(shí)SCLK、SDI、CSB信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生，寫(xiě)入時(shí)序嚴(yán)格按照SPI協(xié)議進(jìn)行。

3 仿真及測(cè)試結(jié)果

DDS輸出波形的仿真采用Matlab中的Simulink工具。根據(jù)DDS的工作原理及AD9912的數(shù)據(jù)手冊(cè)，可以建立AD9912在Simulink中的模型。AD9912的Simulink模型如圖4所示。

設(shè)置頻率調(diào)節(jié)字 M=14073748835532后，得到DDS輸出信號(hào)的頻率為50 MHz，Simulink仿真功率譜密度如圖5所示。

圖4 AD9912在Simulink下的仿真模型

圖5 M=14073748835532的功率譜密度分布圖

射頻短波通信系統(tǒng)中對(duì)頻率源的輸出的頻帶寬度要求為46.5～75 MHz，步進(jìn)頻率為50 kHz。AD9912的輸出分辨率為 fDDS=fs/248，本設(shè)計(jì)中采樣時(shí)鐘1 GHz，最小分辨率可達(dá)3.55 μHz，完全可以達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。圖6是安捷倫頻譜分析儀實(shí)測(cè)的DDS輸出信號(hào)頻譜圖。

圖6 DDS輸出信號(hào)頻譜圖

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)射頻短波通信系統(tǒng)中的頻率源要求，分析了整個(gè)頻率源的實(shí)現(xiàn)方法。搭建了單片機(jī)+DDS的實(shí)現(xiàn)方法，采用具有雜散抑制通道的新型 DDS芯片AD9912，時(shí)鐘輸入采用外部低雜散高性能的PLL信號(hào)，增加外部環(huán)路濾波網(wǎng)絡(luò)，有效提高了輸出信號(hào)的質(zhì)量。通過(guò)對(duì)輸出信號(hào)的測(cè)試，驗(yàn)證了該方案在輸出頻帶46.5～75 MHz內(nèi)具有相位噪聲小、頻率值精準(zhǔn)、頻率分辨率高等特點(diǎn)，滿(mǎn)足短波射頻通信對(duì)頻率的指標(biāo)要求。

[1]ZHANG W.A technical tutorial on digital signal synthesis[M].USA:Analog Devices，1999.

[2]白居憲.直接數(shù)字頻率合成[M].西安:西安交通大學(xué)出版社，2007.

[3]David B.DDS design[M].USA:Analog Devices，2004.

[4]ADI公司.直接數(shù)字頻率合成器(DDS)應(yīng)用的頻率規(guī)劃[J].世界電子元器件，2005(5):99-100.

[5]Anolog Devices.1 GSPS direct digital synthesizer with 14-bit DAC[DB/OL].(2007-09-28)[2010-12-15]www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD9912.pdf

[6]EVA M，COLM S.Ask the application engineer—33 all about direct digital synthesis[DB/OL].(2004-08-11)[2011-03-20]www.analog.com/library/analogdialogue/archives/38-08/dds.pdf.

[7]林波濤，楊仁忠，陳志偉，等.寬帶低噪遙感衛(wèi)星模擬信號(hào)頻綜源技術(shù)研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2009(12):1768-1770.

[8]DAVID B.ICs features on-board RAM.determining if a spur is related to the DDS/DAC or to some other source[M].USA:Analog Devices，2007.