直接數(shù)字頻率合成信號的軟件設(shè)計

李靜，徐艷

（長安大學(xué) 信息工程學(xué)院，陜西 西安 710064）

頻率合成技術(shù)起源于20世紀(jì)30年代，至今已有70多年的歷史。頻率合成技術(shù)是將一個或若干個高穩(wěn)定度和高準(zhǔn)確度的參考頻率經(jīng)過各種處理技術(shù)生成具有同樣穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的大量離散頻率的技術(shù)。參考頻率可由高穩(wěn)定度的晶體振蕩器（簡稱晶振）產(chǎn)生，處理技術(shù)包括各種數(shù)字處理技術(shù)及鎖相技術(shù)，從而使合成的離散頻率與參考頻率有嚴(yán)格的比例關(guān)系，并且具有同樣的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度[1-2]。應(yīng)用這種技術(shù)合成頻率的儀器或設(shè)備稱為頻率合成器或頻率綜合器。頻率合成方法大致可分為直接合成法、間接合成法、直接數(shù)字合成法。文中主要討論了直接數(shù)字頻率合成技術(shù)及其應(yīng)用，并且通過軟件仿真的方式對直接數(shù)字頻率合成技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)

1.1 DDS的基本結(jié)構(gòu)

直接數(shù)字頻率合成器（Direct Digital Synthesizer）是從相位出發(fā)直接合成所需波形的一種頻率合成技術(shù)。一個數(shù)字頻率合成器包含相位累加器、波形存儲器、數(shù)／模轉(zhuǎn)換器和低通濾波器4個部分。在參考時鐘的驅(qū)動下，相位累加器對頻率控制字進(jìn)行累加，得到的相位碼對波形存儲器尋址，波形存儲器輸出相應(yīng)的幅度碼，經(jīng)數(shù)／模轉(zhuǎn)換器生成階梯波形，最后經(jīng)低通濾波器濾波得到所需頻率的連續(xù)波形[1]。如圖1所示。

圖1 DDS的原理框圖Fig.1 Principle block diagram of DDS

其中K為頻率控制字，fc為參考時鐘頻率，N為相位累加器的字長，fo為DDS輸出頻率。

1.2 DDS的工作原理

理想的單頻信號可表示為：

只要振幅U和初始相位皖不隨時間變化，它的頻率就由相位惟一確定[4]：

以采樣頻率[1]fo（To=1/fo）對上式進(jìn)行采樣，則可得到相應(yīng)的離散相位序列：

是連續(xù)兩次采樣之間的相位增量，控制Δθ可以控制合成信號的頻率。

現(xiàn)將整個周期的相位2π分割成q等份，每一份δ=2π/q為可選擇的最小相位增量。若每次的相位增量取δ，得到最低頻率輸出：

經(jīng)濾波后得到的模擬信號為：

若每次的相位增量選擇為δ的R倍，即可得到信號頻率：

相應(yīng)的模擬信號為

式中q、R為正整數(shù)，根據(jù)采樣定理的要求，R的最大取值應(yīng)小于q/2。

DDS就是利用以上原理進(jìn)行頻率合成的。為了說明DDS相位量化的工作原理，可將正弦波一個完整周期內(nèi)的相位變化用相位圓來表示。其相位與幅度一一對應(yīng)，如圖2所示。一個N位的相位累加器對應(yīng)相位圓上2N個相位點(diǎn)，最低相位分辨力為2π/2N。在圖2中，N=4，共有16個相位碼與16個幅度碼對應(yīng)。該幅度碼存儲在波形存儲器（ROM）中。在頻率控制字的作用下，相位累加器對ROM尋址，完成相位—幅度轉(zhuǎn)換，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器變成階梯形正弦波信號，再經(jīng)低通濾波器平滑，得到模擬正弦波輸出[3]。

圖2 相位碼與幅度碼的對應(yīng)關(guān)系Fig.2 Corresponding relation of phase code and amplitude code

從理論上來講，波形存儲器可以存儲一個或多個完整的具有周期性的任意波形數(shù)據(jù)，在實(shí)際應(yīng)用中，以正弦波形最具有代表性，也應(yīng)用最廣[5]。

DDS輸出信號的頻率與參考時鐘頻率及控制字之間的關(guān)系為

式中:fo為DDS輸出信號的頻率；K為頻率控制字；fc為參考時鐘頻率；N為相位累加器的位數(shù)。

容易看出，K越大，從2N個相位點(diǎn)中取樣的次數(shù)就越少，相位累加周期越短，fo也就越高。

2 開發(fā)平臺簡介

MATLAB作為一套高性能的數(shù)值計算和可視化軟件，它作為新興的編程語言和可視化工具，有著其他高級語言（如C語言、FORTRAN語言等）所不能比擬的優(yōu)勢。用MATLAB制作的應(yīng)用系統(tǒng)也和其他開發(fā)工具制作要求一樣，必須有一個界面友好、操作方便的圖形用戶界面[4-5]。

所謂圖形用戶界面，簡稱為 GUI（Graphic User Interface），是指包含了各種圖形控制對象，如圖形窗口、菜單、對話框以及文本等內(nèi)容的用戶界面。利用這些用戶界面，用戶可以和計算機(jī)之間進(jìn)行信息交流[6]。用戶可以通過某種方式來選擇或者激活這些圖形對象，來運(yùn)行一些特性的M文件。最常見的激活方式是利用鼠標(biāo)或者其他設(shè)備來點(diǎn)擊這些對象[6-7]。

3 基于MATLAB語言通過GUI實(shí)現(xiàn)DDS

3.1 仿真流程及仿真環(huán)境

頻率合成采用程序控制分頻，易于實(shí)現(xiàn)頻率的更換及其頻率顯示的程控，促進(jìn)數(shù)字化、集成化和微機(jī)控制化。設(shè)計的任務(wù)如下：

1）正弦波輸出頻率范圍：1～100 Hz；

2）具有頻率設(shè)置功能，頻率分辨率：1 Hz；

3）參考頻率：1 024 Hz；

4）相位累加器的位數(shù)：10；

5）輸出頻率：k·fc/2NHz。

圖3 程序設(shè)計流程圖Fig.3 Flow chat of program design

圖4 建立的GUI界面Fig.4 Establishment of GUI interface

3.2 仿真結(jié)果

3.2.1 主程序

3.2.2 仿真結(jié)果

當(dāng)k=5時，根據(jù)設(shè)計要求DDS輸出頻率為5 Hz。如圖5所示，k=5時，點(diǎn)擊時域按鈕時，出現(xiàn)時域波形，點(diǎn)擊頻域按鈕時，出現(xiàn)頻域波形。同樣當(dāng)k=10時，根據(jù)設(shè)計要求DDS輸出頻率為10 Hz。如圖6所示，k=10時，點(diǎn)擊時域按鈕時，出現(xiàn)時域波形，點(diǎn)擊頻域按鈕時，出現(xiàn)頻域波形。

4 結(jié) 論

圖5 k=5時DDS輸出頻率的仿真圖Fig.5 DDS output frequency simulation diagram when k=5

圖6 k=10時DDS輸出頻率的仿真圖Fig.6 DDS output frequency simulation diagram when k=10

頻率合成技術(shù)是現(xiàn)代通信電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高性能指標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)之一，很多電子設(shè)備的功能實(shí)現(xiàn)都直接依賴于所用頻率合成器的性能，因此人們常將頻率合成器比喻為眾多電子系統(tǒng)的“心臟”，而頻率合成理論也因此在20世紀(jì)得到了飛躍的發(fā)展。DDS由于具有極高的頻率分辨率，極快的變頻速度，變頻相位連續(xù)，相噪較低，易于功能擴(kuò)展和全數(shù)字化，便于集成等優(yōu)點(diǎn)。所以，研究DDS在各個領(lǐng)域的應(yīng)用是一個非常有意義和前途的課題，有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

本設(shè)計中DDS是通過MATLAB語言編程來實(shí)現(xiàn)的。經(jīng)過該設(shè)計的研究工作，筆者深切地感受到軟件設(shè)計這一領(lǐng)域要研究地內(nèi)容還非常多，自己研究地內(nèi)容在很多地方還需要不斷改進(jìn)。需要改進(jìn)的地方是：本文在建立仿真模型時，主要是為了實(shí)現(xiàn)DDS的原理，但是頻率分辨率與理論相比有點(diǎn)低，要想提高頻率分辨率，就必須增加程序中相位累加器的位數(shù)N，但此時仿真圖就不太清晰了。因此，在今后的研究和工作中，建立仿真模型時，可利用多種仿真軟件，發(fā)揮各個仿真軟件的特長，使得系統(tǒng)仿真效果更精確。

[1]宋樹祥，周冬梅.高頻電子線路[M].北京:京大學(xué)出版社，2007.

[2]張濤，陳亮.現(xiàn)代DDS的研究進(jìn)展與概述[J].電子科技，2008（3）:73-78.

ZHANG Tao，CHEN Liang.Research progress and overview of modern DDS[J].Electronic Science and Technology，2008（3）:73-78.

[3]丁玉美.數(shù)字信號處理[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

[4]王立寧.MATLAB與通信仿真[M].北京:人民郵電大學(xué)出版社，2000.

[5]劉敏.MATLAB通信仿真與應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社，2000.

[6]陳懷琛.MATLAB及在電子信息工程中的應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社，2004.

[7]王興亮.數(shù)字通信原理與技術(shù)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2003.

[8]張葛祥，李娜.MATLAB仿真技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社，2003.