粟向軍,陳 松,榮 軍,魯范旗(湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院,湖南 岳陽 414006)
數(shù)字控制RF合成信號源的設(shè)計與實現(xiàn)*
粟向軍,陳松,榮軍,魯范旗
(湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院,湖南岳陽414006)
設(shè)計了一種基于直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(DDS)的RF合成信號源系統(tǒng)。系統(tǒng)采用AD9852和單片機C8051F020相結(jié)合的方法,以AD9852為頻率合成器,以信號處理器C8051F020為系統(tǒng)控制和任務(wù)調(diào)度中心。系統(tǒng)可實現(xiàn)輸出信號頻率在1Hz~40MHz可調(diào),最小可調(diào)步進為1Hz,并且頻率穩(wěn)定度優(yōu)于10-5。此外,系統(tǒng)實現(xiàn)了調(diào)幅、調(diào)頻、相移鍵控、頻移鍵控和掃頻等功能。在完成軟硬件設(shè)計后,通過使用多種電子儀器對系統(tǒng)性能和技術(shù)參數(shù)進行實驗測試,結(jié)果表明各項指標(biāo)都符合設(shè)計要求。
數(shù)字控制;射頻信號源;直接數(shù)字頻率合成;調(diào)制
信號源是雷達、通信、電子對抗等電子系統(tǒng)實現(xiàn)高性能指標(biāo)的關(guān)鍵,因此低相位噪聲、高穩(wěn)定度、高可靠性和多功能信號源的研究受到普遍重視[1]。目前實現(xiàn)信號源的主要技術(shù)有:直接頻率合成(DS)、鎖相式頻率合成(PLL)和直接數(shù)字頻率合成(DDS)三種基本類型。DS方式具有頻率轉(zhuǎn)換時間短、相位噪聲低等優(yōu)點,但是,這種方法首要的缺點是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,難于集成化、小型化,目前實際上已處于被淘汰的狀況[2]。PLL方式相對于直接頻率合成方式能夠集成化和小型化,但是由于其鎖相環(huán)存在捕獲時間問題,頻率轉(zhuǎn)換時間較長,單環(huán)頻率合成器的頻率間隔不可能做得很小,使之很難滿足高速、超高速的技術(shù)要求[3]。DDS方式的基本優(yōu)點是能夠準確而快捷地調(diào)節(jié)輸出信號的頻率、相位和幅度[4]。目前國內(nèi)外已有相關(guān)的數(shù)字化的智能函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)品,但是普遍存在價格高和操作復(fù)雜的缺點。針對此情況,本文研制了數(shù)字控制RF合成信號源,具有設(shè)計新穎、結(jié)構(gòu)簡單、性能高和控制靈活等優(yōu)點。
本文設(shè)計的數(shù)字控制RF合成信號源系統(tǒng)以C8051F020單片機為控制核心,可大大提高處理速度和系統(tǒng)控制的靈活性;采用DDS芯片AD9852為頻率源,可以大大簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),提高系統(tǒng)性能和可靠性,降低成本;以圖形點陣液晶(HG12864)和64鍵鍵盤智能管理芯片HD7279A[5]構(gòu)成人機對話窗口,具有良好的人機界面,系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)整體框圖
根據(jù)系統(tǒng)功能要求,實際設(shè)計了4種信號的發(fā)生器:正弦波、普通調(diào)幅波(AM)、調(diào)頻波(FM)和二進制鍵控信號FSK、BPSK、Chirp、Ramp FSK?,F(xiàn)在以正弦波為例介紹其設(shè)計方案。從系統(tǒng)精確性和穩(wěn)定性方面考慮采用DDS專用芯片AD9852,它是美國模擬半導(dǎo)體公司推出的直接數(shù)字頻率合成器(DDS),其正弦波發(fā)生器框圖如圖2所示。
圖2 DDS正弦波發(fā)生器框圖
2.1正弦波、FM和AM信號產(chǎn)生電路
AD9852的DDS系統(tǒng)包括相位累加器和正弦查找表,其中,相位累加器由一個48位加法器和一個48位寄存器組成,相位寄存器的輸出與外部相位控制字相加后作為正弦查找表的地址。具體的正弦信號、FM信號和AM信號的產(chǎn)生方法如下[5-7]。
2.1.1正弦信號產(chǎn)生電路設(shè)計
設(shè)正弦波信號頻率為f0,則有:
在AD9852中,頻率分辨率為:
只要通過單片機向AD9852送入與f0相對應(yīng)的頻率控制字FSW0,就可得到式(3)表示的正弦波。
AD9852輸出的正弦波幅度 Vom由其內(nèi)部電路和引腳56所接RSET阻值大小決定,當(dāng)取RSET=3.92kΩ時,滿度IOUT=10mA,這時輸出電壓無雜散動態(tài)范圍(SFDR)最佳。采用此方法,其滿度輸出正電壓VOPP≈1V。
2.1.2FM信號產(chǎn)生電路設(shè)計
由模擬FM原理可知:
其中,f為瞬時頻率,f0為載波頻率,Δfm為瞬時最大頻偏。
在AD8952中,上述調(diào)頻過程是全數(shù)字化的,設(shè)Δfm、sinΩt對應(yīng)的數(shù)字式分別為FSWm、VΩD,則有:
其中,Di=0,1,3,5,…,255,VΩD送數(shù)周期為1ms。
因此,可以得到數(shù)字調(diào)頻公式為:
其中,F(xiàn)SW0對應(yīng)瞬時頻率f。
2.1.3AM信號產(chǎn)生電路設(shè)計
由模擬調(diào)幅(AM)的原理,已調(diào)幅波如下式所示:
其中,Vom為載波幅度,在本設(shè)計中設(shè)為0.5V。
根據(jù)題目要求,ma做步進調(diào)節(jié)時,相應(yīng)的VΩm改變?nèi)绫?所示。
表1 AM信號產(chǎn)生與步進控制的關(guān)系
本設(shè)計調(diào)幅過程也是全數(shù)字化的,其調(diào)制信號與FM的相同,只是Vom不同,因此,改變Vom就可實現(xiàn)所要求的步進調(diào)幅。這是利用AD9852輸出電壓幅度與送到AD9852Rest端前的D/A轉(zhuǎn)換器輸入端的數(shù)字量成正比這一特性實現(xiàn)的。
2.2信號調(diào)理電路設(shè)計
2.2.1雙端—單端差分運算放大電路設(shè)計
2.2.2濾波電路設(shè)計
DDS采用全數(shù)字技術(shù),因而不可避免地會存在雜散干擾,需要進行電路濾波。系統(tǒng)要求40MHz內(nèi)正弦信號輸出,采用截止頻率為50MHz的低通濾波器電路符合要求。具體設(shè)計的7階50MHz橢圓低通濾波電路如圖4所示。
2.3系統(tǒng)控制算法軟件實現(xiàn)
系統(tǒng)軟件設(shè)計的思想是采用模塊化程序設(shè)計方法,將系統(tǒng)軟件劃分為人機對話、正弦信號模塊、調(diào)幅功能模塊、調(diào)頻功能模塊和二進制鍵控5個模塊。全部原代碼均使用標(biāo)準C語言編寫,增加了本系統(tǒng)軟件的可讀性和可移植性[8],主程序流程圖如圖5所示。
圖3 輸出級放大電路
圖4 50MHz濾波電路
圖5 程序流程圖
3.1測試要求
測試指標(biāo):系統(tǒng)要求正弦波輸出頻率范圍:1Hz~40MHz,具有頻率設(shè)置功能,頻率步進為1Hz,并且輸出信號頻率穩(wěn)定度優(yōu)于10-5;輸出電壓幅度在50Ω負載電阻上的電壓峰-峰值Vopp≥5V;系統(tǒng)要求產(chǎn)生二進制FSK、Chirp、Ramp FSK、BFSK信號、AM信號和FM信號,并且用示波器觀察時無明顯失真。
3.2測量結(jié)果及分析
系統(tǒng)設(shè)計完成后可以進行頻率、幅度和各種調(diào)制信號輸出波形的測試,其中頻率測試表如表2所示。由表2可知,輸出頻率的誤差在0~0.03%之間,頻率步進小于1Hz。
表2 頻率測試表
幅度測試表如表3所示。由表3可知,輸出幅度的誤差滿足系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)指標(biāo)要求。誤差主要產(chǎn)生于信號傳輸鏈路,包括信號輸出線的衰減和放大器的非理想穩(wěn)定性。
表3 幅度測試表
各種調(diào)制信號輸出波形的測試結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出掃頻信號、AM信號、FM信號、FSK調(diào)制信號和BPSK調(diào)制信號測試均正常。
圖6 各種調(diào)制信號的測試圖
本文設(shè)計了基于單片機C8051F020的數(shù)字控制RF合成信號源,完成了系統(tǒng)硬件電路和軟件程序設(shè)計,經(jīng)測試系統(tǒng)現(xiàn)有各功能正常,RF信號源可輸出掃頻信號、序列信號和正弦信號,正弦信號輸出頻率范圍為1Hz~40MHz,頻率分辨率為1Hz,輸出電壓范圍為0~5V,并能實現(xiàn)AM、FM、FSK、BPSK及Chirp等調(diào)制功能,是一款性價比不錯的信號源設(shè)備。
[1]郭云林,陳松.通信電子電路設(shè)計[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2010.
[2]鄭戍華.基于DDS的信號源研制[D].北京:北京理工大學(xué),2003.
[3]張波,楊威克,許力,等.基于FPGA的任意波形發(fā)生器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2009,35(1):102-105.
[4]李薦薦.DDS技術(shù)在數(shù)字通信中的應(yīng)用[D].南京:東南大學(xué),2003
[5]Liu Xiaodong,Shi Yanyan,Wang Meng,et al.Direct digital frequency synthesizer based on curve approximation[C].IEEE Conference on Industry Technology,ICT′08,2008,21(2):201-205.
[6]潘勇先.基于DDS技術(shù)的雷達波形發(fā)生器的研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2004.
[7]周文委,王涌.一種DDS信號發(fā)生方法與頻譜研究[J].電子器件,2009,32(3):620-622.
[8]王建校.51系列單片機及C51程序設(shè)計[M].北京:科學(xué)出版社,2002.
The design and implementation of digital control RF synthesis signal source
Su Xiangjun,Chen Song,Rong Jun,Lu Fanqi
(Department of Information and Communication Engineering,Hunan Institute of Science and Technology,Yueyang 414006,China)
The paper designs a kind of RF synthetic source system based on the technology of direct digital frequency synthesis(DDS).The system uses method of AD9852 and MCU C8051F020 combination,uses AD9850 as frequency synthesizer,and uses MCU C8051F020 as the center of system control and task scheduling.The system can achieve the output signal frequency range for 1 Hz to 40 MHz adjustable,the minimum adjustable step is 1Hz,and the frequency stability is better than 10-5.In addition,the system realizes the amplitude modulation,frequency modulation,phase shift keying,frequency shift keying and sweep functions.The system has been completed the design of hardware and software,and each index meets the design requirements through using a variety of electronic instruments on system performance and technical parameters.
digital control;radio-frequency signal source;DDS;modulation
TM46
A
1674-7720(2015)10-0001-03
2015-01-30)
粟向軍(1964-),男,碩士,教授,主要研究方向:通信仿真技術(shù)。
湖南省科技計劃項目(2014GK2006)