以直接數(shù)字頻率合成為基礎(chǔ)的線性調(diào)頻脈沖信號技術(shù)

山東康泰實(shí)業(yè)有限公司 周長偉

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以直接數(shù)字頻率合成為基礎(chǔ)的線性調(diào)頻脈沖信號技術(shù)

山東康泰實(shí)業(yè)有限公司 周長偉

【摘要】近年來，數(shù)字信號處理技術(shù)的革新，為直接數(shù)字頻率合成技術(shù)提供了更加廣闊的應(yīng)用空間。其以數(shù)字電路為前提實(shí)現(xiàn)頻率合成。大規(guī)模數(shù)字可編程芯片的出現(xiàn)和應(yīng)用，簡化了模擬電路頻率合成技術(shù)對相位和頻率的控制流程，使其更加精確。筆者著重對基于直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的線性調(diào)頻脈沖信號技術(shù)進(jìn)行論述，為其提供理論基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】直接數(shù)字頻率合成；線性調(diào)頻脈沖信號；DOM查找表

1　引言

頻率合成技術(shù)是指通過信號處理技術(shù)對相關(guān)參考頻率進(jìn)行處理，生成具有同等穩(wěn)定優(yōu)勢和準(zhǔn)確度優(yōu)勢的離散頻率。通過晶體振蕩器能夠產(chǎn)生參考頻率，而合成的離散頻率和參考頻率又具有一定相關(guān)度。應(yīng)用頻率合成技術(shù)能夠提升頻率源的性能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)雷達(dá)、電子對抗和儀器儀表等系統(tǒng)性能的優(yōu)化。直接數(shù)字頻率合成技術(shù)以其全數(shù)字化結(jié)構(gòu)和集成、功耗、體積、重量和可靠性等方面的優(yōu)勢，逐漸被應(yīng)用到線性調(diào)頻脈沖信號中。

2　直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的基本工作原理

2.1DDS的基本構(gòu)造

直接數(shù)字頻率合成包括外部器件和內(nèi)部器件兩大部分。內(nèi)部器件又包括相位累加器和正余弦查找表。技術(shù)人員要加入包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器和低通濾波器的外圍器件，以實(shí)現(xiàn)模擬波形的輸出。同時，技術(shù)人員也可以應(yīng)用DDS+PLL的頻率合成模式，確保直接數(shù)字頻率合成輸出的規(guī)整性。

2.2DDS的基本工作流程

首先，依據(jù)所要輸出的頻率對頻率控制字進(jìn)行確定。其次，按照相關(guān)要求對頻率控制字進(jìn)行循環(huán)累加。第三，對初始相位和相位寄存器鎖存相位信息進(jìn)行疊加。第四，對相位信息的高位ROM尋址地址進(jìn)行截斷。第五，通過DAC使ROM輸出的數(shù)據(jù)形成模擬量波形。第六，經(jīng)過低通濾波的作用使DAC輸出的階梯形波形轉(zhuǎn)化為低通濾波[1]。

參考頻率源，即fc，其一般為穩(wěn)定性比較高的晶體振蕩器。被應(yīng)用到直接數(shù)字頻率合成中，實(shí)現(xiàn)各部件的同步工作。將輸出與晶體振蕩器同等穩(wěn)定度的合成信號頻率。基于標(biāo)準(zhǔn)頻率參考源背景，頻率控制字K能夠?qū)ο嚓P(guān)相位增量進(jìn)行確定，而相位累加器也可以通過步長M實(shí)現(xiàn)線性累加。當(dāng)相位累加器達(dá)到一定的度就會溢出，說明其已經(jīng)完成一個周期性動作，其即為直接數(shù)字頻率合成信號的一個周期。一般N位相位累加器的最大值和最小值分別為2N-1和0，其最終輸出信號頻率能夠用公式表示為：

因為受限于實(shí)際應(yīng)用，所得值M經(jīng)常會存在相應(yīng)的誤差。技術(shù)人員可以只保留K的整數(shù)部分，確保其最終輸出信號頻率誤差不超過頻率分辨率。如果應(yīng)用四舍五入的方法對M的小數(shù)部分進(jìn)行處理，則能夠確保頻率誤差不超過頻率分辨率的一半。其應(yīng)用過程中涉及到的相位累加器和ROM查找表分別為32位和10位。

直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的應(yīng)用原理是對信號幅度、頻率和相位參數(shù)等相關(guān)原理進(jìn)行確定，進(jìn)而生成與之相關(guān)的信號波形?；蛘呓o定輸入時鐘和頻率控制字K，并對與之相關(guān)的正弦信號進(jìn)行輸出。直接數(shù)字頻率合成技術(shù)是以全數(shù)字結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行應(yīng)用的，因此其具有獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢[2]。

輸出頻率：

其中：fout是輸出頻率，fc是采樣時鐘，N為相位累加器位寬，M為頻率控制字。

技術(shù)人員可以將正余弦查找表的深度假設(shè)為1024，采樣時鐘假設(shè)為100MHz，則輸出一個完整的ROM表正余弦信號的頻率是。進(jìn)而得到理論輸出的最大頻率50MHz。表明，直接數(shù)字頻率合成基礎(chǔ)的帶寬受到采樣率影響。下一周期初始相位會受到正余弦查找表相位截斷的影響，技術(shù)人員可以應(yīng)用DDS+PLL合成技術(shù)優(yōu)勢彌補(bǔ)直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的不足，進(jìn)而提升整體應(yīng)用質(zhì)量。PLL鎖相環(huán)能夠?qū)⒉蓸訒r鐘倍頻到相應(yīng)的程度，進(jìn)而使波形相位問題得到良好的優(yōu)化和解決。

3　直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

借助FPCA對內(nèi)部器件進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。由于受到采樣率的制約和限制，使FPGA不能達(dá)到相應(yīng)的頻率。技術(shù)人員可以應(yīng)用四路同步采樣方式，對工作時鐘進(jìn)行降低和控制，進(jìn)而對四路信號進(jìn)行合并，使其成為一路完整的信號進(jìn)行輸出。

可以應(yīng)用上述公式進(jìn)行反推，得出頻率控制字。而相位控制字為：

其中：Poffset為相位偏移量，Pc為相位控制字。

進(jìn)而得到相位控制字控制尋址的初始相位。將其設(shè)置為0，可以在相位調(diào)制的過程中對其進(jìn)行處理。頻率步進(jìn)的功能是對頻率逐漸變化的線性調(diào)頻信號、步進(jìn)頻信號和相關(guān)三角波和鋸齒波信號燈信號波形進(jìn)行產(chǎn)生，得出頻率步進(jìn)字公式：

帶寬和時寬分別為有效脈沖的頻帶寬度和持續(xù)時間，時寬是采樣頻率，即四路時鐘的總和[3]。

4　線性調(diào)頻脈沖信號的產(chǎn)生及仿真結(jié)果

線性調(diào)頻信號借助非線性相位調(diào)制或者線性頻率調(diào)制能夠得到大時寬帶寬積的典型案例。線性調(diào)頻信號作為一種脈沖壓縮信號，目前應(yīng)用比較普遍。相關(guān)技術(shù)人員一般將其應(yīng)用到雷達(dá)發(fā)射信號中，進(jìn)而提升信號帶寬，擴(kuò)充其信息量，并對雷達(dá)進(jìn)行干涉，最大程度避免敵方對信號信息的竊取。雷達(dá)脈沖寬度即信號時寬，其能夠?qū)走_(dá)分辨率產(chǎn)生影響。事實(shí)上，帶寬與時寬存在相應(yīng)的沖突。技術(shù)人員要結(jié)合具體的雷達(dá)情況對時寬帶寬積進(jìn)行確定，以確保其達(dá)到良好的應(yīng)用效果。

綜上所示，將直線數(shù)字頻率合成四路，產(chǎn)生相應(yīng)的線性調(diào)頻脈沖信號。技術(shù)人員可以對設(shè)計參數(shù)進(jìn)行確定。相位控制字為0，初始相位是0，當(dāng)脈沖有效信號來臨，尋址地址ROM就是查找表的第一個地址。將采樣率設(shè)置為1GHz，如果想讓帶寬符合采樣定律，其必須不超過500MHz。同時，帶寬不能超過采樣率的40％。技術(shù)人員可以將帶寬設(shè)置為100MHz，當(dāng)脈沖首次到達(dá)，將輸出頻率控制在50MHz，其頻率的波動特點(diǎn)是由小向0過渡，再變大。為了最大程度確保實(shí)驗的簡便性，一般將時寬設(shè)置為500個工作時鐘，從

而對頻率步進(jìn)值進(jìn)行推導(dǎo)。技術(shù)人員要對四路信號進(jìn)行合并，使其形成一路IQ正交信號，然后抽出其中一路信號，將其存入文件中作為Matlab的仿真應(yīng)用，得出其時域特性和頻域特性[4]。

5　結(jié)語

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和電子信息科學(xué)技術(shù)，為數(shù)字電路提供了廣闊的發(fā)展契機(jī)。傳統(tǒng)技術(shù)背景下，通過對相關(guān)器件的模擬，完成線性調(diào)頻脈沖信號，而當(dāng)前廣闊的應(yīng)用環(huán)境和空間，使其能夠通過可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)技術(shù)的升級，進(jìn)而提升電路運(yùn)行的安全性、靈活性和有效性。同時，使得器件大小不再受到電路規(guī)模的制約。在線性調(diào)頻脈沖信號中對直接數(shù)字頻率合成技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，簡化了電路構(gòu)造，并提升了其可控性。技術(shù)人員要對基于ROM查找表的技術(shù)和方法進(jìn)行應(yīng)用，進(jìn)而確保直線數(shù)字頻率合成的發(fā)生，并對matlab中相關(guān)的信號進(jìn)行頻域分析，最大程度確保其功能的可靠性，并加深對直接數(shù)字頻率合成原理的認(rèn)識，或者應(yīng)用開發(fā)軟件提供的DDS IP CORE對其進(jìn)行設(shè)計和升級，以達(dá)到良好的應(yīng)用效果。

參考文獻(xiàn)

[1]姬國慶,馮春環(huán).基于DDS技術(shù)的線性調(diào)頻脈沖信號的實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù),2015,(09):6-8.

[2]解立洋.水下彈載超聲波探測發(fā)射信號的直接數(shù)字頻率合成與實(shí)現(xiàn)[D].南京理工大學(xué),2011.

[3]王蓮榮,馬妍,王萍,張繼紅.基于FPGA的雷達(dá)信號模擬[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報,2012,(03):284-288.

[4]姚國國,李寶森.基于AD9858的寬帶線性調(diào)頻源設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2012,(10):169-171.