直接數(shù)字頻率合成器在通信調(diào)制器中的應(yīng)用

1、僅供個人參考直接數(shù)字頻率合成器在通信調(diào)制器中的應(yīng)用鄒濤，張翠，田新廣，張爾揚（國防科技大學(xué)電子工程學(xué)院，湖南長沙410073）1引言頻率源是雷達、通信、電子對抗與電子系統(tǒng)實現(xiàn)高性能指標(biāo)的關(guān)鍵，很多現(xiàn)代電子設(shè)備和系統(tǒng)的功能都直接依賴于所用頻率源的性能，因此頻率源被人們喻為眾多電子系統(tǒng)的“心臟”。而當(dāng)今高性能的頻率源均通過頻率合成技術(shù)來實現(xiàn)。傳統(tǒng)的頻率合成器有直接頻率合成器和鎖相環(huán)兩種。直接頻率合成方法具有頻率轉(zhuǎn)換時間短、近載頻相位噪聲性能好等優(yōu)點，但由于采用大量的倍頻、分頻、混頻和濾波環(huán)節(jié)，導(dǎo)致直接頻率合成器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、成本高，而且容易產(chǎn)生過多的雜散分量，難以達到較高的頻譜純度。鎖相環(huán)式

2、頻率合成器具有很好的窄帶跟蹤特性，可以很好地選擇所需頻率的信號，抑制雜散分量，并且避免了大量的濾波器，有利于集成化和小型化。但由于鎖相環(huán)本身是1個惰性環(huán)節(jié)，鎖定時間較長，故頻率轉(zhuǎn)換時間較長。除此之外，由模擬方法合成的正弦波的參數(shù)，如幅度、頻率和相位都很難控制。直接數(shù)字式頻率合成（DirectDigitalFrequencySynthesis,簡稱DDS或DDFS是近年來發(fā)展起來的1種新的頻率合成技術(shù)。它將先進的數(shù)字處理理論與方法引入信號合成領(lǐng)域，標(biāo)志著第三代頻率合成技術(shù)的出現(xiàn)。其主要優(yōu)點是相對帶寬很寬、頻率轉(zhuǎn)換時間極短（可小于20ns）、頻率分辨率很高（典型值為0.001Hz）、全數(shù)字化結(jié)構(gòu)便

3、于集成、輸出相位連續(xù)、頻率、相位和幅度均可實現(xiàn)程控。因此，能夠與計算機緊密結(jié)合在一起，充分發(fā)揮軟件的作用。DDS技術(shù)的實現(xiàn)完全是高速數(shù)字電路D/A變換器集合的產(chǎn)物。由于集成電路速度的限制，目前DDS的上限頻率還不能做得很高。但GaAs（碎化錢）材料在集成電路中的應(yīng)用，使得DDS±限頻率不夠高的缺陷正在不斷地被克服。作為應(yīng)用，現(xiàn)在已有DDS產(chǎn)品用于接收機本振、信號發(fā)生器、通信系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)等，特別是跳頻通信系統(tǒng)。2DDS的工作原理首先考慮1個周期的正弦波連續(xù)信號，以等量的時間間隔T對其采樣，并進行量化，則可得到1個周期的正弦波數(shù)字信號。將該數(shù)字信號存入存儲器中，即構(gòu)成了正弦函數(shù)查找表。

4、存儲器的地址代表了時間取樣的序號。對正弦波而言，當(dāng)頻率一定時，正弦信號的相位與時間成線性關(guān)系。因而不同的取樣序號也就代表了正弦波信號的不同相位，存儲器中所存數(shù)值則是量化后的正弦信號幅度。假設(shè)正弦波波形存儲器存儲了1個周期的M個相位取樣值，當(dāng)以頻率fC的時鐘信號反復(fù)讀取波形存儲器時，讀出一個周期的正弦波數(shù)據(jù)所需的時間是T=M/fC,即輸出合成1次時域再抽樣信號的頻率為fO=1/T=fC/Mo顯然，當(dāng)改變時鐘fC時，合成信號的頻率也隨之改變。工程實現(xiàn)上，合成信號頻率的改變是通過保持時鐘不變，而對波形進行ROM數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC及來實現(xiàn)的?；綝DS主要由參考頻率源、相位累加器、正弦波采樣低通濾波器

5、卞成。圖1是DDS的1個基本結(jié)構(gòu)圖。NWDDS的基本結(jié)構(gòu)圖上圖中的參考頻率源fC由高穩(wěn)定度的晶體振蕩器產(chǎn)生，用于控制DD計各器件同步工作。2.1相位累加器相位累加器由N位加法器與N位累加寄存器級聯(lián)構(gòu)成。每來1個時鐘脈沖，加法器將頻率控制數(shù)據(jù)與累加寄存器輸出的累積相位數(shù)據(jù)相加，把相加后的結(jié)果送至累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。累加寄存器將加法器在上1個時鐘作用后所產(chǎn)生的新相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，以使加法器在下1個時鐘的作用下繼續(xù)與頻率控制數(shù)據(jù)相加。這樣，相位累加器在參考時鐘的作用下，進行線性相位累加，當(dāng)相位累加器累積滿量時就會產(chǎn)生1次溢出，完成1個周期性的動作，這個周期就是DDS合成信號的1個頻率

6、周期，累加器的溢出頻率就是DDS輸出的信號頻率。例如：ROMfr存有1個周期的正弦函數(shù)的幅度值x(1)x(2)x(100)。當(dāng)K=1時，即是上述原理分析中的情況，輸出合成波形的取值依次為x(1)x(2)x(100)x(1)x(2)x(100)，所以fO=KXfC/100=fC/100；不得用于商業(yè)用途僅供個人參考當(dāng)K=2時，輸出合成波形的取值依次為x(1)x(3)x(99)x(1)x(3)x(99)，所以fO=KXfC/100=2XfC/100。對于計數(shù)容量為2N的相位累加器和具有M個相位取樣的正弦波波形存儲器，若頻率控制字為K,則DDS系統(tǒng)輸出信號的頻率為fO=fCXK/2N,而頻率分辨率為

7、Af=fOmin=fC/2N。2.2 相位幅值轉(zhuǎn)換用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為取樣地址，對正弦波波形存儲器進行相位幅值轉(zhuǎn)換，即可在給定的時間上確定輸出的波形幅值。2.3 數(shù)模轉(zhuǎn)換及低通濾波器DAC將數(shù)字量形式的波形幅值轉(zhuǎn)換成所要求合成頻率的模擬量形式信號，低通濾波器用于濾除不需要的取樣分量，以便輸出頻譜純凈的正弦波信號。按照Nyquist準(zhǔn)則，最高輸出頻率可達0.5fC。但考慮到實際低通濾波器性能的限制，實際最高輸出頻率一般取為40fC。3特點及性能分析由工作原理可知，DDSM有相對帶寬很寬，頻率轉(zhuǎn)時間極短(可小于20ns),頻率分辨率很高(典型值為0.001Hz)，全數(shù)字化結(jié)構(gòu)便于集成，輸出相

8、位連續(xù)，頻率、相位和幅度均可實現(xiàn)程控等主要優(yōu)點。但是它的全數(shù)字結(jié)構(gòu)也使其有較大的輸出雜散，這一缺點是限制DDS進一步應(yīng)用和發(fā)展的主要因素。DDS的雜散信號有以下3個來源：( 1)相位舍位為了得到很高的頻率分辨率，相位累加器的位數(shù)N通常做得很大，但實際上由于受體積和成本的限制，用來尋址ROM勺位數(shù)W(W一般取值為14)要小于N,查表時相位累加器的低B位就被舍去，因而會引入相位舍位誤差。( 2)幅度量化任意1個幅度值要用無限長的比特流才能精確表示，而實際上ROM詢表的輸出位數(shù)L是個有限值，這就會產(chǎn)生幅度量化誤差。(3) DAC的非理想特性DAC的各種非理想轉(zhuǎn)換特性會影響DDS輸出頻譜的純度，產(chǎn)生雜

9、散分量。盡管如此，在DDS的應(yīng)用中可以通過優(yōu)化波形存儲表和在輸入序列中加入抖動隨機信號等措施來進一步改善DDS的輸出信雜比，使之滿足某些較高要求的應(yīng)用中。4應(yīng)用舉例通過對DDS原理的介紹，我們已經(jīng)能夠大致了解它在通信中的作用以及在調(diào)制方面的可能應(yīng)用。在實際工作中，我們曾利用1片DDS芯片(AD公司的AD7008)成功地實現(xiàn)了與計算機接口的多模式通信調(diào)制器。該芯片功能較全、性價比高、容易開發(fā)、實現(xiàn)的成品性能較好。下面就芯片及其應(yīng)用設(shè)計作一簡要介紹。AD7008是AD(AnalogDevice)公司生產(chǎn)的比較優(yōu)秀的CMO抑DDSK片，其功能框圖如圖2所示。匚圖2AD7008的功能塊框圖4.1芯片的

10、內(nèi)部結(jié)構(gòu)整個芯片由2個32位的頻率寄存器、1個12位的相位寄存器、32位相位累加器、正(余)弦查找表(正交輸出)、兩個正交幅度調(diào)制寄存器、10位D/A轉(zhuǎn)換器等構(gòu)成。AD7008具有一般DDSK片所不具備的正交調(diào)幅調(diào)制器。許多應(yīng)用場合都需要精確控制輸出信號的幅度，如本振、信號源和調(diào)制器?？刂品鹊姆椒ㄓ泻芏喾N，但最簡單的辦法是利用IQMODI?存器。2個10比特的幅度乘法器可以很容易地實現(xiàn)QAMAM調(diào)制。20比特的IQMO%存器用來控制I和Q支路的幅度信號。IQMOD中的09位控制I信號，1019位控制Q信號。用戶必須保證I、Q信號的和不會超過10位加法器的表示范圍，否則會產(chǎn)生溢出。如果不使用幅

11、度調(diào)制器，則可以通過將命令寄存器中的CR置為2來將I、Q乘法器旁路掉，直接輸出10位的正弦信號。4.2芯片工作過程實際工作中，我們利用AD7008設(shè)計了1塊計算機ISA擴展卡。通過計算機ISA總線實現(xiàn)控制和數(shù)據(jù)傳輸。(1)調(diào)制數(shù)據(jù)在CS及WR言號控制下從并行輸入口D0D15寫入32位并行寄存器，或在SCLK控制下從串行輸入口SDATAf入32位串行寄存器。(2)在LOAD言號控制下，輸入信號TC0TC3,該信號決定將串行或并行寄存器中的數(shù)據(jù)寫入某1個特定的目的寄存器。其對應(yīng)關(guān)系如表1所示。表1源寄存器與目的寄存器的對應(yīng)表TC3TC2TC1TC0LOAD源寄存器目的寄存器XXXX0N/AN/A0

12、0XX1并行寄存器命令寄存器(COMMAND10001并行寄存器頻率寄存器0(FREQ010011并行寄存器頻率寄存器1(FREQD10101并行寄存器相位寄存器(PHASE10111并行寄存器IQ寄存器(IQMOD11001串行寄存器頻率寄存器0(FREQ011011串行寄存器頻率寄存器1(FREQD11101串行寄存器相位寄存器(PHASE11111串行寄存器IQ寄存器(IQMODF面以AMDSBFSKBPSK為例分析多模式調(diào)制器的工作原理。*AM信號的表示s(t)=A1+mx(t)coswtAM信號的產(chǎn)生是話音信號x(t)通過A/D變換得到數(shù)字信號x(n),在計算機中加權(quán)得到A1+mx(

13、n),該信號通過ISA總線傳送到AD7008的數(shù)據(jù)端口D0D15,再在寄存器控制信號TC0TC3控制下送到IQ寄存器，與從ROM!中讀出的載波數(shù)據(jù)相乘，最后再做D/A變換，經(jīng)過低通濾波，得到所需要的AM信號。* DSB信號的表示s(t尸Ax(t)coswtDSB信號的產(chǎn)生與AM信號的產(chǎn)生相似，話音彳t號x(t)通過A/D變換得到數(shù)字信號x(n),該信號通過ISA總線傳送到AD7008的數(shù)據(jù)端口D0D15,再在寄存器才制信號TCO-TC3控制下送到IQ寄存器，與從ROM!中讀出的載波數(shù)據(jù)相乘，最后再做D/A變換，經(jīng)過低通濾波，得到所需要的DSB信號。* FSK信號的產(chǎn)生FSK調(diào)制實際上是用基帶的

14、數(shù)字信號去選擇載波頻率。當(dāng)基帶信號為0時，載波頻率為fl;當(dāng)基帶信號為1時，載波頻率為f2o為此，我們首先將設(shè)置載波頻率fl、f2的頻率控制字?jǐn)?shù)據(jù)通過ISA總線、AD7008的數(shù)據(jù)端口D0D15,在TC0TC3信號控制下，送到2個頻率寄存器中。再將基帶信號通過計算機ISA總線送到AD7008的FSELEC琢口。隨著基帶數(shù)字信號取值不得用于商業(yè)用途僅供個人參考的不同，輸出頻率也相應(yīng)地在fl和f2間跳變。DDS的輸出信號經(jīng)過低通濾波器之后，實際上就是實現(xiàn)了FSK調(diào)制。*BPSK信號的產(chǎn)生BPSK調(diào)制實際上是用基帶的數(shù)字信號去選擇載波的相位。當(dāng)基帶信號為0時，載波相位為80;當(dāng)基帶信號為1時，載波相

15、位為80+冗。為此，我們首先將設(shè)置載波頻率的頻率控制字?jǐn)?shù)據(jù)通過ISA總線、AD7008的數(shù)據(jù)端口D0D15,在TC0TC3信號控制下，送到2個頻率寄存器之一中，并將頻率選擇信號FSELEC彼置成1個相應(yīng)的值，使之選中所要輸出的頻率。然后將基帶數(shù)字信號作為控制信號，在其控制下，將2個32比特字長的碼字（為方便起見，用16進制表示）0000及8000通過數(shù)據(jù)端口D0D15分別送到相位寄存器。即當(dāng)基帶信號為0時，送0000碼字到相位寄存器；當(dāng)基帶信號為1時，送8000碼字到相位寄存器。由于相位寄存器為12位字長，其低20位將被截去。實際在相位寄存器中存儲的分別是二進制的000000000000和00

16、002個碼字。當(dāng)相位累加器輸出的數(shù)值加上全零時，相當(dāng)于相位沒有發(fā)生變化；而當(dāng)相位累加器輸出的數(shù)值加上0000（二進制）時，即是在RO般中的查表地址跳變了整個地址長度的1半，相當(dāng)于相位發(fā)生了180°的跳變。于是，當(dāng)基帶信號為0時，輸出信號（某個頻率的正弦波）相位不變；而當(dāng)基帶信號為1時，輸出信號相位跳變180。，也即實現(xiàn)了BPSK調(diào)制。與FSK調(diào)制信號的產(chǎn)生方法相似，如果將不同的數(shù)據(jù)分別寫入頻率寄存器0和頻率寄存器1,且在FSELECT可號配合下控制頻率控制字，改變輸出頻率，可以方便地產(chǎn)生GMS臧跳頻信號等。與BPSK調(diào)制信號的產(chǎn)生方法相似，如果設(shè)置好頻率控制字，得到所需要的載波頻率后

17、，再用調(diào)制數(shù)據(jù)控制輸入相位寄存器的碼字，使相位累加器的輸出數(shù)據(jù)與不同的值相加，則可以使相位改變不同的值。此方式可實現(xiàn)QPS降調(diào)制樣式。與AM調(diào)制信號的產(chǎn)生方式相似，如果設(shè)置好頻率控制字，得到所需要的載波頻率后，再將調(diào)制數(shù)據(jù)輸入正交調(diào)幅寄存器，由正交調(diào)幅寄存器中的數(shù)據(jù)控制ROM1輸出信號的幅度，可產(chǎn)生QAM等調(diào)制樣式。其他調(diào)制樣式的實現(xiàn)在此不再贅述。所有這些調(diào)制方式完全是由計算機控制完成。實現(xiàn)各種調(diào)制方式的區(qū)別僅僅在于控制信號和調(diào)制信號的工作形式不同。(3)AD7008芯片內(nèi)部不帶低通濾波器，所以外圍電路中應(yīng)按實際工作需要外接低通濾波器，濾除不需要的頻率分量。利用該芯片設(shè)計1塊計算機ISA總線擴

18、展卡，由計算機提供待調(diào)制的基帶信號、地址數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的控制信號，并在擴展卡上完成譯碼、信號驅(qū)動、電平轉(zhuǎn)換等簡單的功能，就可以實現(xiàn)具有靈活可控性的多模式調(diào)制器。其結(jié)構(gòu)框圖及電路原理圖分別如圖3、圖4所示。抨制他圮煙口電薛林晶振AR7008畀胡右115結(jié)束語V H ftFSELECT弊動DbuADDS除了能用于通信的調(diào)制器之外，還可用于任意波形產(chǎn)生。只要在波形存儲器中存入正弦波波形及方波、三角波、鋸齒波等大量非正弦波波形數(shù)據(jù),然后用計算機編程對這些數(shù)據(jù)進行控制，就可以任意改變輸出信號的波形。另外，可在許多鎖相環(huán)(PLL)設(shè)計中用DDS弋替多重環(huán)路以有效地實現(xiàn)頻率精調(diào)。DDS是現(xiàn)今1種重要的設(shè)計手段，高速集成電路的發(fā)展進一步改善了DDS的性能，它與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合，組成各種混合方案能將頻率源的性能提高到1個新的水平,因而未來DD軒僅應(yīng)用于傳不得用于商業(yè)用途統(tǒng)上需要使用信號源的領(lǐng)域，而且必將開拓許多新的應(yīng)用領(lǐng)域。來源：不祥僅供個人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途Forpersonaluseonlyinstudyandresearc