1、僅供個人參考直接數字頻率合成器在通信調制器中的應用鄒濤，張翠，田新廣，張爾揚（國防科技大學電子工程學院，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實現高性能指標的關鍵，很多現代電子設備和系統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的“心臟”。而當今高性能的頻率源均通過頻率合成技術來實現。傳統的頻率合成器有直接頻率合成器和鎖相環兩種。直接頻率合成方法具有頻率轉換時間短、近載頻相位噪聲性能好等優點，但由于采用大量的倍頻、分頻、混頻和濾波環節，導致直接頻率合成器結構復雜、體積龐大、成本高，而且容易產生過多的雜散分量，難以達到較高的頻譜純度。鎖相環式

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。但由于鎖相環本身是1個惰性環節，鎖定時間較長，故頻率轉換時間較長。除此之外，由模擬方法合成的正弦波的參數，如幅度、頻率和相位都很難控制。直接數字式頻率合成（DirectDigitalFrequencySynthesis,簡稱DDS或DDFS是近年來發展起來的1種新的頻率合成技術。它將先進的數字處理理論與方法引入信號合成領域，標志著第三代頻率合成技術的出現。其主要優點是相對帶寬很寬、頻率轉換時間極短（可小于20ns）、頻率分辨率很高（典型值為0.001Hz）、全數字化結構便

3、于集成、輸出相位連續、頻率、相位和幅度均可實現程控。因此，能夠與計算機緊密結合在一起，充分發揮軟件的作用。DDS技術的實現完全是高速數字電路D/A變換器集合的產物。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用，使得DDS±限頻率不夠高的缺陷正在不斷地被克服。作為應用，現在已有DDS產品用于接收機本振、信號發生器、通信系統、雷達系統等，特別是跳頻通信系統。2DDS的工作原理首先考慮1個周期的正弦波連續信號，以等量的時間間隔T對其采樣，并進行量化，則可得到1個周期的正弦波數字信號。將該數字信號存入存儲器中，即構成了正弦函數查找表。

4、存儲器的地址代表了時間取樣的序號。對正弦波而言，當頻率一定時，正弦信號的相位與時間成線性關系。因而不同的取樣序號也就代表了正弦波信號的不同相位，存儲器中所存數值則是量化后的正弦信號幅度。假設正弦波波形存儲器存儲了1個周期的M個相位取樣值，當以頻率fC的時鐘信號反復讀取波形存儲器時，讀出一個周期的正弦波數據所需的時間是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，當改變時鐘fC時，合成信號的頻率也隨之改變。工程實現上，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數模轉換器(DAC及來實現的。基本DDS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個基本結構圖。NWDDS的基本結構圖上圖中的參考頻率源fC由高穩定度的晶體振蕩器產生，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位累加寄存器級聯構成。每來1個時鐘脈沖，加法器將頻率控制數據與累加寄存器輸出的累積相位數據相加，把相加后的結果送至累加寄存器的數據輸入端。累加寄存器將加法器在上1個時鐘作用后所產生的新相位數據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與頻率控制數據相加。這樣，相位累加器在參考時鐘的作用下，進行線性相位累加，當相位累加器累積滿量時就會產生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個周期的正弦函數的幅度值x(1)x(2)x(100)。當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；不得用于商業用途僅供個人參考當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 相位幅值轉換用相位累加器輸出的數據作為取樣地址，對正弦波波形存儲器進行相位幅值轉換，即可在給定的時間上確定輸出的波形幅值。2.3 數模轉換及低通濾波器DAC將數字量形式的波形幅值轉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，頻率轉時間極短(可小于20ns),頻率分辨率很高(典型值為0.001Hz)，全數字化結構便于集成，輸出相

8、位連續，頻率、相位和幅度均可實現程控等主要優點。但是它的全數字結構也使其有較大的輸出雜散，這一缺點是限制DDS進一步應用和發展的主要因素。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L是個有限值，這就會產生幅度量化誤差。(3) DAC的非理想特性DAC的各種非理想轉換特性會影響DDS輸出頻譜的純度，產生雜

9、散分量。盡管如此，在DDS的應用中可以通過優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用中。4應用舉例通過對DDS原理的介紹，我們已經能夠大致了解它在通信中的作用以及在調制方面的可能應用。在實際工作中，我們曾利用1片DDS芯片(AD公司的AD7008)成功地實現了與計算機接口的多模式通信調制器。該芯片功能較全、性價比高、容易開發、實現的成品性能較好。下面就芯片及其應用設計作一簡要介紹。AD7008是AD(AnalogDevice)公司生產的比較優秀的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、內部結構整個芯片由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)、兩個正交幅度調制寄存器、10位D/A轉換器等構成。AD7008具有一般DDSK片所不具備的正交調幅調制器。許多應用場合都需要精確控制輸出信號的幅度，如本振、信號源和調制器。控制幅度的方法有很多種，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QAMAM調制。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，否則會產生溢出。如果不使用幅

11、度調制器，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設計了1塊計算機ISA擴展卡。通過計算機ISA總線實現控制和數據傳輸。(1)調制數據在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據寫入某1個特定的目的寄存器。其對應關系如表1所示。表1源寄存器與目的寄存器的對應表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為例分析多模式調制器的工作原理。*AM信號的表示s(t)=A1+mx(t)coswtAM信號的產生是話音信號x(t)通過A/D變換得到數字信號x(n),在計算機中加權得到A1+mx(

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

14、數字信號去選擇載波頻率。當基帶信號為0時，載波頻率為fl;當基帶信號為1時，載波頻率為f2o為此，我們首先將設置載波頻率fl、f2的頻率控制字數據通過ISA總線、AD7008的數據端口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。隨著基帶數字信號取值不得用于商業用途僅供個人參考的不同，輸出頻率也相應地在fl和f2間跳變。DDS的輸出信號經過低通濾波器之后，實際上就是實現了FSK調制。*BPSK信號的產生BPSK調制實際上是用基帶的數字信號去選擇載波的相位。當基帶信號為0時，載波相位為80;當基帶信號為1時，載波相

15、位為80+冗。為此，我們首先將設置載波頻率的頻率控制字數據通過ISA總線、AD7008的數據端口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個相應的值，使之選中所要輸出的頻率。然后將基帶數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通過數據端口D0D15分別送到相位寄存器。即當基帶信號為0時，送0000碼字到相位寄存器；當基帶信號為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。當相位累加器輸出的數值加上全零時，相當于相位沒有發生變化；而當相位累加器輸出的數值加上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，相當于相位發生了180°的跳變。于是，當基帶信號為0時，輸出信號（某個頻率的正弦波）相位不變；而當基帶信號為1時，輸出信號相位跳變180。，也即實現了BPSK調制。與FSK調制信號的產生方法相似，如果將不同的數據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，可以方便地產生GMS臧跳頻信號等。與BPSK調制信號的產生方法相似，如果設置好頻率控制字，得到所需要的載波頻率后

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

18、展卡，由計算機提供待調制的基帶信號、地址數據以及相應的控制信號，并在擴展卡上完成譯碼、信號驅動、電平轉換等簡單的功能，就可以實現具有靈活可控性的多模式調制器。其結構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結束語V H ftFSELECT弊動DbuADDS除了能用于通信的調制器之外，還可用于任意波形產生。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據,然后用計算機編程對這些數據進行控制，就可以任意改變輸出信號的波形。另外，可在許多鎖相環(PLL)設計中用DDS弋替多重環路以有效地實現頻率精調。DDS是現今1種重要的設計手段，高速集成電路的發展進一步改善了DDS的性能，它與傳統技術相結合，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軒僅應用于傳不得用于商業用途統上需要使用信號源的領域，而且必將開拓許多新的應用領域。來源：不祥僅供個人用于學習、研究；不得用于商業用途Forpersonaluseonlyinstudyandresearc