基于DDS的短波射頻頻率源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要 介紹了直接數(shù)字頻率合成(DDS)的結(jié)構(gòu)和原理，并將DDS技術(shù)應(yīng)用于短波射頻通信頻率源中。實(shí)現(xiàn)了一種基于單片機(jī)+DDS可編程低噪聲頻率源，輸出信號(hào)范圍46．5～75 MHz。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該頻率源具有頻率分辨率高、相位噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，滿足短波射頻通信系統(tǒng)對(duì)頻率源的設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞 直接數(shù)字頻率合成；AD9912；單片機(jī)；頻綜源

頻率源是現(xiàn)代短波射頻通信系統(tǒng)的核心，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行起著決定性的作用。作為射頻電路與系統(tǒng)的核心設(shè)備，頻率源的好壞關(guān)系著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性?，F(xiàn)在的頻率合成技術(shù)正朝著雜散和相位噪聲更低的方向發(fā)展，同時(shí)還要求有更寬的頻帶和更高的頻率分辨率。直接數(shù)字頻率合成(DDS)正是在這種需求背景下發(fā)展起來的，它具有極微小的頻率調(diào)諧和相位分辨能力。融合了模擬和數(shù)字技術(shù)的DDS是產(chǎn)生高質(zhì)量、高頻譜純度、寬頻帶頻率的理想方法。文中基于ADI公司的AD9912芯片提出一個(gè)直接頻率合成方案，輸出頻率范圍為46．5～75MHz。

1 DDS基本工作原理
直接頻率合成器DDS本質(zhì)上是一種高分辨率的數(shù)字分頻器。通過頻率調(diào)節(jié)字來分頻系統(tǒng)時(shí)鐘，以輸出所需的頻率。DDS有兩個(gè)顯著特點(diǎn)：(1)DDS工作在數(shù)字域，其輸出頻率、相位和幅度可以在數(shù)字處理器的控制下，精確而快速地變換；(2)其頻率分辨率主要取決于頻率調(diào)節(jié)字的位數(shù)，可以達(dá)到極高的頻率分辨率。
典型的DDS原理框圖如圖1所示。它主要包括：相位累加器，相位-幅度變換器，數(shù)／模變換器和低通濾波器。

(1)相位累加器。
對(duì)于正弦波而言，雖然幅度不是線性的，但其相位卻是線性變化的，這正是DDS能夠合成正弦波的基礎(chǔ)。DDS根據(jù)頻率調(diào)節(jié)字的位數(shù)N，把0°～360°的相位變化平均分成2N等份。假設(shè)系統(tǒng)參考時(shí)鐘為fs；輸出頻率為fout。在每個(gè)時(shí)鐘周期轉(zhuǎn)過一個(gè)角度360°／2N，則可以產(chǎn)生一個(gè)頻率為fs／2N的正弦波的相位增量。因此，只需選擇恰當(dāng)?shù)念l率調(diào)節(jié)字M，使得fout／fs=M／2N，就可以得到所需的輸出頻率fout。

由式(1)可以得到DDS的最小頻率分辨率為

(2)相位幅度轉(zhuǎn)化器。
根據(jù)相位累加器的輸出，可以得到合成fout頻率所對(duì)應(yīng)的相位信息，相位幅度轉(zhuǎn)化器可以把累加器輸出的數(shù)字相位信息變換成相應(yīng)的幅度值。這個(gè)數(shù)值以二進(jìn)制的形式被送入DAC進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。此相位到幅度的轉(zhuǎn)換通過查表操作完成。
(3)D／A數(shù)模變換器。
從相位幅度轉(zhuǎn)換器得到的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)被送入數(shù)／模(D／A)轉(zhuǎn)換器中，變換成模擬信號(hào)輸出。此處D／A變換器的位數(shù)對(duì)輸出頻率的分辨率并沒有影響。輸出頻率的分辨率由頻率調(diào)節(jié)字的位數(shù)決定。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)中采用低抖動(dòng)、低雜散的直接數(shù)字頻率合成器DDS作為短波射頻通信系統(tǒng)的本振源。整個(gè)短波射頻系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。

設(shè)計(jì)采用ADI公司的高端產(chǎn)品AD9912。它最高支持1 GHz的采樣時(shí)鐘，并且內(nèi)置了一個(gè)14 bit的D／A變換器，支持48 bit的頻率調(diào)節(jié)字，最高頻率分辨率為4μHz。AD9912的突出特點(diǎn)是擁有能編程的輔助直接數(shù)字頻率合成器通道，可以降低輸出頻譜中諧波雜散的等級(jí)，改進(jìn)了DDS固有的雜散和噪聲大的缺點(diǎn)。