基于DDS的短波射頻頻率源設計與實現(xiàn)

摘要 介紹了直接數(shù)字頻率合成(DDS)的結構和原理，并將DDS技術應用于短波射頻通信頻率源中。實現(xiàn)了一種基于單片機+DDS可編程低噪聲頻率源，輸出信號范圍46．5～75 MHz。實驗結果表明，該頻率源具有頻率分辨率高、相位噪聲低等優(yōu)點，滿足短波射頻通信系統(tǒng)對頻率源的設計要求。
關鍵詞 直接數(shù)字頻率合成；AD9912；單片機；頻綜源

頻率源是現(xiàn)代短波射頻通信系統(tǒng)的核心，對整個系統(tǒng)的正常運行起著決定性的作用。作為射頻電路與系統(tǒng)的核心設備，頻率源的好壞關系著整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。現(xiàn)在的頻率合成技術正朝著雜散和相位噪聲更低的方向發(fā)展，同時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諧和相位分辨能力。融合了模擬和數(shù)字技術的DDS是產(chǎn)生高質量、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本質上是一種高分辨率的數(shù)字分頻器。通過頻率調節(jié)字來分頻系統(tǒng)時鐘，以輸出所需的頻率。DDS有兩個顯著特點：(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節(jié)字的位數(shù)，可以達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。DDS根據(jù)頻率調節(jié)字的位數(shù)N，把0°～360°的相位變化平均分成2N等份。假設系統(tǒng)參考時鐘為fs；輸出頻率為fout。在每個時鐘周期轉過一個角度360°／2N，則可以產(chǎn)生一個頻率為fs／2N的正弦波的相位增量。因此，只需選擇恰當?shù)念l率調節(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)相位幅度轉化器。
根據(jù)相位累加器的輸出，可以得到合成fout頻率所對應的相位信息，相位幅度轉化器可以把累加器輸出的數(shù)字相位信息變換成相應的幅度值。這個數(shù)值以二進制的形式被送入DAC進行數(shù)模轉換。此相位到幅度的轉換通過查表操作完成。
(3)D／A數(shù)模變換器。
從相位幅度轉換器得到的二進制數(shù)字信號被送入數(shù)／模(D／A)轉換器中，變換成模擬信號輸出。此處D／A變換器的位數(shù)對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節(jié)字的位數(shù)決定。

2 系統(tǒng)設計
設計中采用低抖動、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。整個短波射頻系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。

設計采用ADI公司的高端產(chǎn)品AD9912。它最高支持1 GHz的采樣時鐘，并且內(nèi)置了一個14 bit的D／A變換器，支持48 bit的頻率調節(jié)字，最高頻率分辨率為4μHz。AD9912的突出特點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，改進了DDS固有的雜散和噪聲大的缺點。