基于DDS頻率源的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

摘要 介紹了DDS的基本工作原理，闡述了DDS技術(shù)局限性，最終實(shí)現(xiàn)了一種基于FPGA+DDS可縭編程低相位噪聲的頻率源，輸出信號范圍170～228 MHz。測試結(jié)果表明，該頻率源具有高頻率分辨率和低相位噪聲等特點(diǎn)，能夠滿足通信系統(tǒng)對頻率源的設(shè)計要求。
關(guān)鍵詞 DDS；頻率源；AD9912；FPGA

頻率源是現(xiàn)代射頻通信系統(tǒng)的核心，對系統(tǒng)的運(yùn)行起著決定性作用。射頻電路頻率源的好壞關(guān)系著整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。目前頻率合成技術(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)正是在該需求背景下發(fā)展的，其具有微小的頻率調(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芯片提出一個直接頻率合成方案，輸出頻率范圍為170～228 MHz，頻率步進(jìn)12．5 kHz，相位噪聲優(yōu)于98 dBc ／Hz@1kHz。

1 DDS基本工作原理
直接頻率合成器DDS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)時鐘，以輸出所需的頻率。DDS有兩個特點(diǎn)：(1)工作在數(shù)字域，其輸出頻率相位和幅度可在數(shù)字處理器的控制下，精確、快速地變換。(2)頻率分辨率主要取決于頻率調(diào)節(jié)字的位數(shù)，因此可達(dá)到較高的頻率分辨率。DDS基本原理框圖如圖1所示，其主要包括：相位累加器、相位-幅度變換器、數(shù)／模變換器和低通濾波器。

1．1 相位累加器
對于正弦波而言，幅度不是線性變化的，而相位卻是線性變化的，這便是DDS能夠合成正弦波的基礎(chǔ)。DDS依據(jù)頻率調(diào)節(jié)字的位數(shù)M，將0°～360°的相位變化平均分成2M等份。假設(shè)系統(tǒng)參考時鐘為fc；輸出頻率為fout在每個時鐘周期轉(zhuǎn)過一個角度360°／2M，則可產(chǎn)生一個頻率為f／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K，使得fout／fc=K／2M，即可得到輸出頻率。
fout=(K×fc)／2M (1)
可以得到DDS的最小頻率分辨率為
△f=fc／2M (2)
1．2 相位幅度轉(zhuǎn)化器
根據(jù)相位累加器的輸出，得到所需合成fout頻率所對應(yīng)的相位信息，是將累加器輸出的數(shù)字相位信息變換成正弦波相應(yīng)的幅度值。將正弦波相位到幅度的轉(zhuǎn)換可通過查表操作完成，然后正弦波幅度數(shù)值以二進(jìn)制的形式被送入DAC進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。
1．3 DAG數(shù)模變換器
從相位幅度轉(zhuǎn)換器得到的二進(jìn)制數(shù)字信號被送入數(shù)模轉(zhuǎn)換器中，變換成模擬信號輸出。此處DAC變換器的位數(shù)對輸出頻率的分辨率并無影響，但DAC變換器的位數(shù)應(yīng)將不低于二進(jìn)制數(shù)字信號的位數(shù)，這樣輸出頻率的分辨率主要由頻率調(diào)節(jié)字的位數(shù)決定。

2 DDS的局限性
2．1 輸出頻帶范圍有限
由于DDS內(nèi)部DAC和波形存儲器(ROM)的工作速度限制，使得DDS輸出的最高頻有限。目前市場上采用CMOS、TTL和ECL工藝制作的DDS芯片，工作頻率通常在幾十～400 MHz。設(shè)計采用的AD 9912芯片，其支持的最高時鐘高達(dá)1 GHz，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，每周期的采樣點(diǎn)≥2，則其輸出的最高頻率≤500 MHz。實(shí)際上，為保證輸出波形的質(zhì)量，實(shí)際采樣點(diǎn)>2，因此AD9912能夠輸出的最高頻率400 MHz。
2．2 輸出雜散大
由于DDS采用全數(shù)字結(jié)構(gòu)，從而不可避免地引入了雜散輸出。DDS雜散輸出的來源有3個：相位累加器相位舍位誤差造成的雜散；幅度量化誤差造成的雜散和DAC非理想特性造成的雜散。