DDS的調(diào)頻信號(hào)發(fā)生器的硬件設(shè)計(jì)與仿真

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

　　調(diào)頻(FM)體制用已調(diào)信號(hào)頻率的變化承載信息。調(diào)頻波的瞬時(shí)頻率等于載波頻率加上一個(gè)正比于調(diào)制信號(hào)的時(shí)變頻率。

　　調(diào)頻波的表達(dá)式為：

　　其瞬時(shí)角頻率為：

　　其中ω0 固定角頻率(載頻); 為比例常數(shù)(調(diào)制常數(shù))，代表調(diào)制器的靈敏度[1]。

　　DDS輸出的信號(hào)頻率可以由下式給定：

　　其中：為參考時(shí)鐘， 為信號(hào)頻率分辨率，為輸出信號(hào)頻率， 為頻率控制字， 為相位累加器的位數(shù)。可見(jiàn)，可以通過(guò)設(shè)定相位累加器的位數(shù)、頻率控制字和系統(tǒng)參考時(shí)鐘的值，就可以產(chǎn)生任意信號(hào)頻率的輸出[2]。

　　可以看出，當(dāng) 時(shí)，可得DDS的最低輸出頻率即此DDS的頻率分辨率為：

　　利用DDS實(shí)現(xiàn)調(diào)頻，就是要使信號(hào)合成器輸出信號(hào)的頻率隨著調(diào)制信號(hào)的幅度大小線性變化，瞬時(shí)頻率的變化可以轉(zhuǎn)化為對(duì)頻率控制字的改變的控制[3]。假設(shè)調(diào)制信號(hào)經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換為B位數(shù)字信號(hào)，為滿足調(diào)制頻偏要求，需在MCU內(nèi)與一可調(diào)的調(diào)制常數(shù)相乘，乘積作為調(diào)制信號(hào)的頻率控制字;再假設(shè)載波頻率控制字為 ，則調(diào)頻波的頻率控制字為：

　　代入(1)式得調(diào)頻波信號(hào)的瞬時(shí)頻率序列：

　　考慮到相位累加器的積分器作用，假設(shè)波形存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的為余弦波，則DDS輸出的調(diào)頻信號(hào)序列為：

　　再將調(diào)頻信號(hào)序列 通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器和低通濾波器后，得到的模擬信號(hào)就是直接數(shù)字合成的調(diào)頻信號(hào)。

　　硬件實(shí)現(xiàn)

　　由于采用全數(shù)字結(jié)構(gòu)，DDS輸出信號(hào)的頻帶受器件水平的限制，一般在幾百兆以內(nèi)。在本系統(tǒng)中，為了達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的100 ~ 400MHz的調(diào)制頻段要求，綜合考慮DDS芯片的技術(shù)水平以及成本問(wèn)題，我們采用雙通道DDS與混頻器相結(jié)合的方案來(lái)提高調(diào)頻信號(hào)的工作頻段，這樣每個(gè)通道的最大輸出頻率只需達(dá)到200MHz。向雙通道DDS的兩個(gè)通道送入相同的調(diào)頻波頻率控制字，則兩個(gè)通道DDS-1和DDS-2產(chǎn)生完全同步的載波為的調(diào)頻信號(hào)序列，再將調(diào)頻信號(hào)序列分別通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器后混頻，去掉直流成分，得到的模擬信號(hào)就是載波頻率為的調(diào)頻信號(hào)。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)原理如圖1所示 。

信號(hào)發(fā)生模塊

　　信號(hào)發(fā)生模塊主要由DDS芯片組成，這里選用美國(guó)ADI公司的雙通道直接數(shù)字頻率合成器AD9958，最高采樣頻率可達(dá) 500 MSPS。它有兩個(gè)DDS核，能夠提供兩個(gè)內(nèi)部同步、獨(dú)立編程同步輸出通道，在系統(tǒng)時(shí)鐘工作在500 MHz時(shí)，輸出頻率可控制范圍可以達(dá)到0 ~ 200 MHz[4]，可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

　　AD9958有4種工作模式，分別為單頻模式、調(diào)制模式、線性掃描模式和幅度輸出控制模式。其中單頻模式是芯片服務(wù)后默認(rèn)的工作模式，在此模式下輸出是某一單調(diào)頻率、幅度和初始相位的正弦波[5]。本系統(tǒng)中AD9958采用的就是單頻模式，在這種工作模式下，兩個(gè)DDS通道共享一個(gè)公共地址，頻率控制字地址是寄存器(0x04)，通過(guò)改變頻率控制字，可以很方便的改變輸出頻率，結(jié)合通道選擇控制字，兩個(gè)通道可以獨(dú)立輸出互不相關(guān)的兩路正弦波，控制功能由MCU完成。

　　由于DDS的輸出最大頻率受奈奎斯特抽樣定理的限制，所以有，此時(shí)，考慮到器件因素，在實(shí)際使用中一般取。本系統(tǒng)中，外部參考時(shí)鐘采用50M高穩(wěn)晶振，DDS芯片時(shí)鐘倍頻器設(shè)置倍率為10，使系統(tǒng)時(shí)鐘達(dá)到500 MHz。從而使每個(gè)通道可保證信號(hào)質(zhì)量的最高輸出頻率達(dá)到200 MHz。

　　控制模塊

　　控制模塊的功能主要由MCU芯片組成，MCU內(nèi)部集成豐富的外圍設(shè)備，具有卓越的處理能力，應(yīng)用MCU完成外圍電路，可以使得整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。在本系統(tǒng)中，MCU作為核心控制模塊完成調(diào)制信號(hào)頻率控制字的獲取和載波頻率控制字的接收以及對(duì)DDS的控制。

　　調(diào)制信號(hào)頻率控制字：本系統(tǒng)通過(guò)MCU芯片集成的ADC完成調(diào)制信號(hào)頻率控制字的獲取。根據(jù)實(shí)際需要，本系統(tǒng)的調(diào)制信號(hào)為語(yǔ)音信號(hào)，頻率集中在50 ~ 3400 Hz。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，ADC采樣頻率應(yīng)不小于6.4 kHz,，考慮到高速密集采樣可以減少頻偏偏差，因此設(shè)定ADC采樣頻率為100 kHz。語(yǔ)音調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，得到12位數(shù)字信號(hào)，與調(diào)制常數(shù)相乘作為調(diào)制信號(hào)頻率控制字。

　　載波頻率控制字：MCU通過(guò)片上集成的UART接口與外部控制模塊進(jìn)行通信，外部控制模塊采用異步通信方式將載波頻率控制字等指令發(fā)送給MCU。MCU收到的指令信號(hào)進(jìn)行處理，并提取出用戶要求的載波頻率控制字。

　　調(diào)頻波頻率控制字：MCU將調(diào)制信號(hào)頻率控制字與載波頻率控制字相加作為調(diào)頻波的頻率控制字并按照DDS的頻率控制字格式進(jìn)行處理后送入DDS。

　　低通濾波器

　　DDS采用數(shù)字化技術(shù)，最終合成信號(hào)是經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后得到的，其頻譜含有豐富的高次頻譜分量，為了得到頻譜純凈的信號(hào)輸出，必須要用低通濾波器將他們?yōu)V除，要求濾波器的衰減特性要陡直，延遲時(shí)間要短。

　　軟件設(shè)計(jì)

　　整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化程序設(shè)計(jì)，采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，便于移植，可讀性強(qiáng)，主要是根據(jù)AD9958的頻率控制字格式，通過(guò)MCU將這些控制字寫(xiě)入AD9958內(nèi)部的寄存器中，從而產(chǎn)生相應(yīng)的頻率。軟件主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方面的功能：系統(tǒng)初始化和頻率控制字寫(xiě)入。

　　系統(tǒng)初始化：包括MCU自身的初始化配置，以及按照AD9958芯片的寄存器配置方式，向AD9958寫(xiě)入系統(tǒng)時(shí)鐘、工作模式以及通道選擇等配置指令。

　　頻率控制字寫(xiě)入：為完成一次頻率控制字更替，MCU需要按照AD9958的頻率字寫(xiě)入格式發(fā)送一次通道指令，共40位，高8位為寄存器地址(0x04)，低32位為頻率控制字。在一個(gè)ADC采樣周期內(nèi)，必須將通道指令發(fā)送完畢，才能使輸出頻率按照ADC采樣頻率不斷更新，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)頻。AD9958的指令寫(xiě)入方式可分為串行裝入和并行裝入，本系統(tǒng)采用串行方式裝入，由MCU直接送給AD9958頻率控制字。在每個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘(SCLK)的上升沿由數(shù)據(jù)輸入口SDIO_0移入一位控制字，連續(xù)40個(gè)SCLK周期即可將40位控制字裝入緩沖寄存器中。在更新信號(hào)(IO_UP)信號(hào)上升沿到來(lái)以后，控制字傳輸?shù)娇刂萍拇嫫髦?，AD9958的兩個(gè)通道同時(shí)更新輸出頻率。仿真結(jié)果

　　在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高分辨率并突破波形存儲(chǔ)器容量的限制，通常采用相位截?cái)嗉夹g(shù)，相位截?cái)嗟拇嬖跁?huì)產(chǎn)生相位截?cái)嗾`差，從而引起雜散頻譜分量。由于對(duì)雜散的分析比較復(fù)雜，本文在不考慮相位截?cái)嗾`差的情況下，按照上述的硬件設(shè)計(jì)方法搭建相應(yīng)的Matlab仿真平臺(tái)，對(duì)此數(shù)字合成調(diào)頻調(diào)頻信號(hào)的方法進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖 2所示。

　　按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，假設(shè)需要產(chǎn)生的調(diào)頻波載波頻率為200 MHz，調(diào)制頻偏為45 MHz。為便于分析，假設(shè)調(diào)制信號(hào)為30 MHz的正弦信號(hào)。按照前面分析，載波頻率控制字為0x66666666，調(diào)制信號(hào)。如圖 2 所示，(a)和(b) 分別給出了DDS的兩個(gè)通道DDS-1和DDS-2輸出的載波的載波頻率為100MHz的調(diào)頻波的波形圖和頻譜圖;(c)和 (d) 給出了兩個(gè)通道的調(diào)頻波經(jīng)過(guò)混頻以及濾波等處理以后得到的載波頻率為200 MHz的調(diào)頻波的波形圖和頻譜圖。從(b)和(d)的頻譜圖可以看出，在載波分量的兩側(cè)對(duì)稱的出現(xiàn)了以30 MHz為間隔