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

作者: 時(shí)間:2015-04-12 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  介紹了直接數(shù)字頻率合成()的結(jié)構(gòu)和原理,并將技術(shù)應(yīng)用于短波通信頻率源中。實(shí)現(xiàn)了一種基于單片機(jī)+可編程低噪聲頻率源,輸出信號范圍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),滿足短波通信系統(tǒng)對頻率源的設(shè)計(jì)要求。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/272398.htm

  頻率源是現(xiàn)代短波通信系統(tǒng)的核心,對整個(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。

  

 

  圖1典型的DDS原理框圖

  (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(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)字信號被送入數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)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(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。

  

 

  圖2短波射頻系統(tǒng)的原理框圖

  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,改進(jìn)了DDS固有的雜散和噪聲大的缺點(diǎn)。

  本設(shè)計(jì)中采用MSP430F2012單片機(jī)作為AD9912頻率輸出的控制器。在啟動(dòng)DDS芯片前,首先要配置信號IO_UPDATE、PWRDOWN、HOLDOVER及S1~S4時(shí)鐘使能信號,使AD9912正常工作。DDS上電啟動(dòng)后,單片機(jī)通過SDO、CSB、SCLK向AD9912寫入頻率調(diào)節(jié)字,輸出HSTL電平的時(shí)鐘信號。信號經(jīng)選擇和電平轉(zhuǎn)換后,經(jīng)過輸出驅(qū)動(dòng)器輸出。

  AD9912內(nèi)部集成了采樣時(shí)鐘倍頻器,即鎖相環(huán)(PLL)。在使用PLL的情況下,采樣時(shí)鐘源中的任何噪聲或雜散都會(huì)在PLL的環(huán)路帶寬以20lo gx關(guān)系被放大,x是頻率放大的倍數(shù)。由于輸入時(shí)鐘的雜散在輸出的相位噪聲會(huì)隨著輸出頻率不同而改變,在采樣時(shí)鐘相同的情況下,輸出兩個(gè)不同頻率時(shí)的相位噪聲關(guān)系為

  

 

  從式(3)可以看出,在固定輸出頻率的前提下,盡量提高采樣時(shí)鐘速率可以提高輸出頻率的相位噪聲性能。在設(shè)計(jì)中,為達(dá)到最佳的性能,放棄了內(nèi)部PLL環(huán)路,而采用外部高性能PLL輸出的1GHz采樣時(shí)鐘。

  2.1外部環(huán)路濾波器設(shè)計(jì)

  外部環(huán)路濾波可以將DAC輸出的雜波和鏡像頻譜濾掉,可以平滑輸出波形,對信號的輸出質(zhì)量有較好地改善作用。外部環(huán)路濾波器采用橢圓函數(shù)低通濾波器。電路設(shè)計(jì)時(shí)采用分立LC元件構(gòu)成截止頻率為400 MHz的低通濾器。電路原理及仿真結(jié)果如圖3所示。

  

 

  圖3環(huán)路濾波器的原理圖及仿真結(jié)果

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