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在研制雷達系統時，常常需要應用頻率合成技術來實現跳頻信號源。頻率合成是指從一個高穩定的參考頻率，經過各種技術處理，生成一系列穩定的頻率輸出�，F在應用最廣的是鎖相環（PLL）頻率合成技術，它是通過變化PLL中的分頻比N來實現輸出頻率的跳頻的，但無法避免縮短環路鎖定時間與提高頻率分辨率的矛盾，因此很難同時滿足高速和高精確度的要求。直接數字式頻率合成（DDS）是近年發展起來的一種新的頻率合成技術。它將先進的數據處理理論與方法引入頻率合成領域，是繼直接頻率合成（DS）和間接頻率合成（IS）之后的第三代頻率合成技術。DDS的優點是：相對帶寬很寬，頻率轉換時間極短（ns級），頻率分辨率很高（可達μHz），全數字化結構便于集成，輸出相位連續，頻率、相位和幅度均可實現程控。因此能夠與計算機緊密結合在一起，充分發揮軟件的作用。在實際應用中，可以采用單片機來代替計算機對DDS芯片進行控制，實現合成頻率的輸出。因此在很短的時間內，DDS得到了飛速的發展和廣泛的應用。 1 DDS的基本原理 DDS技術是一種把一系列數字量形式的信號通過DAC轉換成模擬量形式的信號的合成技術。正弦輸出的DDS的原理框圖如圖1所示。相位累加器在A位頻率控制字FCW的控制下，以參考時鐘頻率fc為采樣率，產生待合成信號相位的數字線性序列。將其高P位作為地址碼，通過查詢正弦表ROM，產生S位對應信號波形的數字序列S（n），再由數/模轉換器（DAC）將其轉化為階梯模擬電壓波形S（t），最后由低通濾波器LPF平滑為正弦波輸出。 頻率控制字FCW和時鐘頻率fc共同決定了DDS輸出信號的頻率f0，它們之間的關系滿足： f0=(FCW/2A) fc （1） 所以，在DDS結構及fc確定的前提下，通過FCW的控制就可以方便地控制輸出頻率f0。其頻率分辨率為： f=f0min=fc/2N （2） 按照Naquist準則，最高輸出頻率可達0.5fc。但考慮到實際低通濾波器的限制，最高輸出頻率一般為0.4fc。 由于DAC非線性作用的存在，使得查表所得的幅度序列從DAC的輸入到輸出要經過一個非線性過程。于就會產生輸出信號f0的諧波分量。又因為DDS是一個采樣系統，所以這些諧波會fc為周期搬移，即： f=μfc vf0 (3) 其中，u、v為任意整數。它們落到Nyquist帶寬內就形成了有害的雜散頻率，頻率的位置可以確定，但幅度難以確定。所以在工程設計過程中要充分考慮輸出頻帶，注意避免上述雜散分量落入其中，以此來獲得較好的雜散指標。 2 DDS芯片介紹 DDS的諸多優點使它得到了非常廣泛的應用。在數字調制方面，它可以用來實現FSK、QPSK、8PSK等調制。在轉達頻率源方面，它可以實現多點、窄步長、高相噪的點頻輸出的頻率源以及線性調頻輸出頻率源。在擴頻通信方面，它可實現CDMA工作方式以及多種規律的跳頻模式。 現在國外已經有非常成熟的DDS芯片。Qualcomm公司推出了DDS系列Q2220、Q2230、Q2334、Q2240、Q2368，其中Q2368的時鐘頻率為130MHz，分辨率為0.03Hz，雜散控制為-76dBc，變頻時間為0.1μs；美國AD公司也相繼推出了他們的DDS系列：AD9850、AD9851、可以實現線性調頻的AD9852、兩路正交輸出的AD9854以及以DDS為核心的QPSK調制器AD9853、數字上變頻器AD9856和AD9857。AD公司的產品全部內置了D/A變換器，稱為Complete-DDS。其中，AD9852時鐘頻率為300MHz，近端雜散抑制優于-80dBc，遠端優于-48dBc，相位噪聲為-148dBc/Hz@10kHz，頻率跳變速度為130ns，頻率分辨率為1μHz。 AD9852主要由48位的頻率寄存器、48位相位累加器、正（余）弦查詢表（帶正交輸出）、幅度調制寄存器、乘法器和12位D/A轉換器構成。 AD9852可以實現單頻、FSK、Chirp、FM Chirp、BPSK等多種輸出形式。用其中的Chirp模式和FSK模式可以方便地實現跳頻功能，滿足雷達跳頻系統的要求。使用時只要初始化DDS，設定跳頻持續時間和跳頻間隔時間即可實現自動跳頻。這比以往的DDS芯片如AD9850要方便得多。 AD9852的管腳分為三部分：（1）數據及控制端口；（2）電源部分；（3）參考及輸出部分。 由于AD9852是目前市場上性價比較高的DDS器件之一，而且AD9852具有線性調頻功能，可以方便實現頻率的跳變。所以在雷達跳頻系統中最終采用了AD9852芯片。下面就該芯片的應用設計做一簡要介紹。 3 頻率合成器的設計 要讓AD9852工作，需要按下列流程初始化： （1）數據在WR信號控制下從并行輸入口D0～D1寫入48位并行寄存器，或在SCLK控制下從串行輸入口SDATA寫入48位串行寄存器。 （2）對S/P SELECT置1或置0以決定輸入數據是并行還是串行。1為并行，0為串行。 （3）AD9852芯片內部不帶帶通濾波器，所以外圍電路中應該實際工作需要外接帶通濾波器，濾除不需要的頻率分量。 利用一片AD9852及簡單的外圍電路實現頻率合成器的結構框圖如圖2所示。 根據我在設計過程中的實際經驗，有以下幾個問題需要注意。 3.1 單片機的選擇 因為AD9852是3.3V系統，所以必須選擇可以工作在3.3V的單片機。設計之初，忽略了這個問題，選用了普通51系列芯片，因為其輸出電平只能為5V，高于3.3V，DDS芯片因此被損壞。所打算采用51系列，但因為其在市場上很難買到，所以最終采用了Microchip公司的PIC系列單片機PIC16F874。該單片機可以工作在2.2～5.5V的范圍內。又考慮到設計要求的高速控制，PIC16F874單片機的速度是51系列的3倍，所以PIC16F874單片機滿足設計要求。 3.2 單片機的外圍電路 DDS的工作電壓是3.3V,而PIC的掉電復位電壓是4.5V，所以PIC單片機的外圍電路需要使用上電復位模式。 3.3 要避開DDS雜散較大的輸出頻點 在實際應用中，還有一些點的雜散信號很大，而且離主頻很近，無法去除。所以應該避免輸出這些頻點。這些頻點為靠近fc/3、fc/4、fc/5、fc/6……的頻點。 3.4 去耦 在一個電子系統中，通常多個器件共用一個電源。而電源線給交流信號提供了一個通路，使得交流信號通過電源線在器件之間傳輸，形成了干擾。所以必須在器件之間和電源到器件之間的電源線上加入濾波部分，濾掉交流干擾，稱為去耦。電源的去耦通常用幾個并聯電容和串聯電感來實現，如圖3所示。 3.5 接地 接地可以分為單點接地和多點接地。一般認為，連線長度大于信號波長的二十分之一時，應采用多點接地；反之，則采用單點接地。 實現多點接地就要在PCB板上布出一個面積較大地接地面，此接地面又與接大地的屏蔽外殼大面積接觸。這樣整個地的阻抗很小，電位可以認為是一致的，各器件就近接地，就避免了在線上形成干擾。 在數�；旌偷碾娐分校捎跀底植糠指蓴_源很多，所以模擬部分易受影響。因此要注意把模擬地和數字地分開。一般的方法是用一根線來連接數字地和模擬地，而且只在一處相連，這樣就可以較好地切斷數字部分的干擾源。 3.6 充分利用DDS的sweet pots 如前所述，在DDS中，其相位累加器的位數為A，但用來查詢正弦表的位數只有其高P位，剩下的就四舍王入丟棄了，這樣做會產生一種相位截斷誤差。但是如果相位累加器中的A-P位恰好為0，其輸出頻點的特性就會比較好，這就是所謂的“sweet pots”。所以在DDS單點輸出時，使DDS盡量在sweet pots頻點輸出，可以達到優化輸出特性的目的。 3.7 DDS參考信號輸入端的注意事項 由于采用了參考信號單端輸入的方式，所以REFCLKB端應該接地或電源；參考信號輸入端REFCLK要跟電源相連接。因為DDS的參考信號要求有1.6V的直流電平，在參考信號輸入到REFCLK端的端點處，應接一個5.1kΩ的電阻到3.3V直流電源，同時接一個0～10kΩ的可變電阻（此處取5kΩ）到100Ω的電阻，經過電阻分壓，REFCLK端就有1.6V的直流電壓。這個0～10kΩ的可調電阻同時用來微調REFCLK端對地的電阻，以調節REFCLK的直流電位，具體情況請參看圖4。圖4中的II形濾波部分是為了濾除電源對REFCLK端的干擾。該頻率合成器原理圖如圖4所示。 檢驗證明，利用AD9852設計的頻率合成器具有跳頻速度快、頻率分辨率高、體積小、系統工作穩定、使用方便等優點。因此它有很強的實用價值。 DDS除了用于跳頻系統中外，還可以用于任意波形產生、信號調制等。隨著高速集成電路的飛速發展，DDS必將開拓更多新的應用領域。 |
