摘要：針對數(shù)字基帶信號的特點和通信系統(tǒng)對信號傳輸?shù)囊螅?strong>DDS數(shù)字頻率合成技術進行波形設計。采用了ADI公司的AD9958芯片為核心設計實現(xiàn)了全數(shù)字頻率合成器，構建了具備FSK調制，PSK調制及線性掃描功能的全數(shù)字通信系統(tǒng)。詳細介紹了該通信系統(tǒng)的主要構成和實現(xiàn)全數(shù)字波形設計的軟件控制方式，使其具備多種信號形式，較寬的工作頻帶、根據(jù)工作需要隨時變換波形的功能。該系統(tǒng)具有可重復編程和動態(tài)重構的優(yōu)點，使其易于修改，靈活可控，可適用于通信工程實踐中。
關鍵詞：DDS；波形設計；FSK；PSK；線性掃描調制；AD9958
0 引言
目前在各類通信系統(tǒng)中的波形設計，通常是指調制波形的設計問題。一個完善的通信系統(tǒng)通常有多種信號形式、較寬的輸出工作頻帶、根據(jù)工作需要隨時變換波形，以達到最好的工作效果。
直接數(shù)字式頻率合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)是近年來隨著數(shù)字集成電路和微電子技術的快速發(fā)展而迅速興起的一種新的頻率合成技術。它將先進的數(shù)字信號處理理論和方法引入到頻率合成領域中，有效解決許多模擬合成技術無法解決的問題。模擬的方法最大的問題是不能實現(xiàn)波形捷變，而數(shù)字的方法解決了這個問題，而且還可以進行幅相補償，良好的靈活性使得數(shù)字波形的產(chǎn)生方法越來越受到重視。
1 DDS工作原理
DDS頻率合成技術具有ns量級的捷變頻時間，mHz量級頻率分辨率，相對帶寬較寬，高優(yōu)良的相位噪聲性能，可以方便的實現(xiàn)各種調制，是一種全數(shù)字化、高集成度、可編程的系統(tǒng)。其工作原理如圖1所示。
DDS應用于各類通信系統(tǒng)時，參考頻率源fr多采用穩(wěn)定的晶體振蕩器，以得到頻譜純凈的工作時鐘。累加器由多個級聯(lián)的加法器和寄存器組成，當參考頻率源fr輸入一個時鐘脈沖時，它的輸出增加一個步長的增量值，增量的大小隨頻率控制字Kf的不同而變化。當用這個增量的數(shù)據(jù)進行尋址查表時，正弦查表就把存儲在累加器中的抽樣數(shù)字值轉換成近似正弦波幅度的數(shù)字量函數(shù)，D／A轉換器就把數(shù)字量轉化成模擬量，低通濾波器進一步平滑近似正弦波的鋸齒階梯函數(shù)。
DDS技術與大多數(shù)的數(shù)字信號處理技術一樣，基礎仍然是奈奎斯特采樣定理。該定理指出當抽樣頻率大于或者等于模擬信號最高頻率的兩倍時，可以由抽樣得到的離散序列無失真地恢復出原始模擬信號。DDS技術不是對模擬信號進行抽樣，而是一個假定抽樣過程已經(jīng)發(fā)生且抽樣值已經(jīng)量化完成，如何把已經(jīng)量化的數(shù)值重建原始信號的問題，理論上最大輸出頻率不會超過系統(tǒng)時鐘頻率fr的1／2，但在實際應用中由于DDS系統(tǒng)中的低通濾波器非理想特性，由通帶到阻帶之間存在著一個過渡帶，工程中DDS最高輸出頻率只取fr的40％左右。
由于受到控制字長N的限制，累加器累加到一定值后，就會產(chǎn)生一次累加溢出，溢出頻率即為合成信號的頻率?？梢?，頻率控制字Kf越大，累加器產(chǎn)生溢出的速度越快，輸出頻率也就越高。故在參考頻率fr不變的條件下，改變頻率字就可以改變輸出信號的頻率。輸出信號的頻率分辨率及輸出信號頻率計算如下：
同理，根據(jù)以上查表和累加溢出的原理，對相位和幅度(電流)也有同樣的計算，可得出相位分辨率及輸出信號相位控制字計算如式(2)所示，輸出信號幅度(電流)分辨率及輸出信號幅度(電流)控制字計算如式(3)所示。
式中：KP為相位控制字；P為相位累加器位數(shù)長度；KA為幅度(電流)控制字；A為幅度累加器位數(shù)長度，Imax為輸出最大電流。
2 基于AD9958的波形設計
2．1 系統(tǒng)原理框圖
DDS這種類似與查表直接輸出信號的合成方式，使其更適用于波形捷變的調制要求。在進行波形設計時，應根據(jù)需要選用功能完備的芯片，不僅要求具備控制幅度、相位、頻率的能力，還要從整個系統(tǒng)的角度出發(fā)進行選擇。
為實現(xiàn)某一帶寬信號的PSK調制、FSK調制或線性掃頻，以ADI公司的DDS芯片AD9958應用為例，設計一款雙通道波形生成器，系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。
AD9958是ADI公司的一款高度集成的雙通道直接數(shù)字頻率合成器，其性能特點如下：
(1)具備2路可同步、可獨立控制的信號通道，2路10位的DAC，通道隔離度大于72 dB；
(2)集成了32位頻率累加器，14位相位累加器，10位的幅度控制字。可編程的通道控制對由于模擬處理(例如濾波、放大)或者PCB布線的失配而產(chǎn)生的不均衡進行校正；
(3)具備三種可編程的工作模式：單頻模式、調制模式和掃描模式；
(4)具備線性頻率、相位、幅度的掃描功能；
(5)支持最高16進制的ASK，F(xiàn)SK和PSK直接調制功能和相應控制電路；
(6)串行控制接口速度高達800 Mb／s；
(7)具備正余弦波形表，可編程4～20倍的REFCLK倍增器電路，最高500 MHz的系統(tǒng)時鐘。
2．2 DDS硬件電路設計
系統(tǒng)采用61．44 MHz的晶振，作為控制器和DDS的輸入時鐘。在DDS內部啟用REFCLKP倍增器電路，采用7倍的倍增系數(shù)，因此DDS系統(tǒng)時鐘f=430．08 MHz。
在設計中該芯片的編程接口采用多線制串行控制，分別為時鐘線SCLK和數(shù)據(jù)線SDIO_0～SDIO_3，其中SCLK最高速度可達200 Mb／s，當SDIO_0～SDIO_3全部用作數(shù)據(jù)線時，控制數(shù)據(jù)速率最高可達到800 Mb／s。以2線制控制接口為例，設置控制參數(shù)CSR<2：1>=00，則SCLK作為時鐘信號，SDIO_0作為數(shù)據(jù)信號。
2．3 各類波形設計
2．3．1 單頻點模式
AD9958具備兩路輸出，分別為CH0：70～100 MHz，CH1：110 MHz，頻率控制字長度N=32，相位控制字長度P=14，幅度控制字長度A=10。分別計算出各自通道的頻率控制字，寫入32位頻率控制字CTW0。由式(1)得到頻率控制字計算如下：
同理可根據(jù)信號相位和幅度的輸出要求，根據(jù)式(2)和式(3)計算得出相位控制字Po和幅度控制字Io，分別寫入相位控制字CPW0的低14位和幅度控制字ACR的低10位，即可實現(xiàn)2路獨立單頻信號的輸出。
2．3．2 調制模式
AD9958支持2／4／8／16進制的ASK，F(xiàn)SK和PSK直接調制功能和相應控制電路，設置調制模式寄存器CFR<23：22：14>和調制階數(shù)寄存器FR1<9：8>。調制參數(shù)寫入32位控制寄存器CTW0～CTW15，接口P0～P3在調制模式下輸入數(shù)字調制的數(shù)據(jù)。
以BPSK調制模式為例，調制相位+1．1 rad或-1．1rad，調制速率800 b／s，設置參數(shù)：
當CH0通道產(chǎn)生調制信號時，P2控制口作為調制數(shù)據(jù)輸入控制，二進制數(shù)據(jù)“1”對應+1．1 rad相位，數(shù)據(jù)“0”對應-1．1 rad相位，當P2口的二進制數(shù)據(jù)進行變化時，輸出的模擬信號相應的產(chǎn)生相位變化。嚴格控制P2口的二進制數(shù)的速率，讓每一位二進制數(shù)據(jù)的保持時間為1／(800 Hz)。
以4FSK調制模式為例，調頻頻率為4個，分別為F0～F3，調制速率800 b／s，設置參數(shù)：
CFR<23：22：14>=100： ／／頻率調制
FR1<9：8>=01； 在4種調制頻率，是4階調制
CTW0=F0； ／／調頻參數(shù)1
CTW1=F1； ／／調頻參數(shù)2
CTW2=F2； ／／調頻參數(shù)3
CTW3=F3； ／／調頻參數(shù)4
當CH0通道產(chǎn)生調制波形時，P0和P1控制口作為4進制調制數(shù)據(jù)控制口，<P1：P0>=00時，輸出信號頻率為F0；<P1：P0>=01時，輸出信號頻率為F2，<P1：P0>=10時，輸出信號頻率為F3，<P1：P0>=11時，輸出信號頻率為F4，根據(jù)P0和P1的數(shù)據(jù)變化完成4進制FSK調制。嚴格控制P0和P1口的二進制數(shù)的速率，讓每一位二進制數(shù)據(jù)的保持時間為1／(800 Hz)。
2．3．3 線性掃描模式
AD9958對幅度、頻率和相位都具備線性掃描功能，當線性掃頻模式時，其原理圖如圖4所示。
設置線性掃頻模式CFR<23：22：14>=101，其掃頻上升和下降捷變時間參數(shù)分別為RSRR和FSRR，都是8位寄存器，因此最小捷變頻時間△t=16．276 ns，最大捷變頻時間△t=4．167 μs，可根據(jù)需要將控制字寫入RSRR和FSRR。
掃頻頻率步進△f=1 kHz，其掃頻上升階段和下降階段頻率控制參數(shù)分別為RDW和FDW，圖4中
用控制接口P2作為CH0通道的線性掃頻控制接口，當P2=1時完成上升線性掃頻階段，P2=0時完成下降線性掃頻階段。
3 結語
DDS全數(shù)字結構控制功能使它具備多種數(shù)字調制能力，如相位調制、頻率調制、幅度調制以及I／Q正交調制等，合成信號時具有超寬的相對帶寬、超高的捷變速度、超細的分辨率、連續(xù)的相位特性、可以輸出寬帶的正交信號等諸多優(yōu)越性能，因此該技術在現(xiàn)代數(shù)字通信領域中有廣闊的應用前景，是眾多應用電子系統(tǒng)實現(xiàn)高性能的關鍵。該系統(tǒng)具有可重復編程和動態(tài)重構的優(yōu)點，使其易于修改，靈活可控，可廣泛適用通信工程實踐中。
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