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基于DDS的快速跳頻頻率合成器的設(shè)計
摘要：介紹了直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)的工作原理及特點，并給出了基于DDS設(shè)計快速跳頻頻率合成器的方案。
關(guān)鍵詞：跳頻 DDS AD9952 SPI
跳頻通信是擴(kuò)頻通信的一種主要形式。由于其具有抗干擾、抗截獲的能力，并能做到頻譜資源共享，在當(dāng)前軍事抗干擾通信系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。跳頻通信系統(tǒng)的一項重要參數(shù)是頻率的跳變速度。它在很多程度上決定了跳頻通信系統(tǒng)抗跟蹤式干擾的能力，這一點在電子對抗中尤為重要。因此，快速跳頻頻率合成器的設(shè)計就成為跳頻通信的關(guān)鍵之一。目前頻率合成主有三種方法：直接模擬合成法、鎖相環(huán)合成法和直接數(shù)字合成法。直接模擬合成法利用倍頻（乘法）、分頻（除法）、混頻（加法與減法）及濾波，從單一或幾個參數(shù)頻率中產(chǎn)生多個所需的頻率。該方法頻率轉(zhuǎn)換時間快（小于100ns），但是體積大、功耗大，目前已基本不被采用。鎖相環(huán)合成法通過鎖相環(huán)完成頻率的加、減、乘、除運算。該方法結(jié)構(gòu)簡化、便于集成，且頻譜純度高，目前使用比較廣泛，但存在高分辨率和快轉(zhuǎn)換速度之間的矛盾，一般只能用于大步進(jìn)頻率合成技術(shù)中。直接數(shù)字合成（DDS）是近年來迅速發(fā)展起來的一種新的頻率合成方法。這種方法簡單可靠、控制方便，且具有很高的頻率分辨率和轉(zhuǎn)換速度，非常適合快速跳頻通信的要求。本文將介紹DDS的工作原理，并給出基于DDS的跳頻頻率合成器的設(shè)計。
1 DDS的結(jié)構(gòu)及工作原理
直接數(shù)字頻率合成是采用數(shù)字化技術(shù)，通過控制和位的變化速度，直接產(chǎn)生各種不同頻率信號的一種頻率合成方法。
DDS的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示，它由相位累加器、正弦ROM表、D/A轉(zhuǎn)換器等組成。參考時鐘fr由一個穩(wěn)定的晶體振蕩器產(chǎn)生，用它來同步整個合成器的各個組成部分。相位累加器由N位加法器與N位相位寄存器級聯(lián)構(gòu)成，類似于一個簡單的加法器。每來一個時鐘脈沖，加法器就將頻率控制字K與相位寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，然后把相加后的結(jié)果送至相位累加器的數(shù)據(jù)輸入端。相位寄存器就將加法器在上一時鐘作用后產(chǎn)生的新相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，以使加法器在下一個時鐘的作用下繼續(xù)將相位數(shù)據(jù)與頻率控制字相加。這樣，相位累加器在參考時鐘的作用下進(jìn)行線性相位累加。當(dāng)相位累加器累加滿量進(jìn)，就會產(chǎn)生一次溢出，完成一個周期性的動作，這個周期就合成信號的一個周期，累加器的溢出頻率也就是DDS的合成信號頻率。
圖1 DDS的結(jié)構(gòu)原理圖
DDS的工作原理是：在參考時鐘fr的控制下，頻率控制字K由累加器加以得到相應(yīng)的相位數(shù)據(jù)，把此數(shù)據(jù)作為取樣地址，來尋址正弦ROM表進(jìn)行相位-幅度變換，輸出不同的幅度編碼；再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器得到相應(yīng)的階梯波；最后經(jīng)低通濾波器對階梯波進(jìn)行平滑處理，即可得到由頻率控制字決定的連續(xù)變化的輸出正弦波。
DDS的輸出頻率f0、參考時鐘頻率fr、相位累加器長度N以及頻率控制字K之間的關(guān)系為：
f0=K×fr/2N
DDS的頻率分頻率為：Δf0=fr/2N
由于DDS的最大輸出頻率受奈斯特抽樣定理限制，所以fmax=fr/2。
2 DDS的特點及跳頻能力
新一代的直接數(shù)字頻率合成器采用全數(shù)字的方式實現(xiàn)頻率合成，與傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)相比，具有以下特點：
（1）頻率轉(zhuǎn)換快。直接數(shù)字頻率合成是一個開環(huán)系統(tǒng)，無任何反饋環(huán)節(jié)，其頻率轉(zhuǎn)換時間主要由頻率控制字狀態(tài)改變所需的時間及各電路的延時時間所決定，轉(zhuǎn)換時間很短。
（2）頻率分辨率高、頻點數(shù)多。DDS輸出頻率的分辨率和頻點數(shù)隨機(jī)位累加器的位數(shù)的增長而呈指數(shù)增長。分辨率高達(dá)μHz。
（3）相位連續(xù)。DDS在改變頻率時只需改變頻率控制字（即累加器累加步長），而不需改變原有的累加值，故改變頻率時相位是連續(xù)的。
（4）相位噪聲小。DDS的相位噪聲主要取決于參考源的相位噪聲。
（5）控制容易、穩(wěn)定可靠。
衡量跳頻頻率合成器性能指標(biāo)的因素有：頻率范圍、頻率分辨率、頻率轉(zhuǎn)換時間、頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度、頻譜純度等。其中，跳頻速度和頻率點數(shù)是決定跳頻通信系統(tǒng)性能的主要因素，系統(tǒng)的抗干擾和保密能力隨頻率點數(shù)的增高和跳速的加快而加強(qiáng)。從DDS的特點可以看出，直接數(shù)字頻率合成器各個性能指標(biāo)都較高，特別是其頻率轉(zhuǎn)換速度，因此它是實現(xiàn)快速跳頻頻率合成器的最佳選擇。
3 基于DDS的跳頻頻率合成器的設(shè)計
下面將給出一種基于DDS的快速跳頻頻率合成器的設(shè)計。
3.1 DDS芯片的選擇
現(xiàn)在流行的DDS產(chǎn)品以Analog Devices公司的最多，主要有AD7008、AD9830～AD9835、AD9850～AD9854等十幾種芯片，形成從0～120MHz的寬輸出頻率范圍系列。此外，Qualcomm公司也有Q2334、Q2368等產(chǎn)品。(范文先生網(wǎng)www.gymyzhishaji.com收集整理)
該方案使用Analog Devices公司推出的新一代DDS芯片AD9952，該新芯片能以早期DDS十分之一的功耗提供頻率高達(dá)400MHz的內(nèi)部時鐘。此外，與以往的DDS芯片相比，該芯片還具有以下優(yōu)點：
（1）內(nèi)部集成14位的D/A轉(zhuǎn)換器。以往DDS芯片的A/D轉(zhuǎn)換器最多為12位。
（2）可進(jìn)行sin(x)/x校正。通過反sin(x)/x函數(shù)濾波器對DAC的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)均衡，補償DAC的sin(x)/x函數(shù)的起伏特性，使幅特性變得平坦。
（3）內(nèi)有可編程的相位/幅度抖動電路。相位抖動可減小相位截短帶來的雜散，而幅度抖動可減小D/A轉(zhuǎn)換器量化誤差帶來的雜散，因此較好地解決了DDS的雜散問題。
3.2 頻率合成方案
圖2是以DDS為核心的跳頻頻率合成器的結(jié)構(gòu)框圖。它主要由DSP、AD9952、時間產(chǎn)生電路、濾波器等組成。DSP采用TI公司的TMS320C54X，負(fù)責(zé)跳頻圖案的產(chǎn)生，并控制DDS芯片AD9952的工作。
3.2.1 DDS的時鐘
AD9952內(nèi)含振蕩電路，因此外加一晶體就可產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘。也可以不用內(nèi)部振蕩電路而直接引入外部時鐘信號。外部時鐘信號可以是單端信號或差分信號，并且可以通過配置相應(yīng)的控制寄存器和控制信號，得到不同的時鐘模式。為了減少共模干擾，通常采用差分外部時鐘輸入方法。本電路中使用高穩(wěn)定度的有源晶振，然后由差分接收器MC100LVEL16D將晶振輸出的單端信號轉(zhuǎn)換為符合AD9952的差分信號。
3.2.2 AD9952與DSP的接口設(shè)計
AD9952與以往的DDS芯片不同，只有串行接口，沒有并行接口。AD9952串口是同步串行通信口，易于和工業(yè)上的微控制器和微處理器相連；且兼容大多數(shù)的步傳輸格式，可支持SPI協(xié)議和Intel 8051 SSR協(xié)議。在本方案中就使用了SPI協(xié)議。SPI是Motorola公司推出的一種同步串行接口，支持高的數(shù)據(jù)傳輸速率，是目前使用比較多的串行總線接口；SPI接口是一種主從式配置，包括1個主設(shè)備和1個或者多個從設(shè)備。SPI接口有四個信號：串行數(shù)據(jù)主入從出信號（MISO）、串行數(shù)據(jù)主出從入信號（MOSI）、串行時鐘信號（SCK）、從設(shè)備使能信號（SS）。
TMS320C54X系列DSP提供一種多通道緩沖串行口（McBSP），通過相關(guān)的控制和配置寄存器，可支持多種串行通信方式和協(xié)議。McBSP中的傳輸時鐘具有停止模式控制選項，保證了與SPI協(xié)議的兼容。McBSP包括6個引腳，分別是串行數(shù)據(jù)發(fā)送信號（DX）、串行數(shù)據(jù)接收信號（DR）、發(fā)送串行時鐘信號（CLKX）、接收串行時鐘信號（CLKR）、發(fā)送幀同步信號（FSX）和接收幀同步信號（FSR）。當(dāng)McBSP設(shè)置為停止方式時，發(fā)送和接收在內(nèi)部實現(xiàn)同步，這使得McBSP可作為SPI的主設(shè)備或者從設(shè)備。McBSP的發(fā)送時鐘（CLKX）對應(yīng)于SPI串行時鐘（SCK）；發(fā)送幀同步信號（FSK）對應(yīng)于SPI使能信號（SS）。
方案中DSP為主設(shè)備，AD9952為從設(shè)備，二者之間的連接見圖2。發(fā)送輸出信號DX作為MOSI，接AD9952的SDIO；接收輸入信號DR作為MISO，接AD9952的SDO。McBSP通過提供串行時鐘來控制傳輸，CLKX只在包傳輸期間有效，當(dāng)不進(jìn)行包傳輸時，它保持無效。CLKX引腳此時應(yīng)設(shè)置為輸出，CLKR引腳在內(nèi)部與其相連。McBSP的FSX引腳為從設(shè)備提供一個使能信號SS，此時FSK引腳設(shè)置為輸出，在每個包發(fā)送時，產(chǎn)生一個幀信號。同時，數(shù)據(jù)延時參數(shù)必須設(shè)為1。
3.2.3 濾波器的設(shè)計
DDS采用數(shù)字化技術(shù)，最終合成信號是經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后得到的。其頻譜含有很豐富的高次頻譜分量，必須將它們?yōu)V除，才能得到頻譜純凈的正弦波輸出，因此要求濾波器的衰減特性要陡直，延遲時間要短。這里采用七階橢圓函數(shù)低通濾波器。
3.2.4 應(yīng)注意的問題
該電路是高速�；旌想娐�，在制作PCB板時，一定要注意數(shù)模干擾問題。為此，PCB板一定要使用四層板。在進(jìn)行電路布局時，將數(shù)字部分和模擬部分分開；將電源層分為數(shù)字電源和模擬電源；將地層分為數(shù)字地和模擬地。每個有源器件的電源都要加去耦電容，并且盡可能地靠近電源輸入處以幫助濾除高頻噪聲。
直接數(shù)字頻率合成具有頻率轉(zhuǎn)換速度快、頻率分辨率高、輸出相位連續(xù)和全數(shù)字化、易于集成、易于控制等優(yōu)點，是跳頻系統(tǒng)中頻率合成器的理想選擇。不過，受器件水平的限制，輸出信號的頻率上限不夠高。隨著數(shù)字集成技術(shù)的飛速發(fā)展，這一問題將逐漸得到解決。DDS構(gòu)成的頻率合成器必將成為快速跳頻通信系統(tǒng)頻率合成器的主流。
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