直接数字频率合成器在通信调制器中应用

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1、-直接数字频率合成器在通信调制器中的应用邹涛，张翠，田新广，张尔扬（国防科技大学电子工程学院，湖南长沙410073）1引言   频率源是雷达、通信、电子对抗与电子系统实现高性能指标的关键，很多现代电子设备和系统的功能都直接依赖于所用频率源的性能，因此频率源被人们喻为众多电子系统的“心脏”。而当今高性能的频率源均通过频率合成技术来实现。传统的频率合成器有直接频率合成器和锁相环两种。直接频率合成方法具有频率转换时间短、近载频相位噪声性能好等优点，但由于采用大量的倍频、分频、混频和滤波环节，导致直接频率合成器结构复杂、体积庞大、成本高，而且容易产生过多的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。锁相环式频

2、率合成器具有很好的窄带跟踪特性，可以很好地选择所需频率的信号，抑制杂散分量，并且避免了大量的滤波器，有利于集成化和小型化。但由于锁相环本身是1个惰性环节，锁定时间较长，故频率转换时间较长。除此之外，由模拟方法合成的正弦波的参数，如幅度、频率和相位都很难控制。   直接数字式频率合成（DirectDigitalFrequencySynthesis，简称DDS或DDFS）是近年来发展起来的1种新的频率合成技术。它将先进的数字处理理论与方法引入信号合成领域，标志着第三代频率合成技术的出现。其主要优点是相对带宽很宽、频率转换时间极短（可小于20ns）、频率分辨率很高（典型值为0.001Hz）、全数字

3、化结构便于集成、输出相位连续、频率、相位和幅度均可实现程控。因此，能够与计算机紧密结合在一起，充分发挥软件的作用。DDS技术的实现完全是高速数字电路D/A变换器集合的产物。由于集成电路速度的限制，目前DDS的上限频率还不能做得很高。但GaAs（砷化镓）材料在集成电路中的应用，使得DDS上限频率不够高的缺陷正在不断地被克服。作为应用，现在已有DDS产品用于接收机本振、信号发生器、通信系统、雷达系统等，特别是跳频通信系统。2DDS的工作原理.---   首先考虑1个周期的正弦波连续信号，以等量的时间间隔T对其采样，并进行量化，则可得到1个周期的正弦波数字信号。将该数字信号存入存储器中，即构成了正

4、弦函数查找表。存储器的地址代表了时间取样的序号。对正弦波而言，当频率一定时，正弦信号的相位与时间成线性关系。因而不同的取样序号也就代表了正弦波信号的不同相位，存储器中所存数值则是量化后的正弦信号幅度。假设正弦波波形存储器存储了1个周期的M个相位取样值，当以频率fC的时钟信号反复读取波形存储器时，读出一个周期的正弦波数据所需的时间是T=M/fC，即输出合成信号的频率为fO=1/T=fC/M。显然，当改变时钟fC时，合成信号的频率也随之改变。   工程实现上，合成信号频率的改变是通过保持时钟不变，而对波形进行1次时域再抽样来实现的。基本DDS主要由参考频率源、相位累加器、正弦波采样ROM、数模转

5、换器（DAC）及低通滤波器构成。图1是DDS的1个基本结构图。图1   DDS的基本结构图   上图中的参考频率源fC由高稳定度的晶体振荡器产生，用于控制DDS中各器件同步工作。2.1相位累加器   相位累加器由N位加法器与N位累加寄存器级联构成。每来1个时钟脉冲，加法器将频率控制数据与累加寄存器输出的累积相位数据相加，把相加后的结果送至累加寄存器的数据输入端。累加寄存器将加法器在上1个时钟作用后所产生的新相位数据反馈到加法器的输入端，以使加法器在下1个时钟的作用下继续与频率控制数据相加。这样，相位累加器在参考时钟的作用下，进行线性相位累加，当相位累加器累积满量时就会产生1次溢出，完成1个周

6、期性的动作，这个周期就是DDS合成信号的1个频率周期，累加器的溢出频率就是DDS输出的信号频率。例如：ROM中存有1个周期的正弦函数的幅度值x(1)x(2)…x(100)。当K=1时，即是上述原理分析中的情况，输出合成波形的取值依次为x(1)x(2)…x(100)x(1)x(2)…x(100)…，所以fO=K×fC/100=fC/100；.---当K=2时，输出合成波形的取值依次为x(1)x(3)…x(99)x(1)x(3)…x(99)…，所以fO=K×fC/100=2×fC/100。对于计数容量为2N的相位累加器和具有M个相位取样的正弦波波形存储器，若频率控制字为K，则DDS系统输出信号的

7、频率为fO=fC×K/2N，而频率分辨率为Δf=fOmin=fC/2N。2.2相位－幅值转换   用相位累加器输出的数据作为取样地址，对正弦波波形存储器进行相位－幅值转换，即可在给定的时间上确定输出的波形幅值。2.3数模转换及低通滤波器   DAC将数字量形式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟量形式信号，低通滤波器用于滤除不需要的取样分量，以便输出频谱纯净的正弦波信号。按照Nyquist准则，最高输出频率可