论文部分内容阅读
一、DDS的发展状况及意义
频率合成器是电子系统的心脏,是决定电子系统性能的关键设备,随着现代无线电通信事业的发展,移动通信、雷达、制导武器和电子对抗等系统对频率合成器提出越来越高的要求,低相噪、高纯频谱和高速捷变的频率合成器一直是频率合成技术发展的主要目标,DDS 技术的发展将有力地推动这一目标的实现。频率合成技术从30年代发展到现在,已经进入成熟阶段。目前最常用的频率合成方案有两种,直接混频级联法和数字锁相环法。
二、直接数字式频率合成器(DDS)
DDS的工作原理是以数控振荡器的方式产生频率、相位可控制的正弦波。电路包括基准时钟、频率累加器、相位累加器、幅度/相位转换电路、D/A转换器和低通滤波器(LPF)。频率累加器对输入信号进行累加运算,产生频率控制数据X(frequency data或相位步进量)。相位累加器由N位全加器和N位累加寄存器级联而成,对代表频率的2进制码进行累加运算,是典型的反馈电路,产生累加结果Y。幅度/相位转换电路实质上是一个波形寄存器,以供查表使用。读出的数据送入D/A转换器和低通滤波器。DDS的理论基础是Shannon抽样定理。抽样定理内容是:当抽样频率大于等于模拟信号频率的2倍时,可以由抽样得到的离散信号无失真地恢复原始信号。在DDS中,这个过程被颠倒过来了。DDS不是对一个模拟信号进行抽样,而是一个假定抽样过程已经发生且抽样的值已经量化完成,如何通过某种映射把已经量化的数值送到D/A及后级的LPF重建原始信号的问题。
系统时钟及参考频率源为高稳定度的晶体振荡器,其输出用于DDS中各器件同步工作。DDS 工作时,频率控制字FCW在每一个时钟周期内与相位累加器累加一次,得到的相位值(0～2π),在每一个时钟周期内以二进制码的形式去寻址正弦查询表ROM,将相位信息转变成相应的数字化正弦幅度值,ROM输出的数字化波形序列再经数模转换器(DAC)实现量化数字信号到模拟信号的转变,最后DAC输出的阶梯序列波通过低通滤波器(LPF)平滑滤波后得到一个纯净的正弦信号。
DDS的频率分辨率为:f0=kxfr/2N,DDS的输出频率为:△f=fr/2N。式中:f0为DDS的输出频率;fr为参考时钟频率;N为相位累加器长度位数;K为频率控制字。通常,相位累加器位数较大,例如N=32或48,故用DDS技术能得到较高的频率分辨率。
三、DDS的工作过程
每来一个時钟脉冲Fclk,N位加法器将频率控制数据X与累加寄存器输出的累加相位数据相加,把相加后的结果Y送至累加寄存器的输入端。累加寄存器一方面将在上一时钟周期作用后所产生的新的相位数据反馈到加法器的输入端,以使加法器在下一时钟的作用下继续与频率控制数据X相加;另一方面将这个值作为取样地址值送入幅度/相位转换电路,幅度/相位转换电路根据这个地址输出相应的波形数据。最后经D/A转换器和低通滤波器将波形数据转换成所需要的模拟波形。相位累加器在基准时钟的作用下,进行线性相位累加,当相位累加器加满量时就会产生一次溢出,这样就完成了一个周期,这个周期也就是DDS信号的一频率周期。DDS输出信号的频率由下式给定:Fout=(X/Y)×Fclk。假定基准时钟为70MHz,累加器为16位,则Y=216=65536,Fclk=70MHz。再假定X=4096,则Fout=(4096/65536)×70=4.375MHz。可见,通过设定相位累加器位数、频率控制字X和基准时钟的值,就可以产生任一频率的输出。DDS的频率分辨率定义为:Fout=Fclk/Y。
四、DDS的应用
(1)DDS在通信中的应用。DDS可以用数字方式精确控制输出正弦信号的频率和相位,因此用DDS可以很方便实现频移键控(FSK)、二进制相移键控(BPSK)和正交相移键控(QPSK)等数字调制方式,用两个DDS组合起来又可实现QAM调制。
(2)DDS在电子战中的应用。在电子战中,为了提高通信电台的抗干扰能力,常采用调频工作方式,这不仅需要电台的跳频速度快和跳频带宽很宽,而且需要增加跳频图案的复杂性,国外己有利用DDS技术实现的在0.1～250MHz内,以6Hz步长、20ns转换频率的跳频信号源。
(3)DDS在仪器仪表中的应用。在现代电子测量仪器中,由DDS技术实现的任意波形发生器是当代最新的一类信号源,它不仅能产生传统函数发生器所有的正弦、余弦、方波、三角波等常见波形,还可以利用各种编辑手段,产生传统函数发生器所不能产生的任意波形,DDS技术在仪器仪表中的应用非常广泛。
由于DDS 的诸多优点,它得到了非常广泛的应用。在数字调制方面,它可以用来实现FSK,QPSK,8PSK等调制。在雷达频率源方面,它可以实现多点,窄步长,高相噪的频率源以及线性调频频率源。在扩频通信方面,可实现CDMA/FH工作方式以及任意规律的调频模式。不久的将来将得到更广泛的发展及应用。
参考文献
[1]肖汉波.《一种基于DDS芯片AD9850的信号源》.中国工程物理研究院电子工程研究所.2003
[2]胡乾斌.《单片计算机原理及其应用》.华中科技大学出版社,2006
频率合成器是电子系统的心脏,是决定电子系统性能的关键设备,随着现代无线电通信事业的发展,移动通信、雷达、制导武器和电子对抗等系统对频率合成器提出越来越高的要求,低相噪、高纯频谱和高速捷变的频率合成器一直是频率合成技术发展的主要目标,DDS 技术的发展将有力地推动这一目标的实现。频率合成技术从30年代发展到现在,已经进入成熟阶段。目前最常用的频率合成方案有两种,直接混频级联法和数字锁相环法。
二、直接数字式频率合成器(DDS)
DDS的工作原理是以数控振荡器的方式产生频率、相位可控制的正弦波。电路包括基准时钟、频率累加器、相位累加器、幅度/相位转换电路、D/A转换器和低通滤波器(LPF)。频率累加器对输入信号进行累加运算,产生频率控制数据X(frequency data或相位步进量)。相位累加器由N位全加器和N位累加寄存器级联而成,对代表频率的2进制码进行累加运算,是典型的反馈电路,产生累加结果Y。幅度/相位转换电路实质上是一个波形寄存器,以供查表使用。读出的数据送入D/A转换器和低通滤波器。DDS的理论基础是Shannon抽样定理。抽样定理内容是:当抽样频率大于等于模拟信号频率的2倍时,可以由抽样得到的离散信号无失真地恢复原始信号。在DDS中,这个过程被颠倒过来了。DDS不是对一个模拟信号进行抽样,而是一个假定抽样过程已经发生且抽样的值已经量化完成,如何通过某种映射把已经量化的数值送到D/A及后级的LPF重建原始信号的问题。
系统时钟及参考频率源为高稳定度的晶体振荡器,其输出用于DDS中各器件同步工作。DDS 工作时,频率控制字FCW在每一个时钟周期内与相位累加器累加一次,得到的相位值(0～2π),在每一个时钟周期内以二进制码的形式去寻址正弦查询表ROM,将相位信息转变成相应的数字化正弦幅度值,ROM输出的数字化波形序列再经数模转换器(DAC)实现量化数字信号到模拟信号的转变,最后DAC输出的阶梯序列波通过低通滤波器(LPF)平滑滤波后得到一个纯净的正弦信号。
DDS的频率分辨率为:f0=kxfr/2N,DDS的输出频率为:△f=fr/2N。式中:f0为DDS的输出频率;fr为参考时钟频率;N为相位累加器长度位数;K为频率控制字。通常,相位累加器位数较大,例如N=32或48,故用DDS技术能得到较高的频率分辨率。
三、DDS的工作过程
每来一个時钟脉冲Fclk,N位加法器将频率控制数据X与累加寄存器输出的累加相位数据相加,把相加后的结果Y送至累加寄存器的输入端。累加寄存器一方面将在上一时钟周期作用后所产生的新的相位数据反馈到加法器的输入端,以使加法器在下一时钟的作用下继续与频率控制数据X相加;另一方面将这个值作为取样地址值送入幅度/相位转换电路,幅度/相位转换电路根据这个地址输出相应的波形数据。最后经D/A转换器和低通滤波器将波形数据转换成所需要的模拟波形。相位累加器在基准时钟的作用下,进行线性相位累加,当相位累加器加满量时就会产生一次溢出,这样就完成了一个周期,这个周期也就是DDS信号的一频率周期。DDS输出信号的频率由下式给定:Fout=(X/Y)×Fclk。假定基准时钟为70MHz,累加器为16位,则Y=216=65536,Fclk=70MHz。再假定X=4096,则Fout=(4096/65536)×70=4.375MHz。可见,通过设定相位累加器位数、频率控制字X和基准时钟的值,就可以产生任一频率的输出。DDS的频率分辨率定义为:Fout=Fclk/Y。
四、DDS的应用
(1)DDS在通信中的应用。DDS可以用数字方式精确控制输出正弦信号的频率和相位,因此用DDS可以很方便实现频移键控(FSK)、二进制相移键控(BPSK)和正交相移键控(QPSK)等数字调制方式,用两个DDS组合起来又可实现QAM调制。
(2)DDS在电子战中的应用。在电子战中,为了提高通信电台的抗干扰能力,常采用调频工作方式,这不仅需要电台的跳频速度快和跳频带宽很宽,而且需要增加跳频图案的复杂性,国外己有利用DDS技术实现的在0.1～250MHz内,以6Hz步长、20ns转换频率的跳频信号源。
(3)DDS在仪器仪表中的应用。在现代电子测量仪器中,由DDS技术实现的任意波形发生器是当代最新的一类信号源,它不仅能产生传统函数发生器所有的正弦、余弦、方波、三角波等常见波形,还可以利用各种编辑手段,产生传统函数发生器所不能产生的任意波形,DDS技术在仪器仪表中的应用非常广泛。
由于DDS 的诸多优点,它得到了非常广泛的应用。在数字调制方面,它可以用来实现FSK,QPSK,8PSK等调制。在雷达频率源方面,它可以实现多点,窄步长,高相噪的频率源以及线性调频频率源。在扩频通信方面,可实现CDMA/FH工作方式以及任意规律的调频模式。不久的将来将得到更广泛的发展及应用。
参考文献
[1]肖汉波.《一种基于DDS芯片AD9850的信号源》.中国工程物理研究院电子工程研究所.2003
[2]胡乾斌.《单片计算机原理及其应用》.华中科技大学出版社,2006