DDS的調頻信號發(fā)生器的硬件設計與仿真

　　系統(tǒng)結構原理

　　調頻(FM)體制用已調信號頻率的變化承載信息。調頻波的瞬時頻率等于載波頻率加上一個正比于調制信號的時變頻率。

　　調頻波的表達式為：

　　其瞬時角頻率為：

　　其中ω0 固定角頻率(載頻); 為比例常數(shù)(調制常數(shù))，代表調制器的靈敏度[1]。

　　DDS輸出的信號頻率可以由下式給定：

　　其中：為參考時鐘， 為信號頻率分辨率，為輸出信號頻率， 為頻率控制字， 為相位累加器的位數(shù)。可見，可以通過設定相位累加器的位數(shù)、頻率控制字和系統(tǒng)參考時鐘的值，就可以產(chǎn)生任意信號頻率的輸出[2]。

　　可以看出，當 時，可得DDS的最低輸出頻率即此DDS的頻率分辨率為：

　　利用DDS實現(xiàn)調頻，就是要使信號合成器輸出信號的頻率隨著調制信號的幅度大小線性變化，瞬時頻率的變化可以轉化為對頻率控制字的改變的控制[3]。假設調制信號經(jīng)ADC轉換為B位數(shù)字信號，為滿足調制頻偏要求，需在MCU內與一可調的調制常數(shù)相乘，乘積作為調制信號的頻率控制字;再假設載波頻率控制字為 ，則調頻波的頻率控制字為：

　　代入(1)式得調頻波信號的瞬時頻率序列：

　　考慮到相位累加器的積分器作用，假設波形存儲器存儲的為余弦波，則DDS輸出的調頻信號序列為：

　　再將調頻信號序列 通過數(shù)模轉換器和低通濾波器后，得到的模擬信號就是直接數(shù)字合成的調頻信號。

　　硬件實現(xiàn)

　　由于采用全數(shù)字結構，DDS輸出信號的頻帶受器件水平的限制，一般在幾百兆以內。在本系統(tǒng)中，為了達到設計指標要求的100 ~ 400MHz的調制頻段要求，綜合考慮DDS芯片的技術水平以及成本問題，我們采用雙通道DDS與混頻器相結合的方案來提高調頻信號的工作頻段，這樣每個通道的最大輸出頻率只需達到200MHz。向雙通道DDS的兩個通道送入相同的調頻波頻率控制字，則兩個通道DDS-1和DDS-2產(chǎn)生完全同步的載波為的調頻信號序列，再將調頻信號序列分別通過D/A轉換器和低通濾波器后混頻，去掉直流成分，得到的模擬信號就是載波頻率為的調頻信號。系統(tǒng)的硬件結構原理如圖1所示 。

信號發(fā)生模塊

　　信號發(fā)生模塊主要由DDS芯片組成，這里選用美國ADI公司的雙通道直接數(shù)字頻率合成器AD9958，最高采樣頻率可達 500 MSPS。它有兩個DDS核，能夠提供兩個內部同步、獨立編程同步輸出通道，在系統(tǒng)時鐘工作在500 MHz時，輸出頻率可控制范圍可以達到0 ~ 200 MHz[4]，可以滿足系統(tǒng)設計的要求。

　　AD9958有4種工作模式，分別為單頻模式、調制模式、線性掃描模式和幅度輸出控制模式。其中單頻模式是芯片服務后默認的工作模式，在此模式下輸出是某一單調頻率、幅度和初始相位的正弦波[5]。本系統(tǒng)中AD9958采用的就是單頻模式，在這種工作模式下，兩個DDS通道共享一個公共地址，頻率控制字地址是寄存器(0x04)，通過改變頻率控制字，可以很方便的改變輸出頻率，結合通道選擇控制字，兩個通道可以獨立輸出互不相關的兩路正弦波，控制功能由MCU完成。

　　由于DDS的輸出最大頻率受奈奎斯特抽樣定理的限制，所以有，此時，考慮到器件因素，在實際使用中一般取。本系統(tǒng)中，外部參考時鐘采用50M高穩(wěn)晶振，DDS芯片時鐘倍頻器設置倍率為10，使系統(tǒng)時鐘達到500 MHz。從而使每個通道可保證信號質量的最高輸出頻率達到200 MHz。

　　控制模塊

　　控制模塊的功能主要由MCU芯片組成，MCU內部集成豐富的外圍設備，具有卓越的處理能力，應用MCU完成外圍電路，可以使得整個系統(tǒng)結構簡單，使用方便。在本系統(tǒng)中，MCU作為核心控制模塊完成調制信號頻率控制字的獲取和載波頻率控制字的接收以及對DDS的控制。

　　調制信號頻率控制字：本系統(tǒng)通過MCU芯片集成的ADC完成調制信號頻率控制字的獲取。根據(jù)實際需要，本系統(tǒng)的調制信號為語音信號，頻率集中在50 ~ 3400 Hz。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，ADC采樣頻率應不小于6.4 kHz,，考慮到高速密集采樣可以減少頻偏偏差，因此設定ADC采樣頻率為100 kHz。語音調制信號經(jīng)過A/D轉換，得到12位數(shù)字信號，與調制常數(shù)相乘作為調制信號頻率控制字。

　　載波頻率控制字：MCU通過片上集成的UART接口與外部控制模塊進行通信，外部控制模塊采用異步通信方式將載波頻率控制字等指令發(fā)送給MCU。MCU收到的指令信號進行處理，并提取出用戶要求的載波頻率控制字。

　　調頻波頻率控制字：MCU將調制信號頻率控制字與載波頻率控制字相加作為調頻波的頻率控制字并按照DDS的頻率控制字格式進行處理后送入DDS。

　　低通濾波器

　　DDS采用數(shù)字化技術，最終合成信號是經(jīng)D/A轉換后得到的，其頻譜含有豐富的高次頻譜分量，為了得到頻譜純凈的信號輸出，必須要用低通濾波器將他們?yōu)V除，要求濾波器的衰減特性要陡直，延遲時間要短。

　　軟件設計

　　整個系統(tǒng)采用模塊化程序設計，采用C語言編寫，便于移植，可讀性強，主要是根據(jù)AD9958的頻率控制字格式，通過MCU將這些控制字寫入AD9958內部的寄存器中，從而產(chǎn)生相應的頻率。軟件主要實現(xiàn)兩個方面的功能：系統(tǒng)初始化和頻率控制字寫入。

　　系統(tǒng)初始化：包括MCU自身的初始化配置，以及按照AD9958芯片的寄存器配置方式，向AD9958寫入系統(tǒng)時鐘、工作模式以及通道選擇等配置指令。

　　頻率控制字寫入：為完成一次頻率控制字更替，MCU需要按照AD9958的頻率字寫入格式發(fā)送一次通道指令，共40位，高8位為寄存器地址(0x04)，低32位為頻率控制字。在一個ADC采樣周期內，必須將通道指令發(fā)送完畢，才能使輸出頻率按照ADC采樣頻率不斷更新，從而實現(xiàn)數(shù)字調頻。AD9958的指令寫入方式可分為串行裝入和并行裝入，本系統(tǒng)采用串行方式裝入，由MCU直接送給AD9958頻率控制字。在每個系統(tǒng)時鐘(SCLK)的上升沿由數(shù)據(jù)輸入口SDIO_0移入一位控制字，連續(xù)40個SCLK周期即可將40位控制字裝入緩沖寄存器中。在更新信號(IO_UP)信號上升沿到來以后，控制字傳輸?shù)娇刂萍拇嫫髦?，AD9958的兩個通道同時更新輸出頻率。仿真結果

　　在實際應用中，為了提高分辨率并突破波形存儲器容量的限制，通常采用相位截斷技術，相位截斷的存在會產(chǎn)生相位截斷誤差，從而引起雜散頻譜分量。由于對雜散的分析比較復雜，本文在不考慮相位截斷誤差的情況下，按照上述的硬件設計方法搭建相應的Matlab仿真平臺，對此數(shù)字合成調頻調頻信號的方法進行了仿真，結果如圖 2所示。

　　按照系統(tǒng)設計要求，假設需要產(chǎn)生的調頻波載波頻率為200 MHz，調制頻偏為45 MHz。為便于分析，假設調制信號為30 MHz的正弦信號。按照前面分析，載波頻率控制字為0x66666666，調制信號。如圖 2 所示，(a)和(b) 分別給出了DDS的兩個通道DDS-1和DDS-2輸出的載波的載波頻率為100MHz的調頻波的波形圖和頻譜圖;(c)和 (d) 給出了兩個通道的調頻波經(jīng)過混頻以及濾波等處理以后得到的載波頻率為200 MHz的調頻波的波形圖和頻譜圖。從(b)和(d)的頻譜圖可以看出，在載波分量的兩側對稱的出現(xiàn)了以30 MHz為間隔