DDS(直接數(shù)字頻率合成器)具有相位變換連續(xù)、頻率轉(zhuǎn)換速度快、頻率分辨率高、相位噪聲低、頻率穩(wěn)定度高、集成度高、易于控制等諸多優(yōu)點，在現(xiàn)代頻率合成技術(shù)中占有重要地位，被廣泛應(yīng)用于信號發(fā)生器、雷達系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等領(lǐng)域。MCU(微控制器)具有很強的數(shù)據(jù)處理能力和控制能力，片上外圍設(shè)備豐富，精度高，功耗低，在電子設(shè)備上有廣泛的應(yīng)用。本文介紹一種基于ADI公司的雙通道DDS芯片AD9958產(chǎn)生高質(zhì)量調(diào)頻信號的數(shù)字調(diào)頻信號發(fā)生器的設(shè)計方法，該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的調(diào)頻信號覆蓋頻率范圍廣，載波頻率和頻偏數(shù)字可調(diào)，調(diào)頻波形頻率準確度高，且成本較低、可靠性高。

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

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

　　調(diào)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(diào)制常數(shù))，代表調(diào)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)?？梢姡梢酝ㄟ^設(shè)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(diào)頻，就是要使信號合成器輸出信號的頻率隨著調(diào)制信號的幅度大小線性變化，瞬時頻率的變化可以轉(zhuǎn)化為對頻率控制字的改變的控制[3]。假設(shè)調(diào)制信號經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換為B位數(shù)字信號，為滿足調(diào)制頻偏要求，需在MCU內(nèi)與一可調(diào)的調(diào)制常數(shù)相乘，乘積作為調(diào)制信號的頻率控制字;再假設(shè)載波頻率控制字為 ，則調(diào)頻波的頻率控制字為：

　　代入(1)式得調(diào)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(shè)波形存儲器存儲的為余弦波，則DDS輸出的調(diào)頻信號序列為：

　　再將調(diào)頻信號序列 通過數(shù)模轉(zhuǎn)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(diào)頻信號。

　　硬件實現(xiàn)

　　由于采用全數(shù)字結(jié)構(gòu)，DDS輸出信號的頻帶受器件水平的限制，一般在幾百兆以內(nèi)。在本系統(tǒng)中，為了達到設(shè)計指標要求的100 ~ 400MHz的調(diào)制頻段要求，綜合考慮DDS芯片的技術(shù)水平以及成本問題，我們采用雙通道DDS與混頻器相結(jié)合的方案來提高調(diào)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(diào)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(diào)頻信號序列，再將調(diào)頻信號序列分別通過D/A轉(zhuǎn)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(diào)頻信號。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)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(nèi)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(shè)計的要求。

　　AD9958有4種工作模式，分別為單頻模式、調(diào)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(wù)后默認的工作模式，在此模式下輸出是某一單調(diào)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(jié)合通道選擇控制字，兩個通道可以獨立輸出互不相關(guān)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(shè)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(zhì)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(nèi)部集成豐富的外圍設(shè)備，具有卓越的處理能力，應(yīng)用MCU完成外圍電路，可以使得整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。在本系統(tǒng)中，MCU作為核心控制模塊完成調(diào)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(diào)制信號頻率控制字：本系統(tǒng)通過MCU芯片集成的ADC完成調(diào)制信號頻率控制字的獲取。根據(jù)實際需要，本系統(tǒng)的調(diào)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(yīng)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(shè)定ADC采樣頻率為100 kHz。語音調(diào)制信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，得到12位數(shù)字信號，與調(diào)制常數(shù)相乘作為調(diào)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(diào)頻波頻率控制字：MCU將調(diào)制信號頻率控制字與載波頻率控制字相加作為調(diào)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(shù)，最終合成信號是經(jīng)D/A轉(zhuǎn)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(shè)計

　　整個系統(tǒng)采用模塊化程序設(shè)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(nèi)部的寄存器中，從而產(chǎn)生相應(yīng)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(nèi)，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(diào)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(jié)果

　　在實際應(yīng)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(shù)，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(fù)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(shè)計方法搭建相應(yīng)的Matlab仿真平臺，對此數(shù)字合成調(diào)頻調(diào)頻信號的方法進行了仿真，結(jié)果如圖 2所示。

　　按照系統(tǒng)設(shè)計要求，假設(shè)需要產(chǎn)生的調(diào)頻波載波頻率為200 MHz，調(diào)制頻偏為45 MHz。為便于分析，假設(shè)調(diào)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(diào)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(diào)頻波的波形圖和頻譜圖;(c)和 (d) 給出了兩個通道的調(diào)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(diào)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(cè)對稱的出現(xiàn)了以30 MHz為間隔的新的頻譜分量，與理論上的單音調(diào)頻波的頻譜結(jié)構(gòu)是一致的。

　　結(jié)語

　　本文討論了一種基于雙通道DDS芯片AD9958的調(diào)頻信號的合成方法。它充分利用現(xiàn)有的DDS芯片產(chǎn)生跨頻段的調(diào)頻信號，輸出載波頻率和頻偏可編程，最小頻率分辨率高，可達0.116Hz，最高輸出頻率為400MHz，具有非常高的精度和頻率穩(wěn)定性，同時可以降低成本、功耗，減小體積。調(diào)頻信號發(fā)生器的硬件電路簡單，通用性強，實際上也可以配置MCU控制指令，使得DDS產(chǎn)生其它任意波形信號。目前，本文提出的利用AD9958與MCU相結(jié)合的數(shù)字調(diào)頻信號發(fā)生器設(shè)計方案已經(jīng)在某工程項目中得到實際應(yīng)用。