基于DDS的短波射頻頻率源設計與實現

摘要 介紹了直接數字頻率合成(DDS)的結構和原理，并將DDS技術應用于短波射頻通信頻率源中。實現了一種基于單片機+DDS可編程低噪聲頻率源，輸出信號范圍46．5～75 MHz。實驗結果表明，該頻率源具有頻率分辨率高、相位噪聲低等優點，滿足短波射頻通信系統對頻率源的設計要求。
關鍵詞 直接數字頻率合成；AD9912；單片機；頻綜源

頻率源是現代短波射頻通信系統的核心，對整個系統的正常運行起著決定性的作用。作為射頻電路與系統的核心設備，頻率源的好壞關系著整個系統的穩定性。現在的頻率合成技術正朝著雜散和相位噪聲更低的方向發展，同時還要求有更寬的頻帶和更高的頻率分辨率。直接數字頻率合成(DDS)正是在這種需求背景下發展起來的，它具有極微小的頻率調諧和相位分辨能力。融合了模擬和數字技術的DDS是產生高質量、高頻譜純度、寬頻帶頻率的理想方法。文中基于ADI公司的AD9912芯片提出一個直接頻率合成方案，輸出頻率范圍為46．5～75MHz。

1 DDS基本工作原理
直接頻率合成器DDS本質上是一種高分辨率的數字分頻器。通過頻率調節字來分頻系統時鐘，以輸出所需的頻率。DDS有兩個顯著特點：(1)DDS工作在數字域，其輸出頻率、相位和幅度可以在數字處理器的控制下，精確而快速地變換；(2)其頻率分辨率主要取決于頻率調節字的位數，可以達到極高的頻率分辨率。
典型的DDS原理框圖如圖1所示。它主要包括：相位累加器，相位-幅度變換器，數／模變換器和低通濾波器。

(1)相位累加器。
對于正弦波而言，雖然幅度不是線性的，但其相位卻是線性變化的，這正是DDS能夠合成正弦波的基礎。DDS根據頻率調節字的位數N，把0°～360°的相位變化平均分成2N等份。假設系統參考時鐘為fs；輸出頻率為fout。在每個時鐘周期轉過一個角度360°／2N，則可以產生一個頻率為fs／2N的正弦波的相位增量。因此，只需選擇恰當的頻率調節字M，使得fout／fs=M／2N，就可以得到所需的輸出頻率fout。

由式(1)可以得到DDS的最小頻率分辨率為

(2)相位幅度轉化器。
根據相位累加器的輸出，可以得到合成fout頻率所對應的相位信息，相位幅度轉化器可以把累加器輸出的數字相位信息變換成相應的幅度值。這個數值以二進制的形式被送入DAC進行數模轉換。此相位到幅度的轉換通過查表操作完成。
(3)D／A數模變換器。
從相位幅度轉換器得到的二進制數字信號被送入數／模(D／A)轉換器中，變換成模擬信號輸出。此處D／A變換器的位數對輸出頻率的分辨率并沒有影響。輸出頻率的分辨率由頻率調節字的位數決定。

2 系統設計
設計中采用低抖動、低雜散的直接數字頻率合成器DDS作為短波射頻通信系統的本振源。整個短波射頻系統的原理框圖如圖2所示。

設計采用ADI公司的高端產品AD9912。它最高支持1 GHz的采樣時鐘，并且內置了一個14 bit的D／A變換器，支持48 bit的頻率調節字，最高頻率分辨率為4μHz。AD9912的突出特點是擁有能編程的輔助直接數字頻率合成器通道，可以降低輸出頻譜中諧波雜散的等級，改進了DDS固有的雜散和噪聲大的缺點。