基于DDS的動態多普勒模擬器的設計與應用

1 引言

在航天測控領域中，測控系統的動態捕獲、跟蹤性能和測量精度是非常重要的因素，如何有效地對地面測控設備進行檢測，保證其能夠保持較好的性能，是非常重要的，直接數字頻率合成技術（direct digital synthesis），他將先進的數字處理方法引入到信號合成領域，采用數字采樣技術進行信號合成，與傳統的頻率合成技術相比，dds芯片具有頻率分辨率高、頻譜純凈，頻率速率高，輸出的變頻信號相位連續，相位噪聲低，全數字接口，易于編程控制，體積小、價格低，有助于提高系統的整體性價比等優點，于是提出基于dds的動態多普勒模擬器的設計方案，保證動態多普勒模擬器輸出準確的點頻和穩定的掃描頻率。

2 直接數字頻率合成技術

直接數字式頻率合成器（dds）是一種新型的頻率合成方法，與直接頻率合成（ds）和鎖相式頻率合成（pll）在原理上完全不同。dds的基本原理是建立在不同的相位給出不同的電壓幅度基礎上的，即對應輸出信號的一個周期（相應的相位為2π），給出按照一定電壓幅度變化規律組成的輸出波形。由于他不但給出了不同的頻率和不同的相位，而且可以給出不同的波形，因此這種方法又稱波形合成法。

最基本的波形合成是一個斜升波的合成，其方案如圖1所示，波形合成的過程如下：由一個標準頻率時鐘產生器產生時鐘脈沖，送到計數器進行計數。計數器根據計數脈沖的多少給出不同的數碼，數/模轉換器根據計數器輸出的數碼轉換成相應的電壓幅度。當計數器連續計數時，數/模轉換器就產生一個上升的階梯波，階梯波的上升包絡即為一個斜升波。當計數器計滿時，計數器復零又重新開始計數，階梯波又從零開始，如此反復循環，階梯波經平滑濾波器檢出其包絡，便成為斜升波。

改變頻率的方法是用一個累加器代替計數器，就象數字環中用可變分頻器代替固定分頻比的計數器一樣。累加器的原理如圖2所示，他是由加法器和寄存器組成的，按照頻率控制數據的不同給出不同的編碼。

dds進行頻率合成的過程歸納如下：

（1）給出輸出頻率范圍，即：

f0＝fmin－fmax＝（kmin/2n）fc－kmax/2n）fc

（2）確定輸入時鐘頻率fc＝4f0max，即時鐘周期為tc＝1/fc＝1/4f0max，因為kmax＝2n-2。

（3）確定累加器位數n，n越大，輸出信噪比越高。

（4）確定幅度等分的間隔b＝2n，一般m＜n，若令2n＝a，則b＜a。

3 動態多普勒模擬器的設計

3.1 動態多普勒模擬器的原理

動態多普勒模擬器的原理框圖如圖3所示。

其參數指標為：

輸入：5mhz；輸出：70mhz×fd＋fd；fd范圍：－155～155khz，步長5khz；掃頻速率：1～31khz可變。

3.2 數控振蕩器的設計

數控振蕩器在程序的控制下，由8031單片機接收人工或監控分機攝制的分段碼，按照一定的程序模型運算后，控制直接數字頻率合成器（dds）輸出相應的點頻或掃頻信號。點頻工作時模擬器按照控制碼輸出設置的點頻多普勒（包括零多普勒頻率），輸出具有不同速率的掃頻信號，該掃頻信號為三角波或鋸齒波。

3.3 基于dds的輸出軟件設計分析

k碼的計算：

f0＝5mhz，fc＝30mhz

由f0＝k×fc/2n，得：

k＝2n×f0/fc＝2aaaaaaah。

點頻時：

fc＝30mhz，δf1＝2.5khz，δfmax＝155khz

則：δk1＝57619h，δkmax＝aec33eh，

kmax＝k0＋δkmax＝2b596de8h。

kmin＝k0－δkmax＝29fbe76ch。

掃頻時：

δf0/t＝0.5khz/s，

f0＝k×fc/2n，得δk/t＝oeh，k為相應的bcd碼。

3.4 基于dds的動態模擬器軟件

基于dds的動態模擬器軟件流程圖如圖5所示。

4 工程應用

對動態多普勒模擬器產生的信號進行測試，其產生的點頻準確度高，掃頻穩定度較好，三角波和鋸齒波準確。該信號發生器已經成功運用在測控雷達檢測系統中，使用效果良好。由于受該系統的實際需求所限，還沒有完全發揮dds技術的全部優勢。dds還可以應用于跳頻通信、數字調制等其他領域。尤其是那些要求頻率精度高、轉換時間短的應用場合，采用dds技術相對其他頻率合成技術來說具有無法比擬的優勢。由于dds自身的優點，在性能要求較高的頻率合成領域將會得到極為廣泛的應用。