基于DDS的短波射频频率源设计与实现

摘要 介绍了直接数字频率合成(DDS)的结构和原理，并将DDS技术应用于短波射频通信频率源中。实现了一种基于单片机+DDS可编程低噪声频率源，输出信号范围46．5～75 MHz。实验结果表明，该频率源具有频率分辨率高、相位噪声低等优点，满足短波射频通信系统对频率源的设计要求。
关键词 直接数字频率合成；AD9912；单片机；频综源

频率源是现代短波射频通信系统的核心，对整个系统的正常运行起着决定性的作用。作为射频电路与系统的核心设备，频率源的好坏关系着整个系统的稳定性。现在的频率合成技术正朝着杂散和相位噪声更低的方向发展，同时还要求有更宽的频带和更高的频率分辨率。直接数字频率合成(DDS)正是在这种需求背景下发展起来的，它具有极微小的频率调谐和相位分辨能力。融合了模拟和数字技术的DDS是产生高质量、高频谱纯度、宽频带频率的理想方法。文中基于ADI公司的AD9912芯片提出一个直接频率合成方案，输出频率范围为46．5～75MHz。

1 DDS基本工作原理
直接频率合成器DDS本质上是一种高分辨率的数字分频器。通过频率调节字来分频系统时钟，以输出所需的频率。DDS有两个显著特点：(1)DDS工作在数字域，其输出频率、相位和幅度可以在数字处理器的控制下，精确而快速地变换；(2)其频率分辨率主要取决于频率调节字的位数，可以达到极高的频率分辨率。
典型的DDS原理框图如图1所示。它主要包括：相位累加器，相位-幅度变换器，数／模变换器和低通滤波器。

(1)相位累加器。
对于正弦波而言，虽然幅度不是线性的，但其相位却是线性变化的，这正是DDS能够合成正弦波的基础。DDS根据频率调节字的位数N，把0°～360°的相位变化平均分成2N等份。假设系统参考时钟为fs；输出频率为fout。在每个时钟周期转过一个角度360°／2N，则可以产生一个频率为fs／2N的正弦波的相位增量。因此，只需选择恰当的频率调节字M，使得fout／fs=M／2N，就可以得到所需的输出频率fout。

由式(1)可以得到DDS的最小频率分辨率为

(2)相位幅度转化器。
根据相位累加器的输出，可以得到合成fout频率所对应的相位信息，相位幅度转化器可以把累加器输出的数字相位信息变换成相应的幅度值。这个数值以二进制的形式被送入DAC进行数模转换。此相位到幅度的转换通过查表操作完成。
(3)D／A数模变换器。
从相位幅度转换器得到的二进制数字信号被送入数／模(D／A)转换器中，变换成模拟信号输出。此处D／A变换器的位数对输出频率的分辨率并没有影响。输出频率的分辨率由频率调节字的位数决定。

2 系统设计
设计中采用低抖动、低杂散的直接数字频率合成器DDS作为短波射频通信系统的本振源。整个短波射频系统的原理框图如图2所示。

设计采用ADI公司的高端产品AD9912。它最高支持1 GHz的采样时钟，并且内置了一个14 bit的D／A变换器，支持48 bit的频率调节字，最高频率分辨率为4μHz。AD9912的突出特点是拥有能编程的辅助直接数字频率合成器通道，可以降低输出频谱中谐波杂散的等级，改进了DDS固有的杂散和噪声大的缺点。