基于DDS的調頻信號發生器的設計與仿真

摘要：介紹了一種基于高性能DDS芯片AD9958的調頻信號發生器的設計方法，給出系統的硬件實現結構和軟件控制流程圖，并編程實現。利用MATLAB搭建相應的系統仿真平臺，對此調頻信號產生方法進行仿真。采用此方法合成調頻信號具有硬件電路簡單，載波頻率穩定度高，頻偏可調等優點。

關鍵詞：直接數字合成器；AD9958；調頻；信號發生器

引言

DDS(直接數字頻率合成器)具有相位變換連續、頻率轉換速度快、頻率分辨率高、相位噪聲低、頻率穩定度高、集成度高、易于控制等諸多優點，在現代頻率合成技術中占有重要地位，被廣泛應用于信號發生器、雷達系統、通信系統等領域。Mcu(微控制器)具有很強的數據處理能力和控制能力，片上外圍設備豐富，精度高，功耗低，在電子設備上有廣泛的應用。本文介紹一種基于ADI公司的雙通道DDs芯片AD9958產生高質量調頻信號的數字調頻信號發生器的設計方法，該結構產生的調頻信號覆蓋頻率范圍廣，載波頻率和頻偏數字可調，調頻波形頻率準確度高，且成本較低、可靠性高。

系統結構原理

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。

可以看出，當K=1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。假設調制信號，f(t)經ADC轉換為B位數字信號F(n)，為滿足調制頻偏要求，F(n)需在MCU內與一可調的調制常數K_f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K_c，則調頻波的頻率控制字為：

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

硬件實現

由于采用全數字結構，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K，則兩個通道DDS－1和DDS－2產生完全同步的載波為f_c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2f_c的調頻信號。系統的硬件結構原理如圖1所示。

信號發生模塊

信號發生模塊主要由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，在系統時鐘工作在500 MHz時，輸出頻率可控制范圍可以達到0～200MHz，可以滿足系統設計的要求。

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。本系統中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(Ox04)，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f_max=f_s／2，此時K=2^N-1，考慮到器件因素，在實際使用中一般取40％f_s。本系統中，外部參考時鐘采用50M高穩晶振，DDs芯片時鐘倍頻器設置倍率為10，使系統時鐘f_s達到500MHz。從而使每個通道可保證信號質量的最高輸出頻率達到200MHz。

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，可以使得整個系統結構簡單，使用方便。在本系統中，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。根據實際需要，本系統的調制信號為語音信號，頻率集中在50～3400Hz。根據奈奎斯特采樣定理，ADC采樣頻率應不小于6.4kHz，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，f(t)經過A／D轉換，得到12位數字信號F(n)，與調制常數K_f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采用數字化技術，最終合成信號是經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濾除，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，從而產生相應的頻率。軟件主要實現兩個方面的功能：系統初始化和頻率控制字寫入。

系統初始化：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，從而實現數字調頻。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。在每個系統時鐘(sCLK)的上升沿由數據輸入口SDIO_0移入一位控制字，連續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，控制字傳輸到控制寄存器中，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。

按照系統設計要求，假設需要產生的調頻波載波頻率為200MHz，調制頻偏為45MHz。為便于分析，假設調制信號為30MHz的正弦信號。按照前面分析，載波頻率控制字為0x66666666，調制信號f(t)=sin(2π×30×10⁶)。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過混頻以及濾波等處理以后得到的載波頻率為200MHz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了以30MHz為間隔的新的頻譜分量，與理論上的單音調頻波的頻譜結構是一致的。

結語

本文討論了一種基于雙通道DDS芯片AD9958的調頻信號的合成方法。它充分利用現有的DDS芯片產生跨頻段的調頻信號，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定性，同時可以降低成本、功耗，減小體積。調頻信號發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產生其它任意波形信號。目前，本文提出的利用AD9958與MCU相結合的數字調頻信號發生器設計方案已經在某工程項目中得到實際應用。