數字控制RF合成信號源的設計與實現*

粟向軍，陳　松，榮　軍，魯范旗（湖南理工學院　信息與通信工程學院，湖南　岳陽　414006）

數字控制RF合成信號源的設計與實現*

粟向軍，陳松，榮軍，魯范旗
（湖南理工學院信息與通信工程學院，湖南岳陽414006）

設計了一種基于直接數字頻率合成技術（DDS）的RF合成信號源系統。系統采用AD9852和單片機C8051F020相結合的方法，以AD9852為頻率合成器，以信號處理器C8051F020為系統控制和任務調度中心。系統可實現輸出信號頻率在1Hz～40MHz可調，最小可調步進為1Hz，并且頻率穩定度優于10-5。此外，系統實現了調幅、調頻、相移鍵控、頻移鍵控和掃頻等功能。在完成軟硬件設計后，通過使用多種電子儀器對系統性能和技術參數進行實驗測試，結果表明各項指標都符合設計要求。

數字控制；射頻信號源；直接數字頻率合成；調制

0　引言

信號源是雷達、通信、電子對抗等電子系統實現高性能指標的關鍵，因此低相位噪聲、高穩定度、高可靠性和多功能信號源的研究受到普遍重視［1］。目前實現信號源的主要技術有：直接頻率合成（DS）、鎖相式頻率合成（PLL）和直接數字頻率合成（DDS）三種基本類型。DS方式具有頻率轉換時間短、相位噪聲低等優點，但是，這種方法首要的缺點是電路結構復雜，難于集成化、小型化，目前實際上已處于被淘汰的狀況［2］。PLL方式相對于直接頻率合成方式能夠集成化和小型化，但是由于其鎖相環存在捕獲時間問題，頻率轉換時間較長，單環頻率合成器的頻率間隔不可能做得很小，使之很難滿足高速、超高速的技術要求［3］。DDS方式的基本優點是能夠準確而快捷地調節輸出信號的頻率、相位和幅度［4］。目前國內外已有相關的數字化的智能函數發生器產品，但是普遍存在價格高和操作復雜的缺點。針對此情況，本文研制了數字控制RF合成信號源，具有設計新穎、結構簡單、性能高和控制靈活等優點。

1　無線信號分析儀系統實現

本文設計的數字控制RF合成信號源系統以C8051F020單片機為控制核心，可大大提高處理速度和系統控制的靈活性；采用DDS芯片AD9852為頻率源，可以大大簡化系統結構，提高系統性能和可靠性，降低成本；以圖形點陣液晶（HG12864）和64鍵鍵盤智能管理芯片HD7279A［5］構成人機對話窗口，具有良好的人機界面，系統整體框圖如圖1所示。

圖1　系統整體框圖

根據系統功能要求，實際設計了4種信號的發生器：正弦波、普通調幅波（AM）、調頻波（FM）和二進制鍵控信號FSK、BPSK、Chirp、Ramp FSK。現在以正弦波為例介紹其設計方案。從系統精確性和穩定性方面考慮采用DDS專用芯片AD9852，它是美國模擬半導體公司推出的直接數字頻率合成器（DDS），其正弦波發生器框圖如圖2所示。

圖2　DDS正弦波發生器框圖

2　無線信號分析儀系統軟硬件設計

2.1正弦波、FM和AM信號產生電路

AD9852的DDS系統包括相位累加器和正弦查找表，其中，相位累加器由一個48位加法器和一個48位寄存器組成，相位寄存器的輸出與外部相位控制字相加后作為正弦查找表的地址。具體的正弦信號、FM信號和AM信號的產生方法如下［5-7］。

2.1.1正弦信號產生電路設計

設正弦波信號頻率為f0，則有：

在AD9852中，頻率分辨率為：

只要通過單片機向AD9852送入與f0相對應的頻率控制字FSW0，就可得到式（3）表示的正弦波。

AD9852輸出的正弦波幅度 Vom由其內部電路和引腳56所接RSET阻值大小決定，當取RSET=3.92kΩ時，滿度IOUT=10mA，這時輸出電壓無雜散動態范圍（SFDR）最佳。采用此方法，其滿度輸出正電壓VOPP≈1V。

2.1.2FM信號產生電路設計

由模擬FM原理可知：

其中，f為瞬時頻率，f0為載波頻率，Δfm為瞬時最大頻偏。

在AD8952中，上述調頻過程是全數字化的，設Δfm、sinΩt對應的數字式分別為FSWm、VΩD，則有：

其中，Di＝0，1，3，5，…，255，VΩD送數周期為1ms。

因此，可以得到數字調頻公式為：

其中，FSW0對應瞬時頻率f。

2.1.3AM信號產生電路設計

由模擬調幅（AM）的原理，已調幅波如下式所示：

其中，Vom為載波幅度，在本設計中設為0.5V。

根據題目要求，ma做步進調節時，相應的VΩm改變如表1所示。

表1　AM信號產生與步進控制的關系

本設計調幅過程也是全數字化的，其調制信號與FM的相同，只是Vom不同，因此，改變Vom就可實現所要求的步進調幅。這是利用AD9852輸出電壓幅度與送到AD9852Rest端前的D/A轉換器輸入端的數字量成正比這一特性實現的。

2.2信號調理電路設計

2.2.1雙端—單端差分運算放大電路設計

2.2.2濾波電路設計

DDS采用全數字技術，因而不可避免地會存在雜散干擾，需要進行電路濾波。系統要求40MHz內正弦信號輸出，采用截止頻率為50MHz的低通濾波器電路符合要求。具體設計的7階50MHz橢圓低通濾波電路如圖4所示。

2.3系統控制算法軟件實現

系統軟件設計的思想是采用模塊化程序設計方法，將系統軟件劃分為人機對話、正弦信號模塊、調幅功能模塊、調頻功能模塊和二進制鍵控5個模塊。全部原代碼均使用標準C語言編寫，增加了本系統軟件的可讀性和可移植性［8］，主程序流程圖如圖5所示。

圖3　輸出級放大電路

圖4　50MHz濾波電路

圖5　程序流程圖

3　實驗結果及分析

3.1測試要求

測試指標：系統要求正弦波輸出頻率范圍：1Hz～40MHz，具有頻率設置功能，頻率步進為1Hz，并且輸出信號頻率穩定度優于10-5；輸出電壓幅度在50Ω負載電阻上的電壓峰-峰值Vopp≥5V；系統要求產生二進制FSK、Chirp、Ramp FSK、BFSK信號、AM信號和FM信號，并且用示波器觀察時無明顯失真。

3.2測量結果及分析

系統設計完成后可以進行頻率、幅度和各種調制信號輸出波形的測試，其中頻率測試表如表2所示。由表2可知，輸出頻率的誤差在0～0.03％之間，頻率步進小于1Hz。

表2　頻率測試表

幅度測試表如表3所示。由表3可知，輸出幅度的誤差滿足系統設計技術指標要求。誤差主要產生于信號傳輸鏈路，包括信號輸出線的衰減和放大器的非理想穩定性。

表3　幅度測試表

各種調制信號輸出波形的測試結果如圖6所示。從圖6可以看出掃頻信號、AM信號、FM信號、FSK調制信號和BPSK調制信號測試均正常。

圖6　各種調制信號的測試圖

4　結論

本文設計了基于單片機C8051F020的數字控制RF合成信號源，完成了系統硬件電路和軟件程序設計，經測試系統現有各功能正常，RF信號源可輸出掃頻信號、序列信號和正弦信號，正弦信號輸出頻率范圍為1Hz～40MHz，頻率分辨率為1Hz，輸出電壓范圍為0～5V，并能實現AM、FM、FSK、BPSK及Chirp等調制功能，是一款性價比不錯的信號源設備。

［1］郭云林，陳松.通信電子電路設計［M］.武漢：華中科技大學出版社，2010.

［2］鄭戍華.基于DDS的信號源研制［D］.北京：北京理工大學，2003.

［3］張波，楊威克，許力，等.基于FPGA的任意波形發生器的設計與實現［J］.現代電子技術，2009，35（1）：102-105.

［4］李薦薦.DDS技術在數字通信中的應用［D］.南京：東南大學，2003

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［6］潘勇先.基于DDS技術的雷達波形發生器的研究［D］.西安：西安電子科技大學，2004.

［7］周文委，王涌.一種DDS信號發生方法與頻譜研究［J］.電子器件，2009，32（3）：620－622.

［8］王建校.51系列單片機及C51程序設計［M］.北京：科學出版社，2002.

The design and implementation of digital control RF synthesis signal source

Su Xiangjun，Chen Song，Rong Jun，Lu Fanqi
（Department of Information and Communication Engineering，Hunan Institute of Science and Technology，Yueyang 414006，China）

The paper designs a kind of RF synthetic source system based on the technology of direct digital frequency synthesis（DDS）.The system uses method of AD9852 and MCU C8051F020 combination，uses AD9850 as frequency synthesizer，and uses MCU C8051F020 as the center of system control and task scheduling.The system can achieve the output signal frequency range for 1 Hz to 40 MHz adjustable，the minimum adjustable step is 1Hz，and the frequency stability is better than 10-5.In addition，the system realizes the amplitude modulation，frequency modulation，phase shift keying，frequency shift keying and sweep functions.The system has been completed the design of hardware and software，and each index meets the design requirements through using a variety of electronic instruments on system performance and technical parameters.

digital control；radio-frequency signal source；DDS；modulation

TM46

A

1674-7720（2015）10-0001-03

2015-01-30）

粟向軍（1964-），男，碩士，教授，主要研究方向：通信仿真技術。

湖南省科技計劃項目（2014GK2006）