基于DDS的調頻信號發生器的設計與仿真

　　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。

　　調頻波的表達式為：

　　其瞬時角頻率為：

　　其中ω0 固定角頻率(載頻); 為比例常數(調制常數)，代表調制器的靈敏度[1]。

　　DDS輸出的信號頻率可以由下式給定：

　　其中：為參考時鐘， 為信號頻率分辨率，為輸出信號頻率， 為頻率控制字， 為相位累加器的位數。可見，可以通過設定相位累加器的位數、頻率控制字和系統參考時鐘的值，就可以產生任意信號頻率的輸出[2]。

　　可以看出，當 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[3]。假設調制信號經ADC轉換為B位數字信號，為滿足調制頻偏要求，需在MCU內與一可調的調制常數相乘，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 ，則調頻波的頻率控制字為：

　　代入(1)式得調頻波信號的瞬時頻率序列：

　　考慮到相位累加器的積分器作用，假設波形存儲器存儲的為余弦波，則DDS輸出的調頻信號序列為：

　　再將調頻信號序列 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，則兩個通道DDS-1和DDS-2產生完全同步的載波為的調頻信號序列，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的調頻信號。系統的硬件結構原理如圖1所示 。