【文章內(nèi)容簡介】 中通過DDS和PLL相結(jié)合可以產(chǎn)生毫米波線性調(diào)頻信號(hào)，DDS移相精度高、頻率捷變快和發(fā)射波形可捷變等優(yōu)點(diǎn)在雷達(dá)系統(tǒng)中也可得到很好的發(fā)揮。 DDS基本原理與特點(diǎn)(11) DDS基本原理直接數(shù)字式頻率合成（DDS）技術(shù)是近年來隨著數(shù)字集成電路和微電子技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種新的頻率合成技術(shù)。數(shù)字頻率合成器是一種數(shù)字控制的鎖相倍頻器。其輸出頻率是基準(zhǔn)頻率的整數(shù)倍，通過頻率選擇開關(guān)改變分頻比來控制壓控振蕩器的輸出信號(hào)頻率。DDS一般由相位累加器、波形存儲(chǔ)器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器及低通濾波器組成,結(jié)構(gòu)框圖如下圖21所示。其基本原理就是將波形數(shù)據(jù)先存儲(chǔ)起來，然后在頻率控制字K的作用下，通過相位累加器從存儲(chǔ)器中讀出波形數(shù)據(jù)，最后經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換和低通濾波后輸出頻率合成。這種頻率合成方法可以獲得高精度頻率和相位分辨率、快速頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間和低相位噪聲的頻率信號(hào)，而且結(jié)構(gòu)簡單集成度高。圖21： DDS基本原理框圖相位累加器由N位加法器與N位累加寄存器級(jí)聯(lián)構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖22所示。每來一個(gè)時(shí)鐘脈沖，加法器就將頻率控制字K與累加器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，把相加后的結(jié)果送至累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。累加寄存器將加法器在上一個(gè)時(shí)鐘脈沖作用后所產(chǎn)生的新相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，以使加法器在下一個(gè)時(shí)鐘脈沖的作用下繼續(xù)與頻率控制字相加。這樣，相位累加器在時(shí)鐘脈沖作用下，不斷地對(duì)頻率控制字進(jìn)行線性相位累加。由此可以看出，相位累加器在每一個(gè)時(shí)鐘脈沖輸入時(shí)，把頻率控制字累加一次，相位累加器輸出的數(shù)據(jù)就是合成信號(hào)的相位，相位累加器溢出的頻率就是DDS的輸出的信號(hào)頻率。用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲(chǔ)器（ROM）的相位取樣地址，這樣就可把存儲(chǔ)在波形存儲(chǔ)器內(nèi)的波形抽樣值（二進(jìn)制編碼）經(jīng)查找表查出，完成相位到幅值的轉(zhuǎn)換。相位累加器在基準(zhǔn)時(shí)鐘的作用下，進(jìn)行線形相位累加，當(dāng)N位相位累加器累加N次后就會(huì)產(chǎn)生一次溢出，這樣就完成了一個(gè)周期，這個(gè)周期也就是DDS信號(hào)的頻率周期圖22 DDS相位累加器由于DDS的模塊化結(jié)構(gòu)，其輸出波形由波形查找表中的數(shù)據(jù)來決定，因此，只需改變查找表中的數(shù)據(jù)，就能很方便地利用DDS產(chǎn)生以及通信中用到的各種調(diào)制信號(hào)。 DDS優(yōu)點(diǎn)(l)輸出頻率相對(duì)帶寬較寬輸出頻率帶寬為50%fs(理論值)，實(shí)際輸出帶寬仍可達(dá)到40%fs。(2)頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短頻率時(shí)間等于頻率控制字的傳輸時(shí)間，也就是一個(gè)時(shí)鐘周期的時(shí)間。時(shí)鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換時(shí)間越短。DDS的轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)納微秒級(jí)數(shù)量級(jí)，比使用其他的頻率合成方法都要短數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)。(3)頻率分辨率高若時(shí)鐘fs的頻率不變，DDS的頻率分辨率就是由相位累加器的位數(shù)N決定。只要增加相位累加器的位數(shù)N即可獲得任意小的頻率分辨率。目前，大多數(shù)DDS的分辨率在1Hz數(shù)量級(jí)，許多小于1mHz甚至更小。(4)相位變化連續(xù)改變DDS輸出頻率，實(shí)際上改變的是每一個(gè)時(shí)鐘周期的相位增量，相位函數(shù)的曲線是連續(xù)的，只是在改變頻率的瞬間其頻率發(fā)生了突變，因而保持了信號(hào)相位的連續(xù)。(5)輸出波形的靈活性只要在DDS內(nèi)部加上相應(yīng)控制如調(diào)頻控制FM，調(diào)相控制PM和調(diào)幅控制AM即可以方便靈活實(shí)現(xiàn)調(diào)頻，調(diào)頻和調(diào)幅等功能，產(chǎn)生FSK，PSK，ASK，MSK等信號(hào)。另外，只要在DDS的波形存儲(chǔ)器存放不同波形數(shù)據(jù)，就可以實(shí)現(xiàn)各種波形的輸出，如三角波，鋸齒波和矩形波甚至是任意波形。當(dāng)DDS的波形存儲(chǔ)器分別存放正弦和余弦函數(shù)表時(shí)，即可得到正交的兩路輸出。 DDS缺點(diǎn) (l)輸出帶寬范圍有限由于DDS內(nèi)部DAC和波形存儲(chǔ)器(ROM)的工作速度有限，使得DDS輸出的最高頻率有限。目前市場上采用CMOS，TTL，EcL，工藝制作的DDS芯片，工作頻率一般在幾十MHz至400MHz左右。采用GaAS工藝的DDS芯片工作頻率可達(dá)2GHz以上。(2)輸出散雜大由于DDS采用全數(shù)字結(jié)構(gòu)，不可避免地引入了散雜。其來源主要由三個(gè)：相位累加器相位舍入誤差造成的散雜；幅度量化誤差造成的散雜和 DAC非理想特性造成的散雜。本章小結(jié)本章首先介紹了頻率合成技術(shù)的發(fā)展，分類以及頻率合成中的技術(shù)指標(biāo)，簡單地介紹了直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的現(xiàn)狀及應(yīng)用，緊接著詳細(xì)地介紹了DDS的工作原理和各主要組成部分的功能與基本結(jié)構(gòu)。最后介紹了DDS的優(yōu)缺點(diǎn)。第3章 數(shù)字調(diào)制信號(hào)介紹圖31 利用DDS技術(shù)產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)原理圖如圖31所示，為利用DDS技術(shù)產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)的原理圖，產(chǎn)生的調(diào)制信號(hào)將供給系統(tǒng)進(jìn)行測試，NCO的主要作用是儲(chǔ)存波形數(shù)據(jù)，在頻率控制字及PN序列的控制下，從NCO里取出波形，最終利用DDS技術(shù)產(chǎn)生所需要的調(diào)制信號(hào)供測試。數(shù)字調(diào)制就是將數(shù)字符號(hào)變成適合于信道傳輸?shù)牟ㄐ巍Ｋ幂d波一般是余弦信號(hào)，調(diào)制信號(hào)為數(shù)字基帶信號(hào)。利用基帶信號(hào)去控制載波的某個(gè)參數(shù)就完成了調(diào)制。 調(diào)制的方法主要是通過改變余弦波的幅度、相位或頻率來傳送信息。其基本原理是把數(shù)據(jù)信號(hào)寄生在載波的上述三個(gè)參數(shù)中的一個(gè)上，即用數(shù)據(jù)信號(hào)來進(jìn)行幅度調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制。數(shù)字信號(hào)只有幾個(gè)離散值，因此調(diào)制后的載波參數(shù)也只有有限個(gè)值，類似于用數(shù)字信息控制開關(guān)，從幾個(gè)具有不同參量的獨(dú)立振蕩源中選擇參量，為此把數(shù)字信號(hào)的調(diào)制方式稱為“鍵控”。數(shù)字調(diào)制分為調(diào)幅、調(diào)相和調(diào)頻三類，分別對(duì)應(yīng)“幅移鍵控”（ASK）、“相移鍵控”（PSK）和“頻移鍵控”（FSK）三種數(shù)字調(diào)制方式。在“幅移鍵控”方式中，當(dāng)“1”出現(xiàn)時(shí)接通振幅為A的載波，“0”出現(xiàn)時(shí)關(guān)斷載波，這相當(dāng)于將原基帶信號(hào)（脈沖列）頻譜搬到了載波的兩側(cè)。如果用改變載波頻率的方法來傳送二進(jìn)制符號(hào)，就是“頻移鍵控”的方法，當(dāng)“1”出現(xiàn)時(shí)是低頻，“0”出現(xiàn)時(shí)是高頻。這時(shí)其頻譜可以看成碼列對(duì)低頻載波的開關(guān)鍵控加上碼列的反碼對(duì)高頻載波的開關(guān)鍵控。如果用“0”和“1”來改變載波的相位，則稱為“相移鍵控”。這時(shí)在比特周期的邊緣出現(xiàn)相位的跳變，但在間隔中部保留了相位信息。接收端解調(diào)通常在其中心點(diǎn)附近進(jìn)行。一般來說，PSK系統(tǒng)的性能要比開關(guān)鍵控FSK系統(tǒng)好，但必須使用同步檢波。調(diào)制的基本原理是用數(shù)字信號(hào)對(duì)載波的不同參量進(jìn)行調(diào)制，其基本公式 S（t） = Acos（ωt+ψ） （31）S（t）的參量包括：幅度A、頻率ω、初相位ψ，調(diào)制就是要使A、ω或ψ隨數(shù)字基帶信號(hào)的變化而變化。其中ASK調(diào)制方式是用載波的兩個(gè)不同振幅表示0和1；FSK調(diào)制方式是用載波的兩個(gè)不同頻率表示0和1；而PSK調(diào)制方式是用載波的起始相位的變化表示0 和1。根據(jù)傳輸信號(hào)是二進(jìn)制信號(hào)還是多進(jìn)制信號(hào)和對(duì)載波的哪個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)制，可以把數(shù)字頻帶傳輸分為：二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK），二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK） 二進(jìn)制相移鍵控（2PSK），除上面所述的二相位、二頻率和二幅度系統(tǒng)外，還可以采用各種多相位、多振幅和多頻率的方案。在DVB系統(tǒng)中衛(wèi)星傳輸采用QPSK，有線傳輸采用QAM方式，地面?zhèn)鬏敳捎肅OFDM（編碼正交頻分復(fù)用）方式。但ASK、PSK和FSK這三種數(shù)字調(diào)制方式仍是最主要的，本論文設(shè)計(jì)的DDS也是以產(chǎn)生這三種調(diào)制信號(hào)并進(jìn)行驗(yàn)證分析為主要內(nèi)容，所以接下來分別介紹下ASK，PSK，F(xiàn)SK這三種調(diào)制信號(hào)。 ASK幅移鍵控“幅移鍵控”又稱為“振幅鍵控”，記為ASK。也有稱為“開關(guān)鍵控”（通斷鍵控）的，所以又記作OOK信號(hào)。ASK是一種相對(duì)簡單的調(diào)制方式。幅移鍵控（ASK）相當(dāng)于模擬信號(hào)中的調(diào)幅，只不過與載頻信號(hào)相乘的是二進(jìn)制數(shù)碼而已。幅移就是把頻率、相位作為常量，而把振幅作為變量，信息比特是通過載波的幅度來傳遞的。二進(jìn)制振幅鍵控（2ASK）， 由于調(diào)制信號(hào)只有0或1兩個(gè)電平，相乘的結(jié)果相當(dāng)于將載頻關(guān)斷或者接通，它的實(shí)際意義是當(dāng)調(diào)制的數(shù)字信號(hào)為“1”時(shí)，傳輸載波；當(dāng)調(diào)制的數(shù)字信號(hào)為“0”時(shí)，不傳輸載波。原理如圖32所示，其中s（t）為基帶矩形脈沖。一般載波信號(hào)用余弦信號(hào)，而調(diào)制信號(hào)是把數(shù)字序列轉(zhuǎn)換成單極性的基帶矩形脈沖序列，而這個(gè)通斷鍵控的作用就是把這個(gè)輸出與載波相乘，就可以把頻譜搬移到載波頻率附近，實(shí)現(xiàn)2ASK。實(shí)現(xiàn)后的2ASK波形如圖33所示。圖32 ASK調(diào)制原理圖33輸出后的2ASK波形如圖33所示，為ASK仿真的輸出波形，二進(jìn)制碼為1時(shí)輸出載波；二進(jìn)制碼為0時(shí)，不輸出載波。 PSK相移鍵控 在PSK調(diào)制時(shí)，載波的相位隨調(diào)制信號(hào)狀態(tài)不同而改變。如果兩個(gè)頻率相同的載波同時(shí)開始振蕩，這兩個(gè)頻率同時(shí)達(dá)到正最大值，同時(shí)達(dá)到零值，同時(shí)達(dá)到負(fù)最大值，此時(shí)它們就處于“同相”狀態(tài)；如果一個(gè)達(dá)到正最大值時(shí)，另一個(gè)達(dá)到負(fù)最大值，則稱為“反相”。一般把信號(hào)振蕩一次（一周）作為360度。如果一個(gè)波比另一個(gè)波相差半個(gè)周期，我們說兩個(gè)波的相位差180度，也就是反相。當(dāng)傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)，“1”碼控制發(fā)0度相位，“0”碼控制發(fā)180度相位。PSK相移鍵控調(diào)制技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸中，尤其是在中速和中高速的數(shù)傳機(jī)（2400bit/s～4800bit/s）中得到了廣泛的應(yīng)用。相移鍵控有很好的抗干擾性,在有衰落的信道中也能獲得很好的效果。我們主要討論二相和四相調(diào)相，在實(shí)際應(yīng)用中還有八相及十六相調(diào)相。PSK也可分為二進(jìn)制PSK（2PSK或BIT/SK）和多進(jìn)制PSK（MPSK）。在這種調(diào)制技術(shù)中，載波相位只有0和π兩種取值，分別對(duì)應(yīng)于調(diào)制信號(hào)的“0”和“1”。傳“1“信號(hào)時(shí)，發(fā)起始相位為π的載波；當(dāng)傳“0”信號(hào)時(shí)，發(fā)起始相位為0的載波。2PSK的調(diào)制原理如圖34所示。由“0”和“1”表示的二進(jìn)制調(diào)制信號(hào)通過電平轉(zhuǎn)換后，變成由“–1”和“1”表示的雙極性NRZ（不歸零）信號(hào)，然后與載波相乘，即可形成2PSK信號(hào)，如圖35所示。圖34 2PSK調(diào)制原理圖35 輸出后的2PSK波形如圖35所示，為PSK仿真的輸出波形。二進(jìn)制碼為1時(shí)，輸出初相位為0的載波；二進(jìn)制碼為0時(shí)，輸出初相位為180度的載波。 FSK 頻移鍵控所謂FSK就是用數(shù)字信號(hào)去調(diào)制載波頻率，是數(shù)字