【文章內(nèi)容簡介】 z 頻率分辨率 10mHz 同時還具有 AMFMPMSSBBPSKFSK 碎發(fā) DTMFGeneration 和 DTMFDeteetion 的功能 除了在儀器中的應用外 DDS 在通信系統(tǒng)和雷達系統(tǒng)中也有很重要的用途通過 DDS 可以比較容易的產(chǎn)生一些通信中常用的調制信號如頻移鍵控 FSK 二進制相移鍵控 BPsK 和正交相移鍵控 QPSK DDS 可以產(chǎn)生兩路相位嚴格正交的信號在正交調制和解調中的到廣泛應 用是一中很好的本振源 在雷達中通過 DDS和 PLL相結合可以產(chǎn)生毫米波線性調頻信號 DDS移相精度高頻率捷變快和發(fā)射波形可捷變等優(yōu)點在雷達系統(tǒng)中也可得到很好的發(fā)揮 22 DDS 基本原理與特點 DDS 基本原理 直接數(shù)字式頻率合成 DDS 技術是近年來隨著數(shù)字集成電路和微電子技術的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種新的頻率合成技術數(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頻率的整數(shù)倍通過頻率選擇開關改變分頻比來控制壓控振蕩器的輸出信號頻率 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 級聯(lián)構成結構如圖 22所示每來一個時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時鐘脈沖作用后所產(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時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鐘脈沖作用下不斷地對頻率控制字進行線性相位累加由此可以看出相位累加器在每一個時鐘脈沖輸入時把頻率控制字累加一次相位累加器輸出的數(shù)據(jù)就是合成信號的相位相位累加器溢出的頻率就是 DDS 的輸出的信號頻率用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲 器 ROM 的相位取樣地址這樣就可把存儲在波形存儲器內(nèi)的波形抽樣值二進制編碼經(jīng)查找表查出完成相位到幅值的轉換相位累加器在基準時鐘的作用下進行線形相位累加當 N位相位累加器累加 N次后就會產(chǎn)生一次溢出這樣就完成了一個周期這個周期也就是 DDS 信號的頻率周期 由于 DDS 的模塊化結構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制信號 DDS 優(yōu)點 l 輸出頻率相對帶寬較寬 輸出頻率帶寬為 50fs 理論值 實際輸出帶寬仍可達到 40fs 2 頻率轉換時 間短 頻率時間等于頻率控制字的傳輸時間也就是一個時鐘周期的時間時鐘頻率越高轉換時間越短 DDS 的轉換時間可達納微秒級數(shù)量級比使用其他的頻率合成方法都要短數(shù)個數(shù)量級 3 頻率分辨率高 若時鐘 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 輸出頻率實際上改變的是每一個時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 相位的連續(xù) 5 輸出波形的靈活性 只要在 DDS 內(nèi)部加上相應控制如調頻控制 FM 調相控制 PM 和調幅控制 AM 即可以方便靈活實現(xiàn)調頻調頻和調幅等功能產(chǎn)生 FSKPSKASKMSK 等信號另外只要在DDS 的波形存儲器存放不同波形數(shù)據(jù)就可以實現(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 DDS 的波形存儲器分別存放正弦和余弦函數(shù)表時即可得到正交的兩路輸出 DDS 缺點 l 輸出帶寬范圍有限 由于 DDS 內(nèi)部 DAC 和波形存儲器 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 CMOSTTLEcL 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 2GHz 以上 2 輸出散雜大 由于 DDS 采用全數(shù)字結構不可避免地引入了散雜其來源主要由三個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 本章首先介紹了頻率合成技術的發(fā)展分類以及頻率合成中的技術指標簡單地介紹了直接數(shù)字頻率合成技術的現(xiàn)狀及應用緊接著詳細地介紹了 DDS 的工作原理和各主要組成部分的功能與基本結構最后介紹了 DDS 的優(yōu)缺點 數(shù)字調制信號介紹 31 概 述 圖 31 利用 DDS 技術產(chǎn)生調制信號原理圖 如圖 31所示為利用 DDS技術產(chǎn)生調制信號的原理圖產(chǎn)生的調制信號將供給系統(tǒng)進行測試 NCO 的主要作用是儲存波形數(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 技術產(chǎn)生所需要的調制信號供測試 32 調制方式 數(shù)字調制就是將數(shù)字符號變成適合于信道傳輸?shù)牟ㄐ嗡幂d波一般是余弦信號調制信號為數(shù)字基帶信號利用基帶信號去控制載波的某個參數(shù)就完成了調制 調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)信號寄生在載波的上述三個參 數(shù)中的一個上即用數(shù)據(jù)信號來進行幅度調制頻率調制或相位調制數(shù)字信號只有幾個離散值因此調制后的載波參數(shù)也只有有限個值類似于用數(shù)字信息控制開關從幾個具有不同參量的獨立振蕩源中選擇參量為此把數(shù)字信號的調制方式稱為鍵控數(shù)字調制分為調幅調相和調頻三類分別對應幅移鍵控 ASK相移鍵控 PSK和頻移鍵控 FSK三種數(shù)字調制方式在幅移鍵控方式中當 1出現(xiàn)時接通振幅為 A的載波 0出現(xiàn)時關斷載波這相當于將原基帶信號脈沖列頻譜搬到了載波的兩側如果用改變載波頻率的方法來傳送二進制符號就是頻移鍵控的方法當 1出現(xiàn)時是低頻 0出現(xiàn)時是高頻這時其頻譜可 以看成碼列對低頻載波的開關鍵控加上碼列的反碼對高頻載波的開關鍵控如果用 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通常在其中心點附近進行一般來說PSK系統(tǒng)的性能要比開關鍵控 FSK系統(tǒng)好但必須使用同步檢波調制的基本原理是用數(shù)字信號對載波的不同參量進行調制其基本公式 St Acosωtψ 3 1 St的參量包括幅度 A頻率ω初相位ψ調制就是要使 Aω或ψ隨數(shù)字基帶信號的變化而變化其中 ASK 調制方式是用載波的兩個不同振幅表示 0 和 1FSK 調制方式是用載波的兩個不同頻率表示 0和 1而 PSK調制方式是用載波的起始相位的變化表示 0 和 1 根據(jù)傳輸信號是二進制信號還是多進制信號和對載波的哪個參數(shù)進行調制可以把數(shù)字頻帶傳輸分為二進制振幅鍵控 2ASK 二 進 制 頻 移 鍵 控 2FSK 二進制相移鍵控 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?COFDM 編碼正交頻分復用方式但 ASKPSK 和 FSK 這三種數(shù)字調制方式仍是最主要的本論文設計的 DDS 也是以產(chǎn)生這三種調制信號并進行驗證分析為主要內(nèi)容所以接下來分別介紹下 ASKPSKFSK 這三種調制信號 33 ASK 幅移鍵控 幅移鍵控又稱為振幅鍵控記為 ASK 也有稱為開關鍵控通斷鍵控的所以又記作 OOK信號 ASK是一種相對簡單的調制方式幅移鍵控 ASK相當于模擬信號中的調幅只不過與載頻信號相乘的是二進制數(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制振幅鍵控 2ASK 由于調制信號只有 0或 1兩個電平相乘的結果相當于將載頻關斷或者接通它的實際意義是當調制的數(shù)字信號為 1時傳輸載波當調制的數(shù)字信號為 0時不傳輸載波原理如圖 32 所示其中 st 為基帶矩形脈沖一般載波信號用余弦信號而調制信號是把數(shù)字序列轉換成單極性的基帶矩形脈沖序列而這個通斷鍵控的作用就是把這個輸出與載波相乘就可以把頻譜搬移到載波頻率附近實現(xiàn) 2ASK 實現(xiàn)后的 2ASK波形如圖 33 所示 圖 32 ASK 調制原理 圖 33 輸出后的 2ASK 波形 如圖 33 所示為 ASK 仿真的輸 出波形二進制碼為 1 時輸出載波二進制碼為 0時不輸出載波 34 PSK 相移鍵控 在 PSK 調制時載波的相位隨調制信號狀態(tài)不同而改變?nèi)绻麅蓚€頻率相同的載波同時開始振蕩這兩個頻率同時達到正最大值同時達到零值同時達到負最大值此時它們就處于同相狀態(tài)如果一個達到正最大值時另一個達到負最大值則稱為反相一般把信號振蕩一次一周作為 360 度如果一個波比另一個波相差半個周期我們說兩個波的相位差 180度也就是反相當傳輸數(shù)字信號時 1碼控制發(fā) 0度相位 0碼控制發(fā) 180度相位 PSK相移鍵控調制技術在數(shù)據(jù)傳輸中尤其是在中速和中高速的數(shù)傳 機 2400bits～ 4800bits 中得到了廣泛的應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相在實際應用中還有八相及十六相調相 PSK也可分為二進制 PSK2PSK或 BITSK和多進制 PSKMPSK在這種調制技術中載波相位只有 0和π兩種取值分別對應于調制信號的 0和 1傳 1信號時發(fā)起始相位為π的載波當傳 0信號時發(fā)起始相位為 0的載波 2PSK 的調制原理如圖 34 所示