摘  要： 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1 Hz～40 MHz可調，最小可調步進為1 Hz，并且頻率穩(wěn)定度優(yōu)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。

　　關鍵詞： 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(wěn)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(yōu)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(huán)存在捕獲時間問題，頻率轉換時間較長，單環(huán)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(yōu)點是能夠準確而快捷地調節(jié)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(fā)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(yōu)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。

　　根據系統功能要求，實際設計了4種信號的發(fā)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?，F在以正弦波為例介紹其設計方案。從系統精確性和穩(wěn)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(fā)生器框圖如圖2所示。

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：

　　V0（t）=Vom×sin2πf0（1）

　　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=3.92 k?贅時，滿度IOUT=10 mA，這時輸出電壓無雜散動態(tài)范圍（SFDR）最佳。采用此方法，其滿度輸出正電壓VOPP≈1 V。

　　2.1.2 FM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，fm為瞬時最大頻偏。

　　在AD8952中，上述調頻過程是全數字化的，設fm、sint對應的數字式分別為FSWm、V?贅D，則有：

　　其中，Di＝0，1，3，5，…，255，VD送數周期為1 ms。

　　因此，可以得到數字調頻公式為：

　　FSW=FSW0+FSWm×（Di-128）/128（7）

　　其中，FSW0對應瞬時頻率f。

　　2.1.3 AM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0.5 V。

　　根據題目要求，ma做步進調節(jié)時，相應的Vm改變如表1所示。

　　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AD9852 Rest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40 MHz內正弦信號輸出，采用截止頻率為50 MHz的低通濾波器電路符合要求。具體設計的7階50 MHz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。

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：1 Hz～40 MHz，具有頻率設置功能，頻率步進為1 Hz，并且輸出信號頻率穩(wěn)定度優(yōu)于10-5；輸出電壓幅度在50 ?贅負載電阻上的電壓峰-峰值Vopp≥5 V；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1 Hz。

　　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(wěn)定性。

　　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。

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1 Hz～40 MHz，頻率分辨率為1 Hz，輸出電壓范圍為0～5 V，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。

　　參考文獻

　　[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(fā)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

　　[5] Liu Xiaodong， Shi Yanyan， Wang Meng， et al. Direct digital frequency synthesizer based on curve approximation[C]. IEEE Conference on Industry Technology， ICT′08， 2008，21（2）：201-205.

　　[6] 潘勇先.基于DDS技術的雷達波形發(fā)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(fā)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.