摘要：常規(guī)DDS頻率合成方案無法合成超過1／2采樣頻率的信號(hào)頻率，這給DDS器件的應(yīng)用帶來了很大限制。在實(shí)際應(yīng)用中通過對(duì)DDS器件的輸出信號(hào)頻譜進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，其頻譜中除包含設(shè)計(jì)頻率以外還包含特高頻(UHF)頻段的鏡像頻率分量。計(jì)算發(fā)現(xiàn)這種鏡像頻率與合成的設(shè)計(jì)頻率成線性關(guān)系，故可通過計(jì)算確定鏡像頻率并通過選頻濾波提取它們從而獲得UHF信號(hào)。為擴(kuò)展DDS器件的應(yīng)用范圍，提出了利用鏡像頻率實(shí)現(xiàn)UHF頻率合成方案，設(shè)計(jì)了基于AD9912芯片的頻率合成系統(tǒng)，編寫了相應(yīng)的控制程序。最終實(shí)現(xiàn)了利用DDS器件合成了1 500MHz信號(hào)的預(yù)想。
關(guān)鍵詞：DDS；鏡像頻率；AD9912；特高頻信號(hào)

    直接數(shù)字頻率合成即DDS(Direct Digital Synthesis)，它將先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理方法引入了信號(hào)合成領(lǐng)域理論，實(shí)現(xiàn)了合成信號(hào)的頻率轉(zhuǎn)換速度與頻率準(zhǔn)確度之間的統(tǒng)一。DDS技術(shù)具有輸出頻率、相位和幅度能夠在數(shù)字處理器的控制下精確而快速的變換以及能進(jìn)行極微小的頻率調(diào)諧和在兩個(gè)頻率間“跳躍”的特點(diǎn)，同時(shí)這種技術(shù)也具有極好的溫度、老化穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)換頻率保持相位恒定和小型可靠等優(yōu)點(diǎn)。因此DDS技術(shù)是公認(rèn)的產(chǎn)生頻率的理想方法，是頻率合成的第三代方案。八十年代以來各國都在研制和發(fā)展各自的DDS產(chǎn)品，如美國QUALCOMM公司的Q233x；STANFORD公司的STEL-1175，STEL-1180；AD公司的AD7008，AD985x等。
    近年來隨著理論的不斷完善和集成工藝的發(fā)展，DDS技術(shù)已被廣泛的應(yīng)用于雷達(dá)、航空航天和通信系統(tǒng)等高端系統(tǒng)中，與此同時(shí)DDS器件輸出頻率受限的缺點(diǎn)也被凸顯了出來。而這樣的缺點(diǎn)大大限制了DDS技術(shù)在UHF頻率合成上的應(yīng)用。因此設(shè)計(jì)一個(gè)合適的頻率合成方案來克服這樣的不足，是非常必要的。

1 頻率合成的基本原理
1．1 DDS設(shè)備的基本工作原理
    直接數(shù)字頻率合成器是從相位概念出發(fā)根據(jù)不同的相位給出不同的電壓幅度，即相位-正弦幅度變換，最后濾波，輸出所需頻率信號(hào)。D DS設(shè)備主要由相位累加器，波形存儲(chǔ)器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)構(gòu)成。在DDS設(shè)備工作時(shí)，相位累加器在參考時(shí)鐘頻率的控制下以預(yù)先設(shè)定好的頻率控制字作為步長進(jìn)行線性累加，得到相位碼對(duì)波形存儲(chǔ)器進(jìn)行尋址輸出幅度碼，由DAC轉(zhuǎn)換為階梯波再經(jīng)低通濾波器平滑后可以得到相應(yīng)的合成頻率信號(hào)。

1．2 鏡像頻率的產(chǎn)生原理
    為方便分析，設(shè)DDS芯片合成的信號(hào)頻率為x(t)=sin(ωDDSt)，該信號(hào)由正弦波離散采樣值的數(shù)字量經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換為階梯型的模擬波形信號(hào)xe(t)，其轉(zhuǎn)換關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以表示為：
    
    式(1)中的第二項(xiàng)即為各次諧波的分量，其中am表示第m次諧波的幅度。通過采樣率為ωs理想采樣及理想數(shù)模轉(zhuǎn)換(零階保持的階梯重構(gòu))后的信號(hào)頻譜Y(ω)可以表示成：
    
    由式(2)可知，輸出的信號(hào)頻譜中除了包含設(shè)計(jì)頻率信號(hào)ωDDS及其諧波分量mωDDS，還存在著以采樣頻率為折疊頻率的設(shè)計(jì)頻率的鏡像頻率，以及設(shè)計(jì)頻率諧波的鏡像頻率等一系列鏡像頻率分量。本設(shè)計(jì)中主要利用的設(shè)計(jì)頻率的鏡像頻率分量ωm可由式(3)得出：
    
    由于DDS設(shè)備的參考頻率ωs恒定，nωs可以看做一個(gè)常數(shù)，由式(3)可知DDS設(shè)備最終合成的鏡像頻率ωm與設(shè)計(jì)頻率ωDDS成1：1的線性關(guān)系，設(shè)計(jì)頻率變化量即為鏡像頻率的變化量，故可通過改變?cè)O(shè)計(jì)頻率來精確地控制鏡像頻率合成。
1．3 AD9912的UHF頻合成原理
    硬件系統(tǒng)采用AD公司最新的AD9912芯片作為直接數(shù)字頻率合成器，通過編程控制合成頻率為500 MHz的信號(hào)，并利用其鏡像頻率獲得了頻率為1 500 MHz的信號(hào)。實(shí)際操作中，通過對(duì)AD9912芯片內(nèi)部集成的一個(gè)48位的頻率控制字(FTW)寄存器賦值，為相位累加器提供了一個(gè)初始值，在每一個(gè)系統(tǒng)周期中，相位累加器都要把輸出值與FTW值累加一次，相位累加器輸出的數(shù)字量進(jìn)行相符轉(zhuǎn)換后，由14位DAC轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，輸出所需正弦波。FTW與AD9912芯片輸出的設(shè)計(jì)頻率的關(guān)系表達(dá)式為：
    
    為了合成鏡像頻率為1 500 MHz信號(hào)，由(3)式計(jì)算可知須首先合成500 MHz頻率，由式(4)計(jì)算可知，在參考頻率ωS=1 GHz的情況下合成ωDDS=500MHz的設(shè)計(jì)頻率，只需設(shè)置FTW=140737488355328(0x800000000000)。最后采用帶通濾波器對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行選頻即可獲得1 500 MHz信號(hào)。

    在一般的DDS應(yīng)用中，由于奈奎斯特采樣定理的限制，往往取參考頻率的40％作為設(shè)計(jì)頻率，并選用低通濾波器來濾除其它頻率雜散。由于本應(yīng)用中只需利用相應(yīng)設(shè)計(jì)頻率的UHF鏡像頻率，可以不考慮設(shè)計(jì)頻率信號(hào)的性能，故本硬件系統(tǒng)的合成頻率取參考時(shí)鐘頻率的一半500 MHz。在實(shí)際得出的頻譜圖中可以看到當(dāng)設(shè)計(jì)頻率為500 MHz的時(shí)候，存在鏡像頻率為1500 MHz的信號(hào)。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)硬件模塊主要包括：基于MSP430的單片機(jī)控制模塊，基于AD9912的直接數(shù)字頻率合成模塊，選頻模塊。在實(shí)際操作中，AD9912芯片輸出的合成信號(hào)頻譜中含有大量的雜散信號(hào)分量。其中主要雜散是設(shè)計(jì)頻率的諧波和其他不需要的鏡像頻率，這些頻率分量都可通過窄帶濾波的方式去除，但是由于系統(tǒng)的不完善和電源供電諧波的影響，會(huì)存在頻率靠近1 500 MHz鏡像頻率的雜散分量。這些雜散分量往往不能被濾波器濾除掉。為避免出現(xiàn)這樣的情況，將雜散抑制作為本硬件系統(tǒng)的重點(diǎn)設(shè)計(jì)內(nèi)容。

2．1 AD9912及MSP430簡介
    AD9912芯片是AD公司的一款具有1GSPS采樣率的DDS芯片。其內(nèi)部集成有一個(gè)14位數(shù)——模轉(zhuǎn)換器、低噪聲鎖相環(huán)、兩個(gè)雜散抑制通道，這使得該芯片有極好的雜散抑制能力，極大地降低了后續(xù)UHF鏡像頻率選頻濾波工作的難度。并可通過48位頻率控制字進(jìn)行分辨率為4 μHz的頻率合成控制，因此可以通過調(diào)節(jié)頻率控制字來精確地控制頻率合成。
    MSP430系列單片機(jī)是德州儀器(TI)公司的一款16位超低功耗、具有精簡指令集(RISC)的混合信號(hào)處理器(MixedSignal Processor)。該系列單片機(jī)針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求，將多個(gè)不同功能的模擬電路、數(shù)字電路模塊和微處理器集成在一個(gè)芯片上。其CPU采用的16位精簡指令系統(tǒng)發(fā)揮了最高編碼效率，這使得這款單片機(jī)非常適用于AD9912的控制電路。
2．2 控制模塊
    本硬件系統(tǒng)的控制模塊采用MSP430x14x作為核心控制器。為實(shí)現(xiàn)對(duì)AD9912軟件控制。選擇MSP430的4個(gè)I／O端口分別控制AD9912芯片的SCLK(串行時(shí)鐘)、SDIO(串行數(shù)據(jù)輸入輸出端)、CSB(片選)、I／O_UPDATE(數(shù)據(jù)寫入控制)。為避免MSP430引入雜散，采用一個(gè)緩沖器分隔MSP430的信號(hào)與AD9912的信號(hào)。
2．3 直接數(shù)字頻率合成模塊
    本硬件系統(tǒng)采用AD9912作為直接數(shù)字頻率合成模塊的核心。使用R&S信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生1 GHz的信號(hào)作為參考頻率輸入。由于AD9912的參考頻率是采用差分輸入，所以采用巴倫(Balun)芯片完成輸入?yún)⒖夹盘?hào)的單端轉(zhuǎn)雙端工作，并提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。同理在系統(tǒng)輸出端口采用一個(gè)巴倫來將差分信號(hào)雙端轉(zhuǎn)單靖信號(hào)輸出。AD9912芯片的其他管腳主要為電源輸入管腳和接地管腳。為了更好地抑制雜散，采用數(shù)字信號(hào)地和模擬信號(hào)地分開接地。由于有大量的數(shù)字電源和模擬電源為AD9912芯片供電，這就不可避免的將電源中的紋波引入到硬件系統(tǒng)中，進(jìn)而直接影響到后續(xù)選頻輸出信號(hào)的雜散等性能指標(biāo)，因此采用極性濾波電容濾除電源紋波。
2．4 選頻模塊
    據(jù)圖2可知DDS的輸出信號(hào)中，存在著大量無用的頻率因此需要使用通帶極窄的濾波器對(duì)其進(jìn)行選頻。為了以盡量少的額外衰減捕獲所需的鏡像頻率，同時(shí)顯著抑制其他雜散信號(hào)，選頻部分采用GA1500T20A窄帶聲表面波濾波器(SAW)對(duì)1 500 MHz的信號(hào)進(jìn)行選頻。其通帶為1 490 -1 510 MHz，插入損耗約為2．95 dB，帶外抑制：1 300-1 440 MHz為48 dB，1 580～1 700MHz為48 dB。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    在上位機(jī)中按照AD9912芯片的頻率控制寄存器配置編程，計(jì)算出相應(yīng)的頻率調(diào)節(jié)字，由MSP430處理后經(jīng)送入AD9912芯片中，合成系統(tǒng)所需的頻率，實(shí)現(xiàn)AD9912的編程頻率控制。上位機(jī)軟件控制程序采用C語言來編寫。為提高調(diào)試效率，本系統(tǒng)采用了極精簡的程序來控制AD9912芯片。

3．1 主程序分析
    上位機(jī)程序運(yùn)行時(shí)，首先對(duì)MSP430單片機(jī)進(jìn)行初始化。
     選擇MSP430的P3.4～P3．7端口作為AD9912芯片的控制端口。通過編程選擇并定義P3．4～P3．7端口為輸出端口，以實(shí)現(xiàn)對(duì)AD9912芯片的軟件編程控制。通過DDS_load()語句加載頻率控制字并由配置端口對(duì)AD9912芯片進(jìn)行操作。主程序部分代碼如下：
    
3．2 頻率控制字的加載程序分析
    由上位機(jī)通過DDS_load()子程序向AD9912芯片寫入頻率控制字以控制頻率合成模塊合成所需的設(shè)計(jì)頻率，進(jìn)而靈活地獲得相應(yīng)UHF頻段鏡像頻率。DDS_load()程序部分代碼如下：
    
    計(jì)算出頻率控制字后，即可通過SPI_TX_FTW_BYTE()完成對(duì)相應(yīng)頻率控制字寄存器的尋址賦值，SPI_TX_FTW_BYTE()程序部分代碼如下所示：
    

4 結(jié)果分析
    AD9912最終輸出的窄帶信號(hào)測試頻譜結(jié)果如圖5所示。

    圖中可以清楚的看到1 500 MHz的信號(hào)譜線，其幅度約為-25 dBm，無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)約為-45 dBc。由于頻譜主要能量集中在設(shè)計(jì)頻率上，且在頻率合成模塊后再加入基于GA1500T20A的窄帶濾波模塊還會(huì)帶來3 dB的插入損耗，導(dǎo)致最后合成的UHF信號(hào)幅值較低，可以通過加入放大器來提高其幅值。

5 結(jié)束語
    本設(shè)計(jì)最終成功的獲得了1 500 MHz信號(hào)，驗(yàn)證了利用DDS器件的鏡像頻率合成超奈奎斯特頻率信號(hào)的可行性。這樣的頻率合成方法，不僅具有DDS的合成信號(hào)分辨率高、控制靈活、可編程及任意波形輸出的特點(diǎn)，還具有輸出頻率高、相位噪聲小等優(yōu)點(diǎn)。只需采用100 MHz恒溫晶振在本硬件系統(tǒng)前端進(jìn)行一次10倍頻獲得參考頻率，即可合成低相噪，高雜散抑制的UHF信號(hào)。相比于多級(jí)倍頻電路來說，這樣的頻率合成方法不僅更加靈活方便，更避免了多級(jí)電路引入的雜散。