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摘要 基于直接数字频率合成技术DDS的原理，分析了影响DDS频率输出的核心因素。在此基础上仿真验证了相位累加器的位数对DDS频率输出的作用。介绍了一种DDS芯片AD9852并基于这种芯片提出了一种雷达回波模拟器的设计，并分析了DDS芯片的优缺点。该设计能够稳定地产生70 MHz载频的雷达回波，较好地模拟出所需回波。
关键词 DDS;相位累加器;AD9852
直接数字频率合成技术(DDS)是继直接频率合成技术和锁相环式频率合成技术之后的第三代频率合成技术，它的原理是在采样频率一定的条件下，通过控制两次连续采样之间的相位增量来改变所得的离散序列频率，然后经保持和滤波，唯一回复出该频率的模拟信号。与其他频率合成方法相比，直接数字频率合成器具有频率街边速度快、频率分辨率高、输出相位连续、可编程和全数字化、便于集成等优点。本文在分析了DDS的基本原理的基础上，提出了一种基于DDS芯片AD9852的雷达回波模拟器的设计。
1 DDS原理
1.1 DDS的基本原理
DDS的工作原理是基于相位与幅度的对应关系，通过改变频率控制字K来改变相位累加器(位数为N)的相位累加速度，然后在固定时钟的控制下取样，取样得到的相位值(取相位累加器的高M位)通过相位幅度(ROM查询表法，即在ROM中存放不同相位对应的幅度序列，然后相位累加器的输出对其寻址)。转换得到相位值对应的幅度序列，幅度序列通过数模转换及低通滤波得到余弦波输出。DDS原理如图1所示。
基于DDS芯片AD9852的雷达回波模拟器设计
DDS的核心是相位累加器，它由一个N位相位加法器和一个N位相位寄存器组成。每生成一个时钟脉冲(频率为fc)，加法器将频率控制字K与寄存器输出的数组相加，把相加的结果送到寄存器的数据输出端。寄存器将加法器在上一个时钟脉冲作用后产生的相位数据反馈到加法器的输入端，以使加法器在下一个时钟脉冲的作用下继续与频率控制字相加。这样，相位累加器在时钟脉冲的作用下，不断对频率控制字进行线性相位累加，当相位累加器产生一次溢出时，则完成了一次周期性操作，这就是DDS合成信号的周期，溢出频率是DDS的输出频率f0。输出频率f0与时钟频率fc、频率控制字K以及相位累加器位数的公式为
基于DDS芯片AD9852的雷达回波模拟器设计
通过改变频率控制字K，就可改变输出频率的值。由奈奎斯特采样定理可知，DDS的最大输出频率为
fmax=fc/2 (2)
输出信号频率的分辨率即最低的合成频率为
基于DDS芯片AD9852的雷达回波模拟器设计
1.2 DDS的功能仿真
通过DDS的原理可知，实际运用中，输出频率f0、时钟频率fc以及相位累加器位数N均已知，则频率控制字K为
基于DDS芯片AD9852的雷达回波模拟器设计
通过Matlab对DDS进行功能仿真，在相同的输出频率f0和时钟频率fc下，改变相位累加器的位数N，则频率控制字K也改变，比较最后经过DDS仿真的输出频率f0。分别设置输出频率为700 Hz，时钟频率为10 kHz，相位累加器的位数分别设置为N=7和N=17，最后实际的输出频率如图2和图3所示。
基于DDS芯片AD9852的雷达回波模拟器设计
基于DDS芯片AD9852的雷达回波模拟器设计
由图2和图3比较可知，因相位累加器位数的不同，频率控制字K也不同，DDS输出的频率就不同。相位累加器的位数N=7时，实际输出的频率只有626 Hz，距离预期输出频率700 Hz相差较大;而当N=17时，实际输出的频率为701 Hz，接近理想的输出频率700 Hz。因此可知，在相同的采样频率和预期的输出频率下，相位累加器的位数N决定了实际的输出频率。即相位累加器位数N越大，实际输出频率越接近预期输出频率。
2 AD9852芯片
AD9852数字合成器是一种高集成设备，它采用先进的DDS技术，配上高速、高性能的D/A转换器来实现数字化可编程的合成器功能。当接入精确时钟源时，AD9852能产生一种高稳定度的，频率-相位-幅度-可编程的余弦波，这种波可用于通信、雷达中作为灵活的本振信号以及其他多种用途。AD9852的改进型-高速DDS芯片可提供48位频率分辨率。截断到17位的相位确保能产生优质的SFDR.AD9852电路结构，允许输出信号的频率达150 MHz，这使其数字上能以每秒100 MHz的速率调谐成新的频率。
如图4所示，AD9852内部包括一个具有48位相位累加器、一个可编程时钟倍频器、一个反sinc滤波器、两个12位300 MHz DAC，一个高速模拟比较器以及接口逻辑电路。其主要性能特点如下：(1)300 MHz的系统时钟。(2)能输出一般调制信号，FSK，BPSK，PSK，CHIRP和AM等。(3)100 MHz时具有80 dB的信噪比。(4)内部有4～20倍的可编程时钟倍频器。(5)两个48位频率控制字寄存器，能够实现较高的频率分辨率。(6)两个14位相位偏置寄存器，提供初始相位设置。(7)带有100 MHz的8位并行数据传输口或10 MHz的串行数据传输口。
基于DDS芯片AD9852的雷达回波模拟器设计
AD9852有40个程序寄存器，对AD9852的控制就是对这些程序寄存器写数据实现的。通过并行总线将数据写入程序寄存器时，实际只是暂存在I/O缓冲区中，只有提供更新信号，这些数据才会更新到程序寄存器。AD9852提供内部更新和外部更新两种更新方式。内部更新通过更新时钟计数器完成，当计数器计自减为零后会产生一个内部更新信号;外部更新需要在外部更新管脚上给予一个高电平脉冲。默认的更新模式为内部更新，可以通过设置控制寄存器0x1F的0位进行修改。
3 系统设计
3.1 系统组成
基于DDS芯片AD9852的雷达回波模拟器设计
3.2 工作原理
如图5所示，17.5 MHz基准信号经直接数字频率合成器(DDS，采用AD9852)输出70 MHz+fd的目标回波模拟信号，输出经脉冲调制器(采用MINI公司RSW-2-25P)形成目标回波信号St(t)。控制DSP通过总线(BUS)设置回波信号的迟延和DDS输出信号的多普勒频率。
迟延电路组成如图6所示。XTT=1时电路正常工作，距离同步基准信号R0的前沿使触发器DFF翻转，输出高电平信号令12位计数器退出清零状态开始对17 MHz时钟计数。计数值的高10位(T0-9)与10位迟延时间锁存器的值DE0-9进行比较，二者相等时输出宽度为0.228 6μs的负脉冲PUL。计数器的进位信号RCO经反相后使触发器复位。译码器对输入的A6、A7、CS、WR信号译码，产生锁存器的数据锁存信号W0、W1。XTT信号为0时，电路关闭，无PUL信号输出。HOLD供AD9852使用，同时对数据总线信号D0-7、WR、RD进行驱动后供AD9852使用。
基于DDS芯片AD9852的雷达回波模拟器设计
3.3 系统参数
距离迟延范围为0.23～233.8μs;fd频率范围：+400 kHz;频率分辨为<5 Hz;衰减控制范围为>70 dB。
3.4 DDS芯片的优缺点
DDS芯片的优点主要体现在：输出频率相对、带宽较宽频率转换时间短、频率分辨率极高、相位变化连续等。输出频率带宽为采样频率的50%。DDS是一个开环系统，无任何反馈环节，这使得DDS的频率转换时间极短。若时钟的频率不变，DDS的频率分辨率就是由相位累加器的位数N决定。只要增加相位累加器的位数N即可获得任意小的频率分辨率。改变DDS输出频率，实际上改变的每一个时钟周期的相位增量，相位函数的曲线是连续的，只是在改变频率的瞬间其频率发生了突变，因而保持了信号相位的连续性。
另外，只要在DDS的波形存储器存放不同波形数据，就可以实现各种波形输出，如三角波、锯齿波和矩形波甚至是任意的波形。由于DDS中几乎所有部件都属于数字电路，易于集成、功耗低、体积小、重量轻、可靠性高，且易于程控，使用灵活，因此性价比较高。
DDS芯片存在的缺陷，主要表现在输出频带范围有限、输出杂散大。
由于DDS内部数模转换器(DAC)和波形存储器(ROM)的工作速度限制，使得DDS输出的最高频有限。由于DDS采用全数字结构，不可避免地引入了杂散。其来源主要有3个：相位累加器相位舍位误差造成的杂散;幅度量化误差造成的杂散和DAC非理想特性造成的杂散。
4 结束语
在DDS原理的基础上，提出了一种基于DDS芯片的雷达回波模拟器设计。该设计在实际运用中能够稳定地产生所需要的回波。而且，由于DDS芯片所具有的优点，使得其简单方便易于操作。随着低价格、高时钟频率、高性能的新一代DDS芯片问世，它将在更新领域得到更广泛的应用。 |
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