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基于DDS射频宽带电台频率合成模块的设计与实现.pdf

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上传者: xl46512 2012-05-08 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《基于DDS射频宽带电台频率合成模块的设计与实现pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含哈尔滨工程大学硕士学位论文基于DDS射频宽带电台频率合成模块的设计与实现姓名:刘丽佳申请学位级别:硕士专业:通信与信息系统指导教师:和应民哈尔滨工程符等。

哈尔滨工程大学硕士学位论文基于DDS射频宽带电台频率合成模块的设计与实现姓名:刘丽佳申请学位级别:硕士专业:通信与信息系统指导教师:和应民哈尔滨工程大学硕士学位论文摘要直接数字频率合成器(DDS)实现了全数字结构在通信、雷达、电子对抗等多个方面得到广泛应用。该文结合某部国防研究所实际工程对基于DDS的射频宽带电台频率合成器进行了研究与设计。根据对几种频率合成方案的分析比较利用PLL做本单元所需系统时钟用DDS提供电台接收及发射模块所需频率实现高速数据电台频段覆盖宽、换频时间短、杂散小等目标。同时解决了频率合成器频率分辨率和换频速率相互制约、DDS频率上限不够等问题。杂散性能较差是目前直接数字频率合成技术的应用受到限制的主要原因因此本文在系统地论述了DDS的结构、工作原理的同时对杂散的抑制方法也进行了简单的介绍。本文在对AD详细分析的基础上设计了一种用于通用高速数据传输电台的频率合成器该设计成本较低电路较简单。通过对DDS实际频谱曲线的分析发现产生了在理论分析中相位截断误差及幅度量化误差产生的杂散之外的其它杂散来源特别是时钟泄露与输出信号及它的谐波的差拍产生的杂散。关键词:频率合成DDS杂散哈尔滨工程大学硕士学位论文ABSTRACTDDSsynthesizesfrequenciesachievesawhollydigitalstructureandhasbeenwidelyappliedinmanyfieldssuchascommunicationradarandelectroniccountersystems.ThispapermakesadesignonawidebandfrequencysynthesizerbasedonDDScombined谢tthebackgroundofNationalDefenseTechnologypracticalengineering.BasedontheanalysisofsomemethodsofthefrequencysynthesizerPLLisusedasthesystemclock,andtheDDSofferthefrequenciesforthemoduleofreceiverandsender.TheapplicationofsuchasynthesizerusedintheGeneralRadiowithHighSpeedTransferprovidesthewidebandfrequencytheshorttimeoffrequencyagileandthelittlespurs.TheDDSsynthesizernotonlysolvesthequestionsaboutbetweenthefrequencyresolutionandtherateoffrequencychangebutalsoachieveshi曲frequency.ThebadspuriousperformanceisthemajorproblemthatrestrictstheapplicationsofDDSSOthebasicstructureandtheprinciplesofDDSandsomemethodstorestrainthespursareproposed.OnthebasisoftheanalysisoftheADthepaperdiscussesafrequencysynthesizerthatisusedintheGeneralRadioforHighSpeedDataTransfer.Thedesignoffersthelowestcostandasimplecircuit.BasedonthespectrumanalysisexceptforsomespurioussourcesbecauseofphasetnmcationandamplitudetruncationintheoreticalanalysisspurscomefromtheDDSandthebeatfrequencyoftheoutputsignalitsharmonicsandclockleakage.Keywords:FrequencySynthesisDDSspurs哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明:本论文的所有工作是在导师的指导下由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。ID作者(签字)弼、/I匆叫乞日期:卅年马月/凋|哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文.可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文虢授予学位后即可口在授予学位个月后口解密后)由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者(签字)』动叫矽缈导师(签字):tq咆沁日期:》舯年月日加彳年月f日l/哈尔滨工程大学硕士学位论文第章绪论随着无线电事业的发展要求信号的频率越来越稳定和准确一般振荡器不能满足要求于是出现了晶体振荡器等高稳定的标准信号产生器。它们的频率标准往往都是单一频率(或只能在一极小范围内微调频率)的。然而许多无线电设备却需要在一个很宽的频段范围内为其提供极多的频率点而每个频率点又都需要具有晶体振荡器频率标准的稳定性。为解决既要频率稳定准确又要频率在大范围内可变这样一对矛盾就产生了频率合成技术。频率合成技术是无线电电子学的主要组成部分它在无线电技术的各个领域中都得到广泛地应用。例如在通信、雷达、导航、电子侦察、干扰和抗干扰、宇宙航行、卫星通信、遥测遥控广播、电视及现代测量仪器仪表中都有应用。随着各种新型频率合成器和频率合成方案的不断涌现频率合成理论研究的不断深入至今频率合成技术从理论到实践已达到比较成熟和比较完善的阶段。已逐渐发展成为一门新兴的独立的技术学科。.频率合成技术将一个(或多个)基准频率变换为另一个(或多个)所需频率的技术称为“频率合成技术"任何一个“频率合成"过程都包括产生“所需频率"和选取“所需频率”的两步过程选取“所需频率"又可分为两种方法:’一种是用滤波器直接滤除不需要频谱成分选取“所需频率”成分的方法另一种是用锁相环组成有源滤波器选取“所需频率"成分的方法。由定义知一般基准频率是非常精确的而合成频率在一定范围内可选择即合成频率和参考频率满足式(.):.疋N(一)艿玎哈尔滨工程大学硕士学位论文式中N和M为整数。由上式可见只要Z一定无论什么频率信号均能合厩。例如把一个基准的MHz的频率变换成一个.MHz的所需信号可有下述各种方法:().=(xlo)()(击)l‘而)(志)().=()一‘而)一‘而)().=(熹而)从上述举例中可以看出无论采取什么方法都离不开对频率的加、减、乘、除运算频率四则运算的常用实现方法如下:)频率加减法如图.所示。)频率乘法如图.所示。图.频率加减法^岖一确(非线性电路)(脉冲形成)nl~^^哈尔滨工程大学硕士学位论文)频率除法如图.所示。(各种倍频器)图.频率乘法nl、r一)托图.频率除法事实上完成加、减、乘、除的实际装置不能满足一切情况而且应高度重视合成信号的质量。这里特别要注意的是上述运算只是对“频率”而言的而不是对任何其他的量通过上述运算法则对频率进行变换的技术就是频率合成技术。综上频率合成的任务有两条:一条是产生所需的频率另一条是获取纯净的信号也就达到频率合成的目的。.频率合成的分类..直接式频率合成直接式频率合成采用频率加、减、乘、除的运算方法以及滤波、放大等处理直接合成出所需频率。例如由参考晶振MHz产生.MHz的频率。产生过程如图.所示。哈尔滨工程大学硕士学位论文品体A田王zOlS聂他分叛l.ItO.舭o.刘田匕I混须滤波fI........................J.e^l丑k图..MIIz的频率产生过程直接式频率合成的输出信号有相干和非相干两种可达微秒、亚微秒级的频率切换速度是直接式频率合成技术的主要特色相噪低也是它的优点。但直接式频率合成器电路结构复杂体积大成本较高研制调试一般比较困难。由于采用了大量的混频滤波电路直接式频综很难抑制因非线性而引入的杂波干扰因而难以达到较高的杂波抑制度。..间接式频率合成间接式频率合成采用其他方法间接产生所需的频率其中最常见的为锁相环频率合成。锁相环路是由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)三个基本部件构成的闭合环路。锁相环组成如图.所示。喾五~~一酱l尹~一O一OO鲎l~一l哈尔滨工程大学硕士学位论文v(f)miD,,q图.锁相环组成各部分的作用:PD比较两路输入相位产生误差电压LF低通滤波产生控制电压VCo一产生瞬时输出频率。锁相环路在某一因素作用下利用输入与输出信号的相位差吮(f)产生误差电压并滤除其中非线性成分与噪声输出纯净控制信号vat)控制压控振荡器使允(f)朝着缩小固有角频差方向变化当吮(f)趋向一个常数统(o。)(称为剩余相位差)时则锁相环路锁定这时满足式():织=哆或丘=Z()环路锁定的充分必要条件见式(.):吮(f)=统()纯=哆(或fo=Z)()环路锁定过程中绣从z周期的变化若干周期后使唬(f)=唬(oD)则环路被锁定。锁相环锁定如图.所示。雨WⅪ一一一姒二(未锁定)弧腻。弧.翌M蚴一图.锁相环未锁定与锁定(锁定)鼍蛳翔援哈尔滨工程大学硕士学位论文锁相环路具有以下几个重要特性:.环路锁定后没有剩余频差:.跟踪特性:.滤波特性。锁相环通过环路滤波器的作用具有窄带滤波特性能够将混进输入信号中的噪声和杂散干扰滤除。锁相环频率合成器的几种典型形式:.基本单环频率合成器其结构如图.所示。图.基本单环频率合成器各物理量满足如下关系见式(){o=埘i。鹭o={t().下变频型单环频率合成器其结构如图.所示。图.下变频型单环频率合成器各物理量满足的关系见式():无=坝以Z=尤一Nf,Afo=Z(.).多环频率合成器其结构如图.所示。哈尔滨工程大学硕士学位论文图.多环频率合成器伽(鲁%)zfo=if,().环路后分频型频率合成器如图.所示。聊图.环路后分频型频率合成器各物理量满足的关系见式():埘=fi心mm小数分频频率合成器其结构图如图.所示。图.小数分频频率合成器哈尔滨工程大学硕士学位论文各物理量满足的关系见式():fo=N.dZ(.)Ⅳ:分频比的整数部分d:分频比的小数部分。相位补偿:根据不同方法在不同的环路部位进行。小数分频方法:例:N.d=.次分频次分频。共进入xx=个脉冲输出个脉冲。平均分频比为=.PLL频率合成利用了相位反馈控制原理来稳频。对频率切换速度要求不高但对相噪杂散有较高要求时PLL频率合成有特殊的优势。PLL式频综输出的频率分辨率越高时其频率切换速度就越慢如果要提高切换速度就必须牺牲分辨率这是PLL的工作机理所致无法通过性能优化来解决所以在选择锁相式频率合成时除了考虑频谱纯度外还要考查其它性能是否满足要求。。.直接数字频率合成直接数字频率合成(DirectDigitalFrequencySynthesizer)简称DDS。直接数字频率合成主要由相位增量寄存器、相位累加器、正弦表、数模转换器组成组成方式如图.所示。tn图.DDS的组成哈尔滨工程大学硕士学位论文DDS的全数字结构给频率合成领域注入了新的活力但也正是全数字结构使DDS有两点不足:输出带宽较窄和杂散抑制较差。由于受数字器件工作速度的限制特别是数/模转换器DAC的限制使得DDS工作的时钟频率较低输出带宽窄很难直接应用于微波频段。杂散是DDS本身所固有的缺点且随着输出带宽的扩展杂散将越来越明显地成为限制DDS发展的重要因素。随着电子技术的发展各类电子系统对信号源的要求越来越高需要同时满足低相噪快捷变频、高频率分辨率、宽带、小体积、低功耗等指标。..几种频率合成技术的比较表.几种频率合成技术的比较分类\性能比较优点缺点直接频率合成换频时间快电路结构复杂体积大成本高互调杂散较多PLL电路结构较简单成本低换频时间较慢输出频谱好电路简单频率精度高换输出杂散较大最高输出频DDS频速度快率受耐奎斯特带宽限制.频率合成技术的发展频率合成技术是现代通讯电子系统实现高性能指标的关键技术之一很多电子设备的功能实现都直接依赖于所用频率合成器的性能因此人们常将频率合成器喻为众多电子系统的心脏”而频率合成理论也因此在二十世纪得到了飞跃的发展。频率合成技术起源于二十世纪年代至今已有六十多年的历史。早期的频率合成器是由一组晶体组成的晶体振荡器哈尔滨工程大学硕士学位论文要输出多少个频率点就需要多少个晶体。频率的切换由人工来完成频率的准确度和稳定度主要由晶体来决定很少与电路有关。后来这种合成方法被非相干合成的方法所代替。非相干合成法虽然也使用了晶体但它的工作方式是以少量的晶体产生许多频率。与早期的合成方式相比成本降低了而稳定性提高了。但是研制由多块开关晶体所组成的晶体振荡器是一个非常复杂的任务而且成本高、不经济所以后来科学家又提出了相干合成法。相干合成法是由一个准确度和稳定度达到要求的参考源产生许多频率的方法。它与非相干合成法的主要区别就是在频率合成的过程中所使用的频率源的个数不同。非相干合成法用了许多晶体振荡器而相干合成只使用了一个参考频率源因此在相干合成装置中输出频率的稳定度和准确度与参考源相同。最早的相干合成法是直接频率合成(DirectFrequencySynthesis)。直接频率合成是利用混频、倍频、分频的方法由参考源频率经加、减、乘、除运算直接组合出所要求的频率的频率合成方法不过直接合成也可以用多个基准源通过上述方式得到所需的频率。这种方法由于频率捷变速度快相噪低使之在频率合成领域占有重要地位但因直接式频率合成器杂散多体积大研究复杂成本及功耗也令人不可接受故该方案已基本被淘汰。在直接频率合成之后出现了间接频率合成(IndirectFrequencySynthesis)。间接频率合成包括模拟间接频率合成(注入锁相模拟环路锁相取样锁相)、锁频环频率合成、数字锁相频率合成(这种方法主要是将相位反馈理论和锁相技术运用于频率合成领域)它的主要代表是锁相环PLL(Phase.LockedLoop)频率合成被称为第二代频率合成技术。现在最常用的结构是数模混合的锁相环即数字鉴相器、分频器、模拟环路滤波和压控振荡器的组成方式因具有相噪低杂散抑制好输出频率高价格便宜等优点至今仍在频率合成领域占有重要地位。目前已有许多性能优良的单片PLL频率合成器面市典型的有Motorola公司的MClQualcornm公司的QNationalSemiconductor的LMX、LMX、哈尔滨工程大学硕士学位论文LMX这极大地推动了PLL频率合成方式的应用。众所周知传统的锁相环频率合成器每当可编程分频器分频比改变时所得到的输出频率的改变量即为参考频率.无为提高频率分辨率就必须减小参考频率.£结果就使换频时间加大因此频谱纯度换频速度以及频率间隔是相互矛盾的为了解决这对矛盾年DANA实验室有限公司发明一种利用单环频率合成器来减小频率间隔的新方法叫、数分频。这种新颖独特的单环小数分频频率合成器一经问世就受到各方面的关注和青睐大有取代传统的多环结构合成器的趋势是一种有效的新颖频率合成器。随着数字信号理论和超大规模集成电路VLSI的发展在频率合成领域诞生了一种革命性的技术那就是七十年代出现的直接数字频率合成DDS(DirectDigitalfrequencySynthesis)它的出现标志着频率合成技术迈进了第三代。年月J.Tierncy和c.M.Tader等人首先提出了DDS的概念利用数字方式累加相位再以相位之和作为地址来查询正弦函数表得到正弦波幅度的离散数字序列最后经D/A变换得到模拟正弦波输出。DDS由于具有极高的频率分辨率极快的变频速度变频相位连续相噪较低易于功能扩展和全数字化便于集成等优点因此在短短的二十多年里得到了飞速的发展和广泛的应用。由于DDS的诸多优点使得它在各个领域得到了广泛的应用开发出适合特殊性能要求的DDS芯片就成为DDS技术的一个发展方向。DDS不但可以用来在雷达领域实现多点或线性调频频率源还可以用在数字调制方面实现FSKQPSKPSK等的调制在扩频通信方面实现CDMA/FH工作方式及任意规律的跳频模式等。所以研究DDS在各个领域的应用是一个非常有意义和前途的课题有巨大的经济效益和社会效益。.作者所做的工作)简要地回顾了频率合成技术的三种基本技术及其各自的特点)系统地分析了DDS的基本工作原理、特点、DDS噪声和DDS杂散哈尔滨丁程大学硕士学位论文信号并指出了DDS技术的应用)根据指标的要求提出了一种基于DDS的频率合成器的设计方案并实现其在射频宽带电台中的应用最后对所设计出的频率合成器的输出信号进行了一些分析。哈尔滨工程大学硕士学位论文第章直接数字频率合成技术随着现代无线通信事业的发展移动通信、雷达、制导武器和电子对抗等系统对频率合成器提出越来越高的要求。低相噪、高频谱纯度和高速跳变的频率合成器一直是频率合成技术发展的主要目标DDS技术的发展将有力地推动这一目标的实现。.直接数字频率合成技术概述随着高速大规模集成电路技术的发展近年出现了直接数字合成技术。DDS作为新一代数字频率合成技术发展迅速并显示了很大的优越性已经在军事和民用领域得到了广泛应用例如在雷达领域的捷变频雷达、有源相控阵雷达、低截获概率雷达通信领域的跳频通信、扩频通信电子对抗领域的干扰和反干扰仪器仪表领域的各种合成信号医学领域等方面。用DDS技术产生线性调频信号和非U线形调频信号及其他复杂波形信号的技术日益受到重视并得到广泛的应用。目前DDS的时钟频率已高达MHz以上可编程输出DC~尬间的任意频率的信号。用直接数字频率合成技术能综合出各种信号波形通过数控电路能对DDS输出波形的频率、幅度、相位实行精确的控制。DDS是一个可编程的芯片只要改变写入DDS的控制数据全部硬件和软件不需要改变就可改变现行调频脉冲和非线性调频脉冲的宽度和调频带宽当然也可以产生其他需要的波形信号。直接数字频率合成技术的飞速发展为线性调频信号产生开辟了一个新的天地使系统的指标可以进一步提高。DDS精细的频率分辨率、极快的频率切换时间、输出相位连续、调频线性度好等特点在线性调频信号源的设计中得到充分展现。可以这么说使用DDS产生线性调频信号是技术发展的必然趋势。用直接数字频率合成技术能综合出各种信号波形通过哈尔滨工程大学硕士学位论文数控电路只需修改软件中的部分参数就能对DDS输出信号的频率、幅度、相位进行精确的控制而不需改动任何硬件。.直接数字频率合成器的基本工作原理在时钟作用下周期增加相位读出正弦表中的正弦幅度值经数模转换器转换成模拟波形。图.DDS结构图)相位增量寄存器:寄存每次时钟作用下的相位增加量实现频率的控制。相位增量也叫频率控制字。)相位累加器:在时钟的作用下进行相位累加。)正弦表:进行波形的相位一幅度转换。输入端n位地址把。~。的正弦角度离散成具有n个样值的序列n个样值的幅值量化为D位二进制数据送输出端。)数模转换器:把已经合成的正弦波的数字量转换成模拟量。如图.所示:S‘nm图.数模转换)滤波器:滤除数模输出阶梯正弦波中的高频成分将其变成光滑的正弦波。如图.所示哈尔滨工程大学硕士学位论文sh(t)厂、V铀啡l。V。图.阶梯正弦波变成光滑的正弦波工作原理:相位累加器类似于一个简单计数器在每个时钟脉冲输入时它的输出就增加一个步长的相位增量值。相位累加器把频率控制字FSW的数据变成相位抽样来确定输出频率的大小。相位增量的大小随外部指令FSW的不同而不同一旦给定了相位增量输出频率也就确定了。当用这样的数据寻址时正弦查表就把存储在相位累加器中的抽样值转化成正弦波幅度的数字量函数。D/A变换把数字量变成模拟量低通滤波器进一步平滑并滤掉带外杂散得到所需的波形。其中厶为标准参考频率源一般是一个高稳定的晶体振荡器其输出信号用于DDS中各部件同步工作。当频率合成器正常工作时在标准频率参考源的控制下(频率控制字N决定了相应得相位增量)相位累加器满量程时就会产生一次溢出从而完成一个周期性的动作这个动作周期即是DDS合成信号的一个频率周期。于是输出信号波形的频率及频率分辨率可以表示如式(.):ff厶=疋告厶。=焉()厶为输出信号频率厶为输出信号分辨率K为频率控制字N为相位累加器字长五为标准参考频率源工作频率。改变输出信号频率的方法如下:)改变查表时钟的频率)改变相位增量设相位累加器的位数Ⅳ查表时钟的频率为厶。若累加器以为步进哈尔滨工程大学硕士学位论文累加直至溢出则形成输出信号一个周期其频率见式(.)工=争若以M为步进产生的信号频率见式(.)z=M争厶=季。~正/()()频率控制字与输出信号频率和参考时钟频率之间的关系见式(.):M:掣O<M<u()Jc像其中Ⅳ是相位累加器的字长。由取样定理输出信号频率不能超过时钟频率的一半。在实际运用中为保证信号的输出质量输出频率不要高于时钟频率的%以避免混叠或谐波落入有用输出频带内。DDS的输出频率见式():无=M静(.)。。s的最小分辨率见式(.):锐min=歹厶(.)。。s的最高合成频率见式(.):z一=虿厶().DDS频率合成器的特点由于DDS采用了不同于传统频率合成方法的全数字结构因而具有许多直接式频率合成技术和间接式频率合成技术难以实现的特点。DDS频率合成技术的特点主要如下:)极高的频率分辨率哈尔滨工程大学硕士学位论文这是DDS最主要的优点之一由式厶=K等可知当参考时钟频二率确定以后DDS的频率分辨率由相位累加器的字长N决定。理论上讲只要相位累加器的字长N足够大就可以得到足够高的频率分辨率。当K=I时DDS产生的最低频率称为频率分辨率见式(.):厶。=鲁()以AD为例在MHz的时钟下位的频率控制自可使AD的输出频率分辨率达O.Hz这是传统频率合成技术所难以实现的。)输出频率相对带宽很宽DDS的输出频率下限对应于频率控制字K=时的情况fo讲=OHz即可输出直流。根据Nyquist定理从理论上讲DDS的输出频率的上限应为冬但由于低通滤波器的非理想过渡特性及高端信号频谱恶化的限制工二程上可实现的DDS输出频率上限一般如式():厂衄=等()因此可得到DDS的输出频率范围一般是。一Z/这样的相对带宽是传统频率合成技术所无法实现的。)极短的频率转化时间这是DDS的又一个主要优点由图可知DDS是一个开环系统无反馈环节。这样的结构决定了DDS的频率转换时间是频率控制字的传输时间和低通滤波器为主的器件频率响应时间之和。在高速DDS系统中由于采用了流水线结构其频率控制字的传输时间等于流水线与时钟周期的乘积低通滤波器的频率响应时间随截止频率的提高而缩短因此高速DDS系统的频率转换时间极短一般可达纳秒量级。哈尔滨工程大学硕士学位论文)频率捷变时的相位连续性从DDS的工作原理中可以看出当改变其输出频率时是通过改变频率控制字K实现的实际上改变信号的相位增长速率而输出信号的相位本身是连续的这就是DDS频率捷变时的相位连续性。在许多应用系统中如跳频通信系统都需要在捷变频过程中保证信号相位的连续以避免相位信息的丢失和出现离散频率分量。传统的频率合成技术做不到这一点。)数字调制功能由于DDS采用全数字结构本身又是一个相位控制系统因此可以在DDS设计中方便地加上数字调频、调相以及调幅功能以产生ASK、FSK、PSK、MSK等多种信号。)工作频带的限制这是DDS的主要缺点之一是其应用受到限制的主要因素。根据DDS的结构原理DDS的工作频率显然受到器件速度的限制主要是指ROM和DAC的速度的限制。目前DDS的最高输出频率为GHz左右随着微电子技术的发展以后会有更高速度的DDS器件。)相位噪声性能DDS的相位噪声主要由参考时钟信号的相噪、参考时钟的频率和输出频率之比的关系和器件本身的噪声基底决定。从理论上讲输出信号的相位噪声会对参考时钟的相位噪声有(f。/fo哪)dB的改善。但在实际工程中必须要考虑包括相位累加器、ROM和DAC等在内的各部件噪声性能的影响。)杂散抑制差由于DDS一般采用了相位截断技术它的直接后果是给DDS的输出信号引入了杂散。同时波形存储器的波形幅度量化所引起的有限长效应和DAC的非理想特性也都对DDS的杂散抑制性能产生很大的影响。杂散抑制较差是DDS的又一缺点。另外集成化、体积小、价格低、便于程控也是DDS的特点。哈尔滨工程大学硕士学位论文.DOS频率合成器的信号质量如图.为DDS频率合成器的输出信号。个少z他工拿Z图.DDS频率合成器的输出信号第一个镜像频率分量最靠近信号频率且幅度最大。镜像频率分量一dBc其他各种杂散分量分布在很宽的频带上其幅值远小于镜像频率分量。。DOS频率合成器的设计)与频率覆盖范围指标相关的因素采样时钟:最高输出频率为采样时钟的一半。考虑频谱的质量一般输出频率不要高于时钟频率的%。输出频率的最d,N隔见式(一):蜕m血=嘉厶())与频率准确度、频率稳定度指标相关的因素采样时钟:输出频率的相对准确度、稳定度与采样时钟源相同。选用相位噪声指标高的频率源可降低带内噪声和宽带噪声。.提高采样时钟频率可使镜像频率分量较高远离低通滤波器的带宽。哈尔滨工程大学硕士学位论文.提高采样时钟频率可降低相位累加器截断造成的杂波。.提高采样时钟频率可使数模转换量化噪声的能量分散到更宽的频带从而提高信号频带内的信噪比。)与频谱质量指标相关的因素.相位位宽:增大相位增量和有效相位位宽可降低输出杂散噪声。(每增加一位相位位宽杂散电平约降低dB。).输出滤波器:良好的输出滤波器可滤除输出谐波、远端杂散和底部噪声。.数模转换器的字宽:增大数模转换器的字宽可降低输出杂散噪声分量。满量程时对信号的信噪比影响可近似表示如式(.):S/N=.B.dB()(B为D/A的字宽。对于位的D/A信噪比可达dB以上。位数增加一位杂散电平降低dB。).数模转换器的线性度:数模转换器的非线性会产生新的频率杂散成份。.数模转换器的输出幅度:在线性范围内提高数模转换器的输出幅度可提高信噪比。.DDS技术的发展趋势目前DDS时钟频率可达到GHz以上但由于受到高速D/A的非理想特性(尤其动态特性)等的影响其输出频率纯度比较低无法满足高性能频率合成器的需要。输出带宽窄和杂散抑制差一直是限制DDS发展的主要因素故研制高工作时钟频率和优良杂散性能的DDS芯片成为DDS技术的另一个发展方向。采用GaAs技术输出频率可以在MHz以上但是输出带宽的逐步克服并没有解决杂散的问题通常只能达到一~.dB。而一般的CMOS工艺的DDS芯片可达到.~dB但输出的频率又不高当采用倍频或变频提高其工作频率时又会使杂散恶化。因此如何抑制杂散仍然是高速DDS急需解决的问题。图.是Essenwanger根据近几年DDS的发展状况总结出了未来几年DDS的发展趋势。哈尔滨工程大学硕士学位论文杂散(国)"....时钟频率(QIz)图.DDS的发展趋势DDS是近几年发展起来的新型频率合成器年Tierhey等人撰写的《数字频率合成》一文中第一次提出了DDS的概念DDS的出现给频率合成技术领域补充了新鲜血液。由于DDS具有其他合成技术不具备的许多优点短短的二十多年中随着理论的不断完善和集成工艺技术的发展DDS已走向实用走向商品化各大公司在此领域投入了大量的人力物力。不断推出DDS产品Qualeomm公司相继推出QQ及Q其中Q具有两路正交输出比特外部调相功能时钟频率可分别为MHzMHz和MHz该芯片采用了专利技术来降低噪声由相位舍位引入的杂散优于dBc幅度量化信噪比优于dB时钟频率为MHz时频率分辨率可达.Hz。著名的AD公司也推出了系列DDS产品如AD和AD等。其中AD时钟频率可达MHz可串/并控制自由动态范围内杂散优于.dBc。AD称之为完整的DDS它内部包含了DAC及高速比较器可独立完成DDS的全部功能时钟频率达MHz具有比特相位调制功能采用脚超小型SSDP封装而且价格便宜输出频率为MHz时杂散优于.dBc可串/并控制STEL.为GaAs.DDS器件由美国Standford公司生产时钟频率达GHz分辨率为.Hz杂散优于.dBc跳频时间为ns:Sciteq公司推出的ADS.X系列时钟频率高达.GHz两路正交输出带宽为MHz调频时间小于ns杂散哈尔滨工程大学硕士学位论文优于.dBe相位噪声.dBcFrlzLawrenceJ.Kushner在年提出了一种新型复合式DDS结构它由一个低速高分辨率的DDS和一个高速低分辨率的相位累加器构成其中低速部分。NathalieCaglio等人在年介绍了一种时钟频率为.GHz的连续波调频(FM.CW)。GaAs.DDS它由一个双相位累加器和一个单片数模正弦转换器构成。年LOKeKunTan等人介绍了利用正弦和余弦的对称性改进存储技术使之在不增加ROM的容量下做成MHz正交输出DDS的方法。随着超高速SiGaAs器件的发展DDS输出带宽的限制正在逐渐被克服杂散则由于自身特点所决定是不可避免的所以成为限制DDS应用的主要因素许多专家都对此进行了大量的工作与研究。Tiemey等人提出了降低杂散的两种方法:即单象限正弦波形存储法和改进的查表算法Sunderland在改进的查表算法基础上建立了一种非常有效的压缩存储查表法称为Sunderland结构HenryT.NicholasⅣ等人利用这方法研制出了时钟频率为MHz的CMOS.DDS其杂散性能优于.dBc。此外还有人提出了噪声整形法以及噪声反馈的方法改善杂散性能。Q采取的噪声抑制技术则是将杂散均匀分布在整个通带内但却抬高了基底噪声还可以采用自适应算法输入伪随机码等方法抑制杂散。可以预料在今后很长一段时间内研制高时钟频率低杂散低相位噪声器件仍是DDS的发展方向。.本章小结本章首先简述了频率合成技术详细介绍了直接数字频率合成器的基本工作原理举例说明DDS频率合成器的特点然后根据分析DDS频率合成器的信号质量简单说明了频率合成器得设计最后介绍了DDS技术的发展趋势。哈尔滨工程大学硕士学位论文第章DDS技术在收发模块中的应用在现代无线电通信和雷达技术中系统灵敏度和选择性一直是设计者的难点或重点。在以前其主要限制因素是噪声指数和非线性期间。随着低噪声器件的改进动态范围的扩大和系统增益的提高这些问题已经得到了较好的解决。现在由于无线电通信和雷达技术的提高对系统性能提出了更高更严格的要求主要限制因素之一就是相位噪声更一般的说是边带噪声(即相位噪声和AM噪声的组合)。。频率合成器的应用短波通信:要求通信机能在.~MIIz频段内提供以Hz为间隔的万个频率点超短波通信:要求通信机能在~MHz频段内提供以kHz为间隔的个频率点在~MHz频段内提供以kHz为间隔的万多个频率点移动通信:要求通信机能在、、、MHz等频率附近提供上百个频率点其他领域:电子测量仪器等。.频率合成的任务频率合成的任务为获取纯净的信号。一个标准的理想的正弦信号应表示如式(.)虬(f)=uccos(wet‰)()其中振幅【、频率q和相位‰都应该是恒定不变的常数。然而任何一个时间存在的信号都不是绝对纯洁的这是频率合成电路本身决定的。例如元件噪声引起的调相噪声混频、倍频造成的旁频杂波电源的交调干扰等都会引起上述三个参数变化因此任何一个实际的正弦信号只哈尔滨T程大学硕士学位论文能表示为式():%(f)=虬a(t)coscoJfa(t)】()即信号的幅度和相位都是时间的变量其变化规律由外界影响因素来决定。一个实际的经频率合成产生的信号就是这样一个幅度和相位均有变化的信号这样的信号从频谱的角度分析除主频谱以外还有其他的成分。这些其他的频谱成分大致应包括以下三方面:.由晶体管等元件产生的噪声构成的调相噪声边频简称噪声:.由信号变换、信号干扰造成的杂散频率即杂波.信号本身的谐波。可以看出要获取一个纯净的正弦信号必须下很大的功夫滤除所需频率以外的各种频谱成分才行。对于频率合成技术来说滤除不需要的频谱成分要比产生所需要的频率成分更困难。只能让获得的信号所带有的不需要的频谱成分尽可能的小就此而言频率合成出来的信号纯度如何是衡量频率合成好坏的一项最重要的指标。从另一个角度讲信号的幅度和相位(频率)变化越小信号就越纯净。因此也可以用合成信号的稳定度来衡量频率合成信号的好坏。.频率合成器的基本技术指标)工作频率与频率范围频率合成器的工作频率就是在特定条件下频率合成器所产生稳定载频的标称频率值通常用实际测量值表示。频率范围就是频率源在满足规定的技术下的最高工作频率和最低工作频率之间的覆盖范围见式(.):鲈=厶一五(.)()也可以用相对带宽来表示如式():N=埘H一{|{H{Lxl%弋、式中厶为频率合成器的最高工作频率五为频率合成器的最低工作的频率。频率覆盖范围:频率合成器输出的最低频率工曲和最高频率Z一之间哈尔滨工程大学硕士学位论文的变化范围。)频率分辨率频率分辨率就是频率合成器的最小步进频率。在通信系统中一般要求频率分辨率为几百至几十Hz数量级而在电子对抗用的频率源中对频率分辨率的要求达到几KHz甚至几MHz。频率点数为频率合成器满足要求的工作频率点数也称为通道数。在一定的带宽内频率分辨率越高跳频点数越多。)频率转换时间频率转换时间为频率合成器从接到变频指令到其输出频率进入并稳定在标称频率中心一定范围内所需要的时间。)频率稳定度频率稳定度包括长期频率稳定度和短期频率稳定度。长期频率稳定是指在规定的外界条件下在一定的时间(年、月、日)内工作和频率的变化。频率合成器的长期频率稳定度与所选用的参考标准源的长期频率稳定度密切相关。短期稳定度是频率合成器的一项重要指标主要是指各种随机噪声造成的输出信号频率或相位的随机变化即输出信号的相位噪声。相位噪声越低表示频率的稳定度越高。)噪声(频谱纯度)信号噪声有两种类型即寄生谐波干扰和相位噪声。它表征了输出信号的频谱纯度。频谱纯度是指频率源对谐波及杂散的抑制度。所谓谐波是指与频率合成器输出信号相干关系的信号。在频谱上反映为频率合成器输出信号频率无的整数倍矾(n=...)频率处的单根谱线。谐波功率与载波功率之比称为谐波抑制度。所谓杂散是指与频率合成器的输出信号没有谐波关系的一些无用谱。在频谱上可能表现为若干对称边带也可能表现为信号五谱线旁存在的非谐波关系的离散单根谱线。这些与载波频率成非谐波关系的离散频率谱功率与载波功率之比称为杂散抑制度。相哈尔滨工程大学硕士学位论文位噪声是指在噪声作用下频率合成器输出信号的相位抖动。谐波及杂散抑制度和相位噪声越小则频谱纯度越高。)频率间隔频率合成器两个相邻输出频率之间的最小间隔。)频率准确度频率合成器输出频率偏离其标称值的程度。)频率稳定度在规定的时间间隔内频率合成器输出频率偏离标称频率相对变化的大小。)频谱纯度有用的输出频率分量与其他无用频率成份的比值。影响频谱纯度的因素主要有三种:(三者关系如图.所示。).相位噪声.杂散(寄生干扰).谐波。o一一一图.频谱与相位噪声、杂散与谐波的关系)换频时间频率合成器输出从某一个频率转换到另一个频率并达到稳定所需要的时间。哈尔滨工程大学硕士学位论文.本机振荡器相位噪声对接收机选择性的影响在各种高性能、宽动态范围的频率变换中相位噪声是一个主要的限制因素。例如现代高性能超外差通信接收机在多信号环境中第一下变频级是从强干扰信号中提取弱有用信号的关键。假如两个信号同时出现在接收机的输入端。那么所发生的情况如图.。图.(A)表示两个输入的射频(RF)信号(Z为强干扰.厶为有用信号)和本机振荡器(LO)输出的信号。显然LO信号不纯有边带频谱即边带相位噪声。l。\Lo收机干拽俐\’\.有用信号』f/f图A.图B图.LO相位噪声对接收机选择性的影响(A)RF输入和LO信号(B)下变频混频器输出信号在下变频过程中混频器把输入的两个RF信号与LO信号及其边带一起混频得到有用的中频(IF)信号和干扰的中频信号。中频选择滤波器可分离出其中的一个信号供放大、检波和基带处理。如果有用信号是一个比较大的信号那么恢复该信号就不存在什么困难如果有用信号是一个比较小的信号那么困难就产生了。因为LO信号的边带噪声会直接转换成强干扰中频信号的边带噪声并落入中频带宽内淹没了有用的中频信号如图.(B)所示。在这种情况下尽管中频滤波器可以滤除强干扰信号但对强干扰中频边带是无能为力的(这种混频过程叫做倒易混频)这时弱的有用信号的恢复就不再可能了或者说是很困难的。这种影响在高选择性f哈尔滨工程大学硕士学位论文和宽动态范围接收机中是非常明显的。关键问题在于LO信号的边带相位噪声电平决定了接收机的性能。也就是说大的LO信号边带相位噪声电平会降低接收机的选择性和动态范围。为了达到接收机最好的性能要求必须采取措施使LO信号的边带相位噪声最小。在数字通信系统中载波信号的相位噪声还要影响载波跟踪精度。例如卫星地面终端上变频器、卫星频率转发器和地面接受终端下变频器的LO信号都要对系统产生相位噪声这将直接影响数字调制系统的误码率。不但如此而且由于相位噪声引起的这些问题还将随着系统中再生状态之间载波信号源的个数的增加而增加。当然类似问题同样会出现在其他调制系统中。DDS有两个主要缺点:一个是输出频率低一个是输出谱中杂散多。输出频率低主要受DDS工作频率的限制随着微电子科技的发展这个缺陷会渐渐地得到弥补。DDS输出谱中的杂散是DDS所固有的这是由DDS的工作方式决定的。了解DDS的杂散分布及幅度大小对于DDS系统的设计有很重要的意义所以本章最后着重讨论DDS的杂散问题。..理想谱分析顾名思义理想谱就是指不存在相位舍位误差、幅度量化误差、DAC误差时系统输出的频谱。此时整个DDS系统相当于一个理想的采样保持电路。如图.。sin(Zrfot)S(t)S(n)乩O)中圈)f(tnT。)图.理想DDS等效电路哈尔滨工程大学硕士学位论文理想的DDS中DAC以前的部分实际上相当于一个理想的采样电路。'其中NOC相当于一个采样周期为乏=的理想采样器DAC相当于一jc个时宽为耳的理想保持电路对采样数据采用阶梯方式重构。由图所示等效结构可得式()式(.):s(f)=J(功木办(f)=sin(zrfi)木(tnT。)木】()其中s(n)=sin(rfJ)=sin(zrFff。/工刀疋)=sin(刀'F,/‘)()式中石输出频率Z时钟频率C频率控制字I一累加器位数。为保持器的冲击相应J)的频谱以上/(上C)为周期。其中(xY)表示两个整数X和Y的最大公约数。从信号处理的知识可以得到:s如)的频谱是一些离散的谱线一个周期共有‘/(L,C)根谱线。考虑到LPF的截止频率为Z/且实序列的频谱关于f=对称所以在oZ/】内s(n)有£一/(£E)根离散谱线。..DDS杂散分析前面所说的理想的DDS有三个条件:.相位累加器的L位输出都用于ROM寻址即完全没有相位舍位.ROM存储的值是完全真值没有量化误差.DAC、LPF(滤波器)是理想器件。在实际的应用中杂散多而且幅度较高一直是限制DDS应用的主要因素。为获取一个低杂散的信号输出对DDS的杂散分析就显得尤为重要。然而在实际的DDS电路中为了得到足够小的频率分辨率通常将相位累加器的位数N取的很大但受体积及成本的限制即使采用最先进的存哈尔滨工程大学硕士学位论文储方法ROM的容量都远小于Ⅳ。因此在对ROM寻址时只能用相位累加器的高A位去寻址这就引入了相位舍位误差。其次一个幅度值在理论上只能用一个无限长的二进制代码才能精确表示但实际中根本做不到只能用S比特的代码来近似表示这就产生了幅度量化误差。另外DAC的有限分辨率以及非线性形也会引起误差。正是这些误差在信号频谱中引入了杂散成分据此可以构造出DDS杂散(误差)的来源模型如图.所示:p(n)%(疗)‰(玎)图.DDS杂散来源模型F。(行):相位舍位误差%("):sm值量化误差a(n):D/A转换误差。下面就这几种误差进行详细讨论:)相位截断误差分析为了取得精细的频率分辨率DDS的相位累加器的位数都取得非常大如取、。如果把相位累加器输出的所有位数全部用来查询正弦函数表那正弦表的容量会非常的大。比如相位累加器有位正弦表数据为位则表的容量为=(bits)如此巨大的容量难以实现。假如能实现其成本和稳定性也不容乐观。所以在DDS中使用了相位截断这

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