在频率合成(FrequencySynthesis，FS)领域中常用的频率合成技术有模拟锁相环、数字锁相环、小数分频锁相环(Fractional-NPLLSynthesis)等。其中，直接数字合成(DirectDigitalSynthesis，DDS)近年发展迅速。DDS直接数字频率合成技术将先进的数字信号处理理论与方法引入信号合成领域，实现合成信号的频率转换速度与频率准确度之间的统一。它具有相位变换连续、频率转换速度快、频率分辨率极高、输出频率范围宽、相位噪声低、频率稳定度高，可产生宽带正交信号及其他多种调制信号、可编程和全数字化、控制灵活方便、体积小等优点。
1DDS工作原理
DDS主要由参考时钟、相位累加器、正弦查询表、D/A转换器和低通滤波器等组成(见图1)。其中，参考时钟是一个稳定的晶体振荡器，用于同
[attach]50417[/attach]
步整个频率合成器的各个组成部分。相位累加器类似于一个简单的计数器，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FTW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FTW的不同而不同，一旦给定相位增量，输出频率也就确定。当用这样的数据寻址时，正弦查询表就把存储在相位累加器中的抽样值转换成正弦波幅度的数字量函数。D/A变换器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，得到所需的信号波形。DDS的输出频率f0和参考时钟fr、相位累加器长度n以及频率控制字FTW的关系为：f0=fr●FTW/2n;DDS的最高频率分辨率为：Δf0=fr/2n;DDS的最大输出频率f0max受奈奎斯特抽样定理限制，所以理论上f0max=fr/2，但在实际工程应用中通常取f0max=2fr/5。
2AD9954与AD9959的特性比较
AD9954和AD9959是AD公司采用DDS技术开发的高速DDS器件，广泛应用于高性能信号发生器的设计。它们的共同特性主要有：(1)可用串行I/O控制，支持SPI模式;(2)采用1.8V电源供电，低功耗;(3)可通过硬件/软件控制节电模式;(4)参考时钟4～20倍倍频;(5)可实现多片同步，支持多片级联使用;(6)输出频率、相位和幅度可控;(7)频率控制字为32位，即最高频率分辨率约为0.1Hz，相位控制字为14位。不同之处在于：(1)AD9954最高参考时钟为400MHz，而AD9959为500MHz，也就是说AD9954实际最大输出频率为160MHz，而AD9959可以达到200MHz;(2)AD9954内置1024×32静态RAM，利用RAM可实现任意频率函数的高速调制，AD9959没有内置RAM;(3)AD9959有4个通道输出，各个通道有独立的频率/相位/幅度控制功能，而且通道之间隔离度大于65dB，而AD9954只有一个通道输出;(4)AD9954内置14位DAC超高速模拟比较器，而AD9959只有10位;(5)AD9954的幅度控制字为14位，而AD9959只有10位。‘
通过AD9954与AD9959的特性比较，AD9954的输出信号具有动态范围宽、相位噪声低和调频简单灵活等优势，适用于标准调频信号源，而AD9959的输出信号具有输出频率高和多路独立输出的优势，适用于产生多路信号的标准信号源。
3系统硬件设计
3.1功能需求分析
在通信系统检测中，要求对所有超短波调频电台、短波单边带电台和车内通话器进行快速自动精确的原位检测，按照国标中对通信设备测量方法的要求，对信号源的提出的功能需求为：信号源要能独立产生2路音频信号和2路射频信号，支持2路音频信号和1路射频信号同时输出，支持双音调频功能，而且要达到相应指标要求，即有一定的频率范围、精度、输出幅度和输出阻抗要求。音频信号源要达到的指标为：(1)频率范围：300～3400Hz;(2)频率精度：0.2Hz;(3)输出电压：1～100mV;(4)输出阻抗：150Ω非平衡、600Ω平衡等;(5)1kHz和1.6kHz双音输出。射频信号源要达到的指标为：(1)频率范围：1～90MHz;(2)频率稳定度：10-6;(3)调制方式：1kHz单音调频/1kHz和150Hz。
双音调频：(1)调制度：3～8kHz;(2)输出电压：0.3～100μV;(3)输出阻抗：50Ω。本文提出一种基于AD9954和AD9959的信号源设计，即利用AD9954产生1路射频信号(包括单音调频波和双音调频波)，利用AD9959产生2路音频信号和1路射频信号。而且从AD9954和AD9959的输出频率、频率分辨率、动态范围和调频特性来看，可以完全达到信号源的功能需求。
3.2系统构成
通信系统原位检测仪是以PC104总线工控机和数据采集卡为基础进行的开发设计。其系统构成与接口主要包括PC104主机、数据采集卡、AD9954、AD9959、外部振荡器、变压器、双音合成电路、音频阻抗匹配电路(见图2)。
[attach]50418[/attach]
3.2.1数据采集卡综合考虑AD9954和AD9959的控制I/O特性和通道个数，数据采集卡选用中泰公司的PM511PU多功能数据采集卡。
3.2.2外部振荡器由于系统要求的频率稳定度较高，而且能适应较宽温度变化的测试环境，AD9954和AD9959的外部振荡器选用50MHz温补晶振，频率稳定度在10-7以上，从而可以提高系统输出频率的稳定度，减小系统的相位噪声。同时，信号源应满足输出信号的频率范围要求，AD9954和AD9959都启用内部倍频器，分别为8和10倍频，工作在最高参考时钟。
3.2.3射频变压器和低通滤波器由于AD9954和AD9959输出信号都是差分电流信号，所以系统设计时，采用1∶1传输变压器将差分电流信号转化为单端电压信号输出。为滤除带外噪声，同时考虑到它对选择性的要求较高，选用120MHz三阶椭圆函数低通滤波器电路。
3.2.4射频衰减器射频变压器输出的电压信号的最大幅度约为400mV，而且幅度比较平坦。对于AD9954输出的射频信号，因为AD9954的幅度控制字为14位，即输出幅度可以衰减1～16383倍，输出幅度为24.4μV～400mV，显然输出最小幅度达不到指标要求，所以在AD9954的变压器之后增加衰减器，电压衰减幅度为1000倍。对于AD9959输出的音频信号，因为AD9959幅度控制字为10位，即输出幅度可以衰减1～1024倍，输出幅度为0.4～400mV，所以幅度范围可以满足指标要求。而对于AD9959输出的本振信号，由于是作为检测仪中的混频器本振，幅度要求通常在100mV左右，所以AD9959的输出也能满足要求。
3.2.5双音合成电路和音频阻抗匹配电路由于测试要求的音频信号需要单音和双音，所以对AD9959的两个输出通道进行双音合成和阻抗匹配电路的处理。若只有一个通道输出信号，则为单音，若两个通道都有输出且频率不同，则为双音。
3.3系统工作原理
在本信号源系统设计中，对于AD9954和AD9959的串行I/O控制采用的是二线SPI方式。系统主要是由PC104主机控制数据采集卡I/O接口产生控制时序，控制AD9954和AD9959输出相应的信号类型，包括射频信号和音频信号。射频信号分为射频载波、单音调频波和双音调频波，音频信号分为单音和双音。
3.3.1电台接收机性能测试通常需要根据电台的调制类型从电台的射频输入接口输入一个相应的调制信号，由AD9954输出的RF信号提供。对于超短波调频电台，在接收灵敏度测试中，RF信号为1kHz单音调频波，在静噪灵敏度测试中，RF信号为1kHz和导频150Hz的双音调频波。对于短波单边带电台，RF信号为射频载波，作为测试时对应的单边带信号。
3.3.2电台发射机性能测试通常需要根据电台的调制类型从电台的音频输入接口输入一个相应的音频信号，由MIC信号提供。对于超短波调频电台，MIC信号为1kHz单音，此时，MIC1信号为1kHz单音，MIC2无输出。对于短波单边带电台，MIC信号为1kHz和1.6kHz的双音，此时MIC1信号为1kHz单音，MIC2信号为1.6kHz的单音。同时，在发射机性能测试中，检测仪器为接收电台输出的射频信号，通常采用超外差方式进行接收，这就需要在检测仪内部产生一个本振信号作为混频器的一个输入端，由AD9959输出的LO信号提供，此时LO信号为射频载波。
3.3.3车内通话器的音频性能测试通常需要从车内通话器的音频输入接口输入一个1kHz单音，由MIC信号提供。此时MIC1信号为一个1kHz单音，MIC2无输出。
4调频软件设计
4.1AD9954调频流程PC104主机控制数据采集卡的I/O接口产生控制时序，采用二线SPI方式，通过AD9954的SCLK、SDIO管脚向AD9954写入控制功能寄存器、RAM段控制字、频率控制字和幅度控制字。调频主要操作过程如下：(1)允许RAM操作;(2)选择模式5即连续循环模式;(3)选择RAM段;(4)设置地址变化率控制字和对应RAM段起始地址和终止地址，地址之差为调频波一个周期的采样点数;(5)计算调频波频率值并写入频率控制字;(6)启动模式工作。
调制速率(调制频率)fm为AD9954地址的变化速率，地址变化速率由RAM段控制寄存器中的地址变化率控制字ARRCW决定，定义的时间是SYNC_CLK(为参考时钟的1/4)的周期数，即每一个采样点的变化速率为SYNC_CLK/ARRCW。设调频波一个周期的采样点数N，则fm=SYNC_CLK/ARRCW/N其中，ARRCW的范围是1～65535，N的最大值为1024。若N≥4，则fm的最大值为25MHz。若采样点数为256，参考时钟为400MHz，要产生1kHz的调制频率，则可计算出ARRCW为391，可设置对应RAM段的起始地址为0，终止地址为256。当然，AD9954产生的调频波采样点数越多，采样时间就越精确，则波形性能会越好。
4.2AD9954双音调频设计
设二个不同频率的单音信号作为调制信号，频率分别为f1s和f2s，最大频偏为Δf1s和Δf2s，载波频率为f1，双音已调频信号的输出频率为f0，则f0的数学表达式为f0=fl+Δf1s●sin2πf1s+Δf2s●sin2πf2s由于AD9954的调制速率只有一个，所以要实现双音调频，可以取f1s和f2s的最大公约数。在本信号源设计中，f1s为1kHz，f2s为150Hz，则调制速率为50Hz，此时在一个周期的调频波中，对于1kHz调制信号来说，有20个周期的变化，对150Hz调制信号，有3个周期的变化。而AD9954的输出信号是由D/A变换产生的，若采样点数为256，则一个周期调频波各采样点的频率值为f0=fl+Δf1s●sin(2π×1000×20×i/256)+Δf2s●sin(2π×150×3×i/256),0≤i≤256则写入的频率控制字为f0的整数部分，此时，对应的地址变化率控制字为7813，可设置对应RAM段的起始地址为0，终止地址为256。
5结论
本信号源用德国罗德施瓦茨(R&S)公司的FSU26频谱仪进行标定，并对重要的指标进行测试。具体如下：(1)射频信号源测试结果：频率范围为1Hz～160MHz，输出幅度为0.1～400μV，频率稳定度为10-8。(2)音频信号源测试结果：音频输出频率为1Hz～100kHz，输出幅度为0.4～400mV，频率精度为0.12Hz。(3)调频性能测试：取载波频率为50MHz，调制频率为1kHz和150Hz，频偏分别为5.6kHz和3kHz，采样点数为1024，信号输出为最大幅度，则测试结果为1kHz调制频率误差<±1Hz，频偏误差<±5Hz，150Hz调制频率误差<±0.2Hz，频偏误差<±2Hz，完全满足标准调制信号源的要求。
因此，本信号源的各项指标完全达到通信系统的测试需求，而且输出频率快、频率转换时间短、控制简单灵活，为实现通信系统的快速自动精确的原位检测创造条件。
来源：《现代仪器》，转载请注明出处-仪器信息网(www.cncal.com）