精密频率合成技术助力多通道频率合成器的应用

直接数字频率合成（DDS）在过去十年受到了频率合成器设计工程师极大的欢迎，它被认为是一种具有低相位噪声和优良杂散性能的灵活的频率源，基于DDS的频率合成器在许多应用中能比基于锁相环（PLL）频率合成器有显著的优势。这些优势包括亚赫兹频率控制分辨率，相位失调和输出幅度控制，以及无需基于PLL频率合成器设计所需要的外部元件。另外，作为一个基于数字的波形发生器，其频率、相位和幅度的改变可以通过一个简单的可编程端口来实现。这种能力允许DDS技术用于多种民用和军事应用中，包括那些要求复杂的多通道同步的应用，例如，雷达、声光滤波和基带上变频。

随着ADI公司的AD9959四通道10 bit 500MHz DDS和AD9958双通道10 bit 500MHz DDS产品的推出，多通道同步设计从来没有这样容易。AD9959在一颗芯片上集成了四个完整的DDS通道*，它为频率合成器设计工程师需要四个通道的应用提供一个单片解决方案。除了单片AD9959具有四个独立的DDS通道之外，通过使用特别适合于自动同步多片AD9959的专用引脚有助于同步多片AD9959，这可以很容易地实现多个通道的同步。AD9958是与AD9959 具有相同特性和性能指标的双通道器件。图1示出AD9959产品的框图。

* 一个完整的DDS通道由数字波形发生器、数模转换器（DAC）和专用控制逻辑电路组成。如果不能展示框图，应当给出定义。

图1. AD9959 四通道DDS框图

利用正交信号的单边带上变频

尽管DDS技术能提供优良的频率和相位控制特性，但为了在甚高频（UHF）或微波频段利用这些特性，还需要上变频。通常采用多种上变频方法。其中一种方法是利用PLL反馈环路中的DDS进行上变频（见图2），这种方法有受一些限制，但通过一种采用两个正交的DDS通道来抑制边带能量的设计配置（见图3）能够突破这些限制。

图2.利用PLL反馈环路的DDS进行上变频 

图3.利用正交信号进行单边带上变频的框图

在图2的电路设计中，DDS的许多优势受到PLL的限制。例如，DDS的快速跳频能力受到PLL的锁定时间的限制。另外，在PLL的环路带宽内，来自DDS的任何杂散或相位噪声都被放大并且传递到PLL输出。由于这些原因，这种体系结构通常被限制在产生单音或以较低带宽传输工作的系统。

使用一个混频器级对两个DDS正交通道实现的单边带上变频的设计体系结构（图3）是一个优秀的案例，其中的两个DDS通道具有独立的相位和幅度控制，所以非常适合以较高数据速率工作的系统。利用这种方法，保持了快速跳频，从而允许更快的数据速率传输。使用混频器实现上变频信号的主要担心冗余边带的产生，因为它给滤波器设计带来困难或不能滤波。通过使用DDS发送正交信号到一个模拟正交混频器的同相（I）和正交（Q）输入端，可显著衰减冗余的边带，这样将滤波器的设计要求降至最小。

AD9959/58每个通道的频率、相位和幅度都可以被独立的控制。这种灵活性可用于校正正交信号之间由于模拟信号处理〔例如，滤波、放大或印制电路板（PCB）布线相关的不匹配〕造成的不平衡。由于所有通道共享一个公共的系统时钟，它们具有固有的同步性，从而无需以前的同步多个器件的设计要求。另外，利用单芯片解决方案，从根本上消除了存在于两个分立器件之间的温度效应。

实验室结果表明，AD9959/58器件能够实现优于-60 dBc的冗余边带抑制能力。图4中的两条曲线图示出一个25 MHz 单音信号上变频到975 MHz的结果。当采用来自AD9959的两个正交信号时，对上边带的抑制效果如曲线（b）所示。图5示出频移键控（FSK）编码数据的结果，其中曲线（a）没有采用来自AD9959的正交信号，而曲线（b）采用了。应当注意的是，当使用模拟正交混频器结构时，可能会产生本振频率的馈通。在图4和图5中没有表示出将馈通减至最小的实验结果。

图4 （a）上变频单音频谱，未采用正交信号；（b）上变频单音频谱，采用正交信号

图5 （a）上变频FSK编码数据频谱，未采用正交信号； （b）上变频FSK编码数据频谱，采用正交信号

多通道DDS雷达应

早期的雷达系统传统上完全由模拟电路组成。近来，雷达设计工程师已经采用既减少成本而又增加系统功能的数字技术。DDS技术现在常见于雷达系统设计中。DDS最吸引雷达系统设计工程师的特性是精密频率控制、相位失调控制和线性调频能力。通常包含DDS器件的两种基本类型的雷达是脉冲雷达和调频连续波（FMCW）雷达。最近的研究结果表明，许多雷达系统使用多个DDS通道，这些通道要求彼此同步。这种同步的要求也包括对每个DDS器件提供适当的时钟分配。

在一些脉冲雷达中，发射元件（天线）的数量可从几个到上百个或更