基于DDS频率源的设计与实现

摘要 介绍了DDS的基本工作原理，阐述了DDS技术局限性，最终实现了一种基于FPGA+DDS可缡编程低相位噪声的频率源，输出信号范围170～228 MHz。测试结果表明，该频率源具有高频率分辨率和低相位噪声等特点，能够满足通信系统对频率源的设计要求。
关键词 DDS；频率源；AD9912；FPGA

频率源是现代射频通信系统的核心，对系统的运行起着决定性作用。射频电路频率源的好坏关系着整个系统的稳定性。目前频率合成技术正朝着杂散和相位噪声更低的方向发展，同时还要求有更宽的频带和更高的频率分辨率。直接数字频率合成(DDS)正是在该需求背景下发展的，其具有微小的频率调谐和相位分辨能力。融合了模拟和数字技术的DDS是产生高质量高频谱纯度宽频带频率的理想方法。
文中基于ADI公司的AD9912芯片提出一个直接频率合成方案，输出频率范围为170～228 MHz，频率步进12．5 kHz，相位噪声优于98 dBc ／Hz@1kHz。

1 DDS基本工作原理
直接频率合成器DDS是一种高分辨率的数字分频器。通过频率调节字来分频系统时钟，以输出所需的频率。DDS有两个特点：(1)工作在数字域，其输出频率相位和幅度可在数字处理器的控制下，精确、快速地变换。(2)频率分辨率主要取决于频率调节字的位数，因此可达到较高的频率分辨率。DDS基本原理框图如图1所示，其主要包括：相位累加器、相位-幅度变换器、数／模变换器和低通滤波器。

1．1 相位累加器
对于正弦波而言，幅度不是线性变化的，而相位却是线性变化的，这便是DDS能够合成正弦波的基础。DDS依据频率调节字的位数M，将0°～360°的相位变化平均分成2M等份。假设系统参考时钟为fc；输出频率为fout在每个时钟周期转过一个角度360°／2M，则可产生一个频率为f／2N的正弦波的相位增量。因此，只需选择恰当的频率调节字K，使得fout／fc=K／2M，即可得到输出频率。
fout=(K×fc)／2M (1)
可以得到DDS的最小频率分辨率为
△f=fc／2M (2)
1．2 相位幅度转化器
根据相位累加器的输出，得到所需合成fout频率所对应的相位信息，是将累加器输出的数字相位信息变换成正弦波相应的幅度值。将正弦波相位到幅度的转换可通过查表操作完成，然后正弦波幅度数值以二进制的形式被送入DAC进行数模转换。
1．3 DAG数模变换器
从相位幅度转换器得到的二进制数字信号被送入数模转换器中，变换成模拟信号输出。此处DAC变换器的位数对输出频率的分辨率并无影响，但DAC变换器的位数应将不低于二进制数字信号的位数，这样输出频率的分辨率主要由频率调节字的位数决定。

2 DDS的局限性
2．1 输出频带范围有限
由于DDS内部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。目前市场上采用CMOS、TTL和ECL工艺制作的DDS芯片，工作频率通常在几十～400 MHz。设计采用的AD 9912芯片，其支持的最高时钟高达1 GHz，根据奈奎斯特采样定理，每周期的采样点≥2，则其输出的最高频率≤500 MHz。实际上，为保证输出波形的质量，实际采样点>2，因此AD9912能够输出的最高频率400 MHz。
2．2 输出杂散大
由于DDS采用全数字结构，从而不可避免地引入了杂散输出。DDS杂散输出的来源有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。

3 系统设计
3．1 硬件设计
设计采用ADI公司的高端产品AD9912作为系统的频率源。AD9912是ADI公司DDS系列产品中最新推出的采样速度达到1 GSample／s的DDS器件，其内部包括DDS核以及14位DAC，且具有PLL时钟倍频电路，串行输入寄存器，时序控制单元等。芯片内部的DDS核可由内部的锁相环提供达1 GHz的采样时钟也可以由外部时钟提供，其频率控制参数、相位控制参数和幅度控制参数由DDS核外各模块寄存器来提供。AD9912具有多种工作模式，通过SPI时序对寄存器操作来选择所需要的模式。控制字可以是固定值，也可是线性和非线性变化值，连续传送给核内相关寄存器。
AD9912的DDS核由48位相位累加器和相位-幅度转换器组成，可提供高速的频率转化速度与极高的频率分辨率，当相位累加器开始计数并且频率控制字>0时，相位-幅度转换器将相位累加器的输出数据作为波形存储器的取样地址将相位信息通过查表操作转换为幅度信息，进而得到数字正弦波。输出信号的频率与频率控制字FTW之间的关系满足式(3)。

由此可知，AD9912能够满足频率步进12．5 kHs的要求。
3．2 低通滤波器设计
由于DDS芯片的输出频谱中具有大量的谐波分量和杂散输出。为得到高质量射频信号，即需要在DDS输出端加一个滤渡器来实现滤除杂波、平滑信号的功能，而低通滤波器能较好地实现此功能。因此为得到高质量的DDS输出频谱，选择和设计低通滤波器是关键。
椭圆低通滤波器也叫考尔滤波器，因为其在离通带较近的地方增加了衰减极点，使椭圆滤波器相比切比雪夫滤波器和巴特沃斯滤波器具有更陡峭的过渡带，同时在相同衰减特性要求下，椭圆滤波器的阶数较低，所以在DDS中采用此滤波器。
使用MWO设计阻带为240 MHz的椭圆低通滤波器如图2所示，仿真结果如图3所示。