摘 要：直接数字式频率合成技术(DDS)是一种先进的全数字频率合成技术,它具有多种数字式调制能力(如相位调制、频率调制、幅度调制以及I/Q正交调制等),在通信、导航、雷达、电子战等领域获得了广泛的应用。介绍DDS在卫星通信调制技术中的应用。

关键词：直接数字式频率合成 调制器 正交调制

从理论上讲,所有的已调信号都可以分解为同相和正交两路,因此,用正交调制法可以实现几乎所有的调制方式。目前,正交调制技术已广泛应用于雷达、导航、仪器仪表、电子战等领域。同样在卫星通信调制技术中,I/Q正交调制也发挥着非常重要的作用。卫星正交调制器原理框图如图1所示,它主要由数字信号处理(DSP)电路、数模转换器(D/A)、低通滤波器(LPF)、频率综合器、90°移相器、混频器、功率合成器、中频放大、滤波电路等组成。

图1中的频率综合器一般采用琐相环(PLL)技术,而PLL属于模拟技术,即图1中的I、Q两路正交调制信号是由模拟的PLL、90°移相器产生。由于模拟器件的一致性和稳定性都不够理想,因此很难保证两路正交通路之间幅度的一致性及相位的正交性,这就大大影响了系统的性能。而DDS提供的正交载波能够保持精确的相位和幅度一致性,所以将它应用在卫星调制技术中无疑是一种很好的选择。

1 一种DDS卫星调制电路

DDS技术出现于二十世纪70年代,它是一种全数字频率合成技术。它将先进的数字信号处理理论与方法引入信号合成领域,实现了合成信号的频率转换速度与频率准确度之间的统一。它以连续的相位变换方式、极快的频率转换速度、极高的频率分辨率、极低的相位噪声、易于用微机等多种方法控制、体积小、集成度高等多种优点在理论、技术及应用上得到了飞速的发展。由于DDS特殊的原理和结构,使其具有以数字方式实现多种模拟调制和数字调制的能力(如相位调制、频率调制、幅度调制以及I/Q正交调制等)。尤其是采用DDS技术可以得到一对相位严格正交、幅度严格相等的载波,这就为采用正交法产生调制信号提供了非常有利的条件。因此DDS在卫星正交调制技术中具有非常重要的意义。

一种70MHz DDS卫星调制电路如图2所示,它主要由DDS、混频器、功率合成器、70MHz带通滤波器(通带为52～88MHz)及放大与电平控制电路等组成。

由DDS产生的I、Q两路正交信号分别与DSP电路产生的两路基带信号进行混频,然后由合成器完成功率求和,通过70MHz带通滤波器将信道中的杂、谐波滤除,最后经中频放大与电平控制电路输出52～88MHz已调信号。其中DDS的主要技术指标包括:输出频率范围52～88MHz;频率分辨率2.5kHz;杂波抑制小于-55dB;谐波抑制小于-35dB;相位噪声小于-110dB/Hz/1kHz;工作温度范围-10～50°C。

2 DDS电路的设计

AD9854是美国Analog Device公司于1999年推出的CMOS型DDS单片集成电路,时钟频率高达300MHz(按照输出信号最高频率为时钟频率的40%计算,AD9854最高工作频率为120MHz);其频率控制字为48位,频率分辨率可达微赫兹;AD9854具有正交两路信号输出功能,可同时产生I、Q两路正交信号,这也是选择它作为本电路设计主芯片的重要原因。另外,AD9854内部还含有12位D/A正交双输出通道,省去了对D/A电路的选型与设计,降低了成本,缩小了电路体积。

2.1 AD9854的特点及功能

AD9854超高的工作频率,方便灵活的外部接口方式,多种信号输出形式使其具有较高的性能价格比。AD9854主要由时钟乘法器、频率累加器、相位累加器、正弦转换表、逆sinc滤波器、数字幅度调制乘法器、编程寄存器、频率和相位控制字乘法器与调频控制逻辑、D/A转换、I/O口缓冲器、比较器等组成,其主要特点包括:

·高达300MHz的内部时钟频率(内含倍频次数为4～20以内整数的可编程时钟倍频器,使得外部可只提供一低频参考时钟);

·内含12位D/A正交双通道输出;

·双48位可编程频率寄存器(一路频率控制字,一路步进频率控制字,频率分辨率可达微赫兹);

·双14位可编程相位寄存器;

·双12位可编程幅度控制寄存器和键控可编程幅度渐变开关功能。

此外,AD9854的超高速内置比较器可产生高稳定度的方波输出。它还具有多种省电模式、单端或双端差分时钟输入、自动双向频率扫描(锯齿波)输出等特点。AD9854能够产生多种形式的输出信号,其工作模式有:单频模式(Single Tone)、频移键控模式(FSK)、频率渐变FSK模式(Ramped FSK)、二位相移键控模式(BPSK)、线性调频模式(FM Chirp)。

2.2 DDS电路实现方案

以AD9854为核心芯片产生I、Q正交信号电路原理框图如图3所示。它主要由高速数字处理器TMS320C31、AD9854、时钟产生电路、带通滤波器、放大器、倍频器、开关电路、匹配隔离电路等组成。

根据对AD9854的杂散指标分析,它达不到输出频带内的宽带杂散指标要求,所以选择AD9854杂散抑制比较好的频段(实际输出频率的一半),然后再进行倍频。由于宽带输出信号的谐波抑制也很难做得好,所以先对AD9854输出的I、Q两路信号进行分路,然后再分别倍频以提高谐波抑制度，同时进一步降低杂散。以Q通道为例,其中一路输出信号频率为26～35MHz,经放大、2倍频、滤波后输出52～70MHz信号;另一路输出35～44MHz信号,经放大、2倍频、滤波后输出70～88MHz信号,最终产生所要求的52～88MHz的Q路信号。I通道的原理与Q通道相同。通道间的信号切换开关采用MINI公司的YSWA,其切换时间为3ns,隔离度80dB。DDS控制电路采用TI公司的TMS320C31,它是目前DSP芯片中性能价格比较高的一种。

由于DDS输出信号的最高频率一般为参考时钟频率的40%，而且DDS输出信号频率越接近上限性能指标越差,因此为了提高电路性能,应选择较高的DDS时钟频率。本调制电路时钟采用VECTRON公司的60MHz、+5V高性能电源晶振,然后由差分线接收器将晶振输出信号转换成符合AD9854要求的差分信号(为了降低共模干扰,AD9854采用双端差分时钟输入)。60MHz外部时钟经AD9854内部可编程时钟倍频器5倍频后,DDS最终时钟频率为300MHz。放大、2倍频电路选用噪声系数(NF<1.1dB，F_T=7GHz)优良的低相噪硅双极晶体管2SC3358完成。最终由AD9854产生的52～88MHz I、Q两路正交信号经带通滤波器平滑、滤波后分路输出。

本DDS电路采用四层电路板设计,其中PCB板上的走线要尽量安排在元件面和底面,中间两层少走线,而且走线要尽可能短。这除了便于检查和调试外,还可减小干扰。为了使电路具有较好的电磁兼容性,数字电源与模拟电源分开供电,数字地与模拟地分开设计。为了减少电路间通过电源产生的串扰,做好直流电源的滤波工作,其中参考时钟频率源晶振电路的电源采用单独供电方式,以防止数字电路中的干扰信号。为了减小电路的体积和重量,元器件大多选用小型的、表面贴装产品。

参考文献

1 Endres T J，Hall R B，Lopez A M.Design and Analysis Methods of a DDS-Based Synthesizer for Military Spaceborne Application.IEEE International Frequency Control Symposium， 1994:624～632

2 Eric D，Adler，Edward A，Viveiros，Tuan Ton.Direct Digital Synthesis Applications for Radar Development.IEEE International Radar Conference，1995:224～226

3 AD9854 Data Book，Analog Device Inc.1999

4 张玉兴.DDS高稳高纯频谱频率源技术.系统工程与电子技术，1997;(12)

5 陈世伟.锁相环路原理及应用.北京:兵器工业出版社，1990