数字控制RF合成信号源的设计与实现

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简介: 设计了一种基于直接数字频率合成技术(DDS)的RF合成信号源系统。系统采用AD9852和单片机C8051F020相结合的方法,以AD9852为频率合成器,以信号处理器C8051F020为系统控制和任务调度中心。系统可实现输出信号频率在1 Hz~40 MHz可调,最小可调步进为1 Hz,并且频率稳定度优于10-5。此外,系统实现了调幅、调频、相移键控、频移键控和扫频等功能。

0 引言

信号源是雷达、通信、电子对抗等电子系统实现高性能指标的关键,因此低相位噪声、高稳定度、高可靠性和多功能信号源的研究受到普遍重视[1]。目前实现信号源的主要技术有:直接频率合成(DS)、锁相式频率合成(PLL)和直接数字频率合成(DDS)三种基本类型。DS方式具有频率转换时间短、相位噪声低等优点,但是,这种方法首要的缺点是电路结构复杂,难于集成化、小型化,目前实际上已处于被淘汰的状况[2]。PLL方式相对于直接频率合成方式能够集成化和小型化,但是由于其锁相环存在捕获时间问题,频率转换时间较长,单环频率合成器的频率间隔不可能做得很小,使之很难满足高速、超高速的技术要求[3]。DDS方式的基本优点是能够准确而快捷地调节输出信号的频率、相位和幅度[4]。目前国内外已有相关的数字化的智能函数发生器产品,但是普遍存在价格高和操作复杂的缺点。针对此情况,本文研制了数字控制RF合成信号源,具有设计新颖、结构简单、性能高和控制灵活等优点。

1 无线信号分析仪系统实现

本文设计的数字控制RF合成信号源系统以C8051F020单片机为控制核心,可大大提高处理速度和系统控制的灵活性;采用DDS芯片AD9852为频率源,可以大大简化系统结构,提高系统性能和可靠性,降低成本;以图形点阵液晶(HG12864)和64键键盘智能管理芯片HD7279A[5]构成人机对话窗口,具有良好的人机界面,系统整体框图如图1所示。

数字控制RF合成信号源的设计与实现

根据系统功能要求,实际设计了4种信号的发生器:正弦波、普通调幅波(AM)、调频波(FM)和二进制键控信号FSK、BPSK、Chirp、Ramp FSK。现在以正弦波为例介绍其设计方案。从系统精确性和稳定性方面考虑采用DDS专用芯片AD9852,它是美国模拟半导体公司推出的直接数字频率合成器(DDS),其正弦波发生器框图如图2所示。

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2 无线信号分析仪系统软硬件设计

2.1 正弦波、FM和AM信号产生电路

AD9852的DDS系统包括相位累加器和正弦查找表,其中,相位累加器由一个48位加法器和一个48位寄存器组成,相位寄存器的输出与外部相位控制字相加后作为正弦查找表的地址。具体的正弦信号、FM信号和AM信号的产生方法如下[5-7]。

2.1.1 正弦信号产生电路设计

设正弦波信号频率为f0,则有:

V0(t)=Vom×sin2πf0(1)

在AD9852中,频率分辨率为:

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只要通过单片机向AD9852送入与f0相对应的频率控制字FSW0,就可得到式(3)表示的正弦波。

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AD9852输出的正弦波幅度Vom由其内部电路和引脚56所接RSET阻值大小决定,当取RSET=3.92 k?赘时,满度IOUT=10 mA,这时输出电压无杂散动态范围(SFDR)最佳。采用此方法,其满度输出正电压VOPP≈1 V。

2.1.2 FM信号产生电路设计

由模拟FM原理可知:

数字控制RF合成信号源的设计与实现

其中,f为瞬时频率,f0为载波频率,fm为瞬时最大频偏。

在AD8952中,上述调频过程是全数字化的,设fm、sint对应的数字式分别为FSWm、V?赘D,则有:

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其中,Di=0,1,3,5,…,255,VD送数周期为1 ms。

因此,可以得到数字调频公式为:

FSW=FSW0+FSWm×(Di-128)/128(7)

其中,FSW0对应瞬时频率f。

2.1.3 AM信号产生电路设计

由模拟调幅(AM)的原理,已调幅波如下式所示:

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其中,Vom为载波幅度,在本设计中设为0.5 V。

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根据题目要求,ma做步进调节时,相应的Vm改变如表1所示。

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本设计调幅过程也是全数字化的,其调制信号与FM的相同,只是Vom不同,因此,改变Vom就可实现所要求的步进调幅。这是利用AD9852输出电压幅度与送到AD9852 Rest端前的D/A转换器输入端的数字量成正比这一特性实现的。

2.2 信号调理电路设计

2.2.1 双端—单端差分运算放大电路设计

数字控制RF合成信号源的设计与实现

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2.2.2 滤波电路设计

DDS采用全数字技术,因而不可避免地会存在杂散干扰,需要进行电路滤波。系统要求40 MHz内正弦信号输出,采用截止频率为50 MHz的低通滤波器电路符合要求。具体设计的7阶50 MHz椭圆低通滤波电路如图4所示。

2.3 系统控制算法软件实现

系统软件设计的思想是采用模块化程序设计方法,将系统软件划分为人机对话、正弦信号模块、调幅功能模块、调频功能模块和二进制键控5个模块。全部原代码均使用标准C语言编写,增加了本系统软件的可读性和可移植性[8],主程序流程图如图5所示。

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3 实验结果及分析

3.1 测试要求

测试指标:系统要求正弦波输出频率范围:1 Hz~40 MHz,具有频率设置功能,频率步进为1 Hz,并且输出信号频率稳定度优于10-5;输出电压幅度在50 ?赘负载电阻上的电压峰-峰值Vopp≥5 V;系统要求产生二进制FSK、Chirp、Ramp FSK、BFSK信号、AM信号和FM信号,并且用示波器观察时无明显失真。

3.2 测量结果及分析

系统设计完成后可以进行频率、幅度和各种调制信号输出波形的测试,其中频率测试表如表2所示。由表2可知,输出频率的误差在0~0.03%之间,频率步进小于1 Hz。

数字控制RF合成信号源的设计与实现

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幅度测试表如表3所示。由表3可知,输出幅度的误差满足系统设计技术指标要求。误差主要产生于信号传输链路,包括信号输出线的衰减和放大器的非理想稳定性。

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各种调制信号输出波形的测试结果如图6所示。从图6可以看出扫频信号、AM信号、FM信号、FSK调制信号和BPSK调制信号测试均正常。

4 结论

本文设计了基于单片机C8051F020的数字控制RF合成信号源,完成了系统硬件电路和软件程序设计,经测试系统现有各功能正常,RF信号源可输出扫频信号、序列信号和正弦信号,正弦信号输出频率范围为1 Hz~40 MHz,频率分辨率为1 Hz,输出电压范围为0~5 V,并能实现AM、FM、FSK、BPSK及Chirp等调制功能,是一款性价比不错的信号源设备。

参考文献

[1] 郭云林,陈松.通信电子电路设计[M].武汉:华中科技大学出版社,2010.

[2] 郑戍华.基于DDS的信号源研制[D].北京:北京理工大学,2003.

[3] 张波,杨威克,许力,等.基于FPGA的任意波形发生器的设计与实现[J].现代电子技术,2009,35(1):102-105.

[4] 李荐荐.DDS技术在数字通信中的应用[D].南京:东南大学,2003

[5] Liu Xiaodong, Shi Yanyan, Wang Meng, et al. Direct digital frequency synthesizer based on curve approximation[C]. IEEE Conference on Industry Technology, ICT′08, 2008,21(2):201-205.

[6] 潘勇先.基于DDS技术的雷达波形发生器的研究[D].西安:西安电子科技大学,2004.

[7] 周文委,王涌.一种DDS信号发生方法与频谱研究[J].电子器件,2009,32(3):620-622.

[8] 王建校.51系列单片机及C51程序设计[M].北京:科学出版社,2002.

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