引言
DDS（直接数字频率合成器）具有相位变换连续、频率转换速度快、频率分辨率高、相位噪声低、频率稳定度高、集成度高、易于控制等诸多优点，在现代频率合成技术中占有重要地位，被广泛应用于信号发生器、雷达系统、通信系统等领域。MCU（微控制器）具有很强的数据处理能力和控制能力，片上外围设备丰富，精度高，功耗低，在电子设备上有广泛的应用。本文介绍一种利用MCU控制双通道DDS产生高质量调频信号的数字调频发射机，该结构产生的调频波覆盖频率范围广，载波频率数字可调，调频波形频率准确度高，且成本较低、可靠性高。
1 DDS原理
DDS是从相位概念出发，直接合成所需波形的一种新的频率合成技术。其基本原理是利用采样，通过查表法产生波形。基本结构如图1所示。
图1 DDS基本原理框图
DDS系统主要由相位累加器、正弦查找表、D/A转换器和低通滤波器（LPF）组成。参考时钟为高稳定度的晶体振荡器，用来同步DDS的各个组成部分。DDS的核心是相位累加器，它由N位加法器与N位相位寄存器级联构成。在参考时钟fs的控制下，相位累加器不断地对频率控制字进行线性累加。相位累加器输出的数据就是合成信号的相位，相位累加器的溢出频率就是DDS输出的信号频率。正弦查找表将相位累加器输出的相位信息转化为相应的正弦幅度值，其输出的数字量形式的波形幅值经过D/A转换器转化为模拟波形，最后经低通滤波器滤除不需要的取样分量，得到所需信号波形[1]。
DDS输出的信号频率可由下式给定：
式中： fs为参考时钟，Δf为信号频率分辨率，f0为输出信号频率，K为频率控制字，N为相位累加器的位数。可见，通过设定相位累加器的位数、频率控制字和系统参考时钟的值，就可以产生任意信号频率的输出。
可以看出，当K=1时，DDS的最低输出频率,即此DDS的频率分辨率为：
由于DDS的最高输出频率受奈奎斯特抽样定理的限制，所以fmax=fs/2，此时K=2N-1。考虑到器件因素，在实际使用中一般取40%fs。
2 系统结构原理
调频（FM）体制用已调信号频率的变化承载信息。调频波的瞬时频率等于载波频率加上一个正比于调制信号的时变频率。
调频波的表达式为：
式中: ω0为固定角频率（载频）；Kf为比例常数（调制常数），代表调制器的灵敏度[2]。
利用DDS实现调频，就是要使信号合成器输出信号的频率随着调制信号的幅度大小线性变化，瞬时频率的变化可以转化为对频率控制字的改变的控制[3]。假设调制信号f(t)经A/D转换器转换为B位数字信号F(n)，为满足调制频偏要求，F(n)需在MCU内与一可调的调制常数Kf相乘，乘积作为调制信号的频率控制字。再假设载波频率控制字为Kc，则调频波的频率控制字为:
本系统中，为了达到设计指标要求的0～400 MHz的调制频段要求，综合考虑DDS芯片的技术水平以及成本问题，采用双通道DDS与混频器相结合的方案，这样每个通道输出频率范围只需达到0～200 MHz。向双通道DDS的两个通道送入相同的调频波频率控制字K，则两个通道DDS1和DDS2产生完全同步的载波为fc的调频信号序列；再将调频信号序列分别通过D/A转换器和低通滤波器后混频，去掉直流成分，得到的模拟信号就是载波频率为2fc的调频信号。系统的总体结构原理如图2所示。
图2 系统结构原理图
3 硬件实现
3.1 DDS模块
DDS模块采用美国ADI公司推出的双通道直接数字频率合成器AD9958，最高采样频率可达 500 Msps。它有2个DDS核，能够提供2个内部同步、独立编程同步输出通道；在系统时钟工作在500 MHz时，输出频率可控制范围达到0～200 MHz，可满足系统设计的要求。
AD9958有4种工作模式： 单频模式（single tone mode）、调制模式（modulation mode）、线性扫描模式（linear sweep mode）和幅度输出控制模式（output amplitude control mode）。其中，单频模式是芯片服务后默认的工作模式，在此模式下输出是某一单调频率、幅度和初始相位的正弦波[4]。本系统中AD9958采用的就是单频模式。在这种工作模式下，2个DDS通道共享一个公共地址，频率控制字地址是寄存器（0x04）；通过改变频率控制字，可以很方便地改变输出频率，结合通道选择控制字，2个通道可独立输出互不相关的2路正弦波，控制功能由MCU实现。
外部参考时钟采用50 MHz高稳晶振，片内时钟倍频器设置倍率为10，使系统时钟fs达到500 MHz，从而使每个通道可保证信号质量的最高输出频率达200 MHz。
3.2 MCU模块
MCU内部集成了丰富的外围设备，应用MCU实现外围电路可以使整个系统结构简单、使用方便。MCU模块采用美国ADI公司推出的基于ARM核的微处理器ADμC7025。其卓越的处理能力、集成众多片上外围设备和芯片低功耗的特点，符合本系统的设计要求。
根据实际需要，本系统的调制信号为语音信号，频率集中在50 ~ 3 400 Hz。根据奈奎斯特采样定理，ADC采样频率应不低于6.4 kHz，考虑到高速密集采样可以减小频偏偏差，因此设定ADC采样频率为100 kHz。ADμC7025片上集成了12位逐次逼近型ADC，语音调制信号f(t)经过A/D转换，得到12位数字信号F(n)，经过一定的数值变换作为调制信号频率控制字。
MCU通过片上集成的UART接口与外部控制模块进行通信，外部控制模块采用异步通信方式将载波频率控制字等指令发送给MCU。MCU对收到的指令信号进行处理，并提取出用户要求的载波频率控制字。
MCU将调制信号频率控制字与载波频率控制字相加作为调频波的频率控制字，并按照DDS的频率控制字格式进行格式化处理后送入DDS。
3.3 低通滤波器
DDS采用数字化技术，最终合成信号是经D/A转换后得到的，其频谱含有丰富的高次频谱分量，为了得到频谱纯净的信号输出，必须要用低通滤波器将其滤除。这就要求滤波器的衰减特性要陡直，延迟时间要短。
4 软件设计
整个系统采用模块化程序设计，选用Keil μVision 3开发工具，用C语言编写，便于移植，可读性强。思路是根据AD9958的频率控制字格式，通过MCU将这些控制字写入AD9958内部的寄存器中，从而产生相应的频率。图3为系统软件控制流程图。
图3 系统软件控制流程
MCU初始化：包括MCU的堆栈、队列和内部寄存器的初始化，配置MCU的通用定时器以及ADC、
UART等外围设备，并配置与DDS的外部接口。AD9958模块初始化：按照AD9958芯片的寄存器配置方式，向AD9958写入系统时钟、工作模式以及通道选择等配置指令。
频率控制字写入：为完成一次频率控制字更替，MCU需要按照AD9958的频率字写入格式发送一次通道指令，共40位，高8位为寄存器地址，低32位为频率控制字。在一个ADC采样周期内，必须将通道指令发送完毕，才能使输出频率按照ADC采样频率不断更新，从而实现数字调频。由MCU直接送给AD9958频率控制字，按照图4所示的时序采用串行方式装入。图中每个SCLK的上升沿由数据输入口SDIO_0移入一位控制字，连续40个SCLK周期即可将40位控制字装入输入寄存器。经过IO_UP的信号上升沿以后，AD9958的2个通道同时更新输出频率。
图4 频率控制字串行装入时序
5 总结
采用DDS和MCU相结合实现的数字调频发射机，输出载波频率和频偏可编程，最低频率分辨率高，可达0.116 Hz，最高输出频率为400 MHz，具有非常高的精度和频率稳定性,同时可以降低成本、功耗，减小体积。因此，利用AD9958与MCU相结合实现的数字调频发射机具有很高的应用价值。