直接数字频率合成器DDS研究设计毕业论文.docx
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直接数字频率合成器DDS研究设计毕业论文
直接数字频率合成器DDS研究设计毕业论文
1.引言1
1.1频率合成器的研究背景1
1.2频率合成器的研究现状1
2.频率合成技术3
2.1频率合成技术概述3
2.2频率合成器的主要指标3
2.3频率合成的基本方法5
2.4频率合成器的长期频率稳定度和相位噪声5
2.4.1长期频率稳定度5
2.4.2相位噪声6
2.4.3噪声来源7
3.直接频率合成（DS）技术8
3.1直接频率合成器的基本原理和组成8
3.2直接频率合成器的几个主要组成电路9
3.2.1混频器9
3.2.2倍频器11
3.2.3分频器12
3.2.5石英晶体振荡器14
4.直接数字频率合成（DDS）技术17
4.1直接数字频率合成的组成及其特点17
4.2直接数字频率合成的基本原理19
4.3直接数字频率合成的相位噪声和杂散20
4.3.1直接数字频率合成的相位噪声20
4.3.2直接数字频率合成的杂散分析21
4.3.3降低杂散电平的方法21
4.4集成直接数字频率合成器的芯片介绍23
5.直接数字频率合成器的设计26
5.1DDS芯片在跳频系统中应用的总体框图26
5.2控制模块26
5.2.1AT89C51引脚说明26
5.2.2单片机外围电路设计28
5.3频率合成模块29
5.3.1AD9852的引脚说明29
5.4电平转换模块32
5.5低通滤波模块33
5.6放大电路35
结束语36
致谢37
参考文献38
1.引言
1.1频率合成器的研究背景
频率合成（频率综合）是指由一个或多个频率稳定度和精确度很高的参考信号源通过频率域的线性运算，产生具有同样稳定度和精确度的大量离散频率的过程。
实现频率合成的电路叫频率合成器，频率合成器是现代电子系统的重要组成部分。
在通信、雷达和导航等设备中，频率合成器既是发射机的激励信号源，又是接收机的本地振荡器；在电子对抗设备中，它可以作为干扰信号发生器；在测试设备中，可作为标准信号源，因此频率合成器被人们称为许多电子系统的“心脏”。
频率源是雷达、通信、电子系统实现高性能技术指标的关键部分，许多现代电子设备和系统的功能的实现，都直接依赖于所用的频率源的性能，而当今高性能的频率源都是通过频率合成技术来实现的。
频率合成技术大约出现于20世纪30年代，最初产生并进入实现应用的是直接频率合成技术，它具有频率转换时间短、近载频相位噪声性能好等优点，但是，由于采用大量的倍频、分频、混频和滤波环节，直接式频率合成器的结构复杂、体积大、成本高，而且容易产生过多的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。
到60年代末70年代初，相位反馈理论和模拟锁相技术在频率合成领域里的应用，引发了频率合成技术发展史上的一次革命，相参锁相式合成技术就是这场革命的直接产物。
随后数字化的锁相环路器件，如数字鉴相器、数字可编程分频器等器件的出现，以及其在锁相频率合成技术中的应用，标志着数字锁相频率合成技术得以实现。
由于不断吸收和利用脉冲计数器、小数分频器、多模分频器等数字技术发展的新成果，数字锁相频率合成技术日益成熟，锁相式频率合成器具有良好的窄带跟踪特性，可以很好的选择所需频率的信号，抑制杂散分量，并且可避免使用大量滤波器，十分有利于集成化和小型化。
此外，还具有良好的长期频率稳定度和短期频率稳定度。
但是，由于锁相环本身是一个惰性环节，使得频率锁定时间较长，故锁相式频率合成器的频率捷变时间较长。
目前，锁相环频率合成器在各电子领域中获得较为广泛的应用。
1.2频率合成器的研究现状
频率合成技术是现代雷达，通信等电子系统实现高性能指标的关键技术之一．传统的频率合成技术包括模拟直接式频率合成和间接式频率合成。
近几年来随着大规模集成电路和高速数字电路技术的日益成熟，以全数字结构为特征的直接数字频率合成技术得到了迅速发展，从而引发了频率合成领域的一次革命。
它突破了传统频率合成器的诸多局限，具有相对带宽很宽，频率分辨率很高，频率捷变速度快，频率变换时输出信号相位保持连续和全球集成化等优点，这些优点是由于DDS的全数字结构所赋予的，但也正是这种全数字结构造成了DDS的主要缺陷，即输出相位噪声和杂散电平高。
2.频率合成技术
2.1频率合成技术概述
频率合成器是利用一个或多个标准信号，通过各种技术途径产生大量离散频率信号的设备。
直接数字式频率合成（DDS）技术的出现，导致了频率合成领域的第二次革命。
1971年J.Tierney、C.M.Rader和B.Goid在ADigitalFrequencySynthesizer一文中发表了关于新型数字频率合成的研究成果，第一次提出了具有工程实现可能和实际应用价值的直接数字频率合成的概念。
尽管当时该项技术未能立即得以普遍的重视，但是随着数字集成电路和微电子技术的发展，DDS逐渐充分体现出其具有相对带宽很宽、频率转换时间极短、频率分辨力很高、输出相位连续、可以输出宽带正交信号、任意波形输出能力、数字调制功能、可编程，以及全数字化结构便与集成等优越性能。
DDS的缺点是工作频带的限制和杂散抑制差。
近年来，随着单片锁相式频率合成器等芯片的发展，锁相式、直接数字式，以及直接数字频率合成器（DDS）和锁相环（PLL）相结合所构成的频率合成器，以其容易实现系列化、小型化、模块化、工程化和其优越的性能已逐步成为三中最为典型、用处最为广泛的频率合成器。
更宽的工作频带、更精确的频率分辨力、更低的相位噪声和寄生特性、更宽的频率转换时间，以及减小体积、降低功耗是对现代频率合成器提出的越来越严重的要求。
DDS+PLL混合式频率合成技术将DDS的高频率分辨力和快速转换时间特性与锁相环路的输出频率高、寄生噪声和杂波低的特点有机结合，以尽可能全面的满足各种系统对频率源苛刻的要求。
目前，开发应用最为广泛的一种方法，是采用DDS技术、变频技术和锁相环技术来实现高性能的频率合成器。
当今世界，由于通信、雷达技术的飞速发展，对系统相位噪声的要求越来越高。
DDS与PLL相结合所构成的频率合成器，以其优越的相位稳定性和极低的颤噪效应，成为比较理想的频率源。
2.2频率合成器的主要指标
为了正确理解、使用与设计频率合成器，首先应对它的质量指标进行了解。
频率合成器的使用场所不同，对它的要求也不全相同。
大体说来，有如下几项主要技术指标：
频率围、频率间隔、频率稳定度和准确度、频率纯度（杂散输出和相位噪声）、频率转换时间等等。
合成器的体积、重量、功耗与成本等，就是由这些指标决定的。
（1）频率围
这是指频率合成器的工作频率围，视用途而定，有短波、超短波微波等频段。
一般包括合成器输出信号的中心频率fo及带宽B。
（2）频率间隔
频率合成器的输出频谱是不连续的。
两个相邻频率之间的最小间隔，就是频率间隔。
频率间隔又称为分辨力。
不同用途的频率合成器对频率分辨力有不同的要求。
有的可以达到MHz的分辨力，有的可达到kHz级的分辨力，有的则需要达到Hz甚至是MHz级的分辨力。
（3）频率稳定度和准确度
频率稳定度是指在一定的时间间隔，合成器输出频率变化的大小。
频率准确度是指频率合成器的实际输出频率偏离标称工作频率的程度。
频率准确度与稳定度之间有区别又有联系，只有稳定才能保证准确。
因此，常将工作频率相对于标称值的偏差也计入在不稳定偏差之，因此，只需考虑频率稳定度即可。
频率稳定度从时域角度分为长期稳定度、短期稳定度和瞬时稳定度。
其中，长期稳定度是指在年、月等长期时间频率的变化，频率的漂移主要是有石英晶体振荡器老化引起的，属于确定性的变化。
短期稳定性是指日、小时的频率变化，这种频率的变化实际上是晶振老化漂移和频率的随机起伏引起的。
瞬时稳定度是秒，甚至是毫秒时间频率的漂移，这个漂移是随机的，主要由噪声和干扰引起的。
（4）频率转换时间
频率合成器从一个频率转换到另一个频率，并且达到稳定所需要的时间称之为频率转换时间。
在雷达、通信以及电子对抗等许多领域，对频率合成器的频率转换时间往往提出了严格甚至苛刻的要求，频率转换时间有时要达到us数量级。
频谱纯度是指合成器信号源输出频谱偏离纯正弦波谱的量度。
影响信号源频谱纯度的因素较多，主要包括：
①相位噪声
②AM噪声
③非谐波相关杂散边带（杂散）
④谐波相关带
⑤有源器件产生的闪烁噪声
⑥分频器的噪声
⑦倍频器的噪声
上述影响频谱纯度的因素中，起主要作用的是相位噪声和杂散，因此，在讨论频率稳定度和频谱纯度时主要考虑这两个指标。
（5）系列化、标准化和模块化的可实现性。
任何单只频率合成器不可能包含所有频段，因此有系列化要求。
另外，在实现不同频率合成器时，还要考虑所有模块的通用性（在转换频段工作时，需要换模块的品种越少越好）和互换性。
（6）成本、体积及质量。
2.3频率合成的基本方法
频率合成法基本上可分为直接合成法和间接合成法。
而在具体实现中又可划分为三种，即通常所说的直接模拟频率合法、间接锁相式合成法、直接数字频率合成法。
对于这三种方法的比较如下。
（1）直接模拟频率合成技术：
直接模拟合成利用倍频（乘）、分频（除）、混频（加减）和滤波技术，所需的频率是从一个或多个高稳定度和精确度的参考频率源产生。
它的优点是频率转换时间短，载频相位好等。
缺点是该方法采用了大量的分频、混频、倍频和滤波等模拟元件导致了硬件电路体积大、功耗大且容易产生过多的杂散分量，元件差难以抑制的非线性影响，所以合成的正弦波的幅度、相位等参数难以控制。
（2）间接锁相式（PLL）频率合成技术：
该技术能够很好选择频率、抑制杂散分量，而且频率的稳定性很好。
但是，由于锁相环有惰性，该技术中频率转换时间和频率分辨率难找到平衡点，因而该技术一般用于步进较大的频率合成中。
（3）直接数字频率合成法：
即DDS技术，该技术采用数字化技术，引入“相位”的概念，是通过控制相位的变化速度来直接产生各种频率的信号。
DDS具有可编程、相位可控、频率转换快、分辨率高、频谱纯度高、频率输出围宽、生成的正弦／余弦信号正交特性好等优良性能，所以在现代频率合成领域中地位日益重要。
而且DDS是全数字化结构，易于集成、功耗低、体积小、重量轻、易于程序控制、灵便实用，性价比很高，故应用广泛。
2.4频率合成器的长期频率稳定度和相位噪声
2.4.1长期频率稳定度
频率稳定度发信机的每个波道都有一个标称的射频中心工作频率，用f0表示。
工作频率的稳定度取决于发信本振源的频率稳定度。
设实际工作频率与标称工作频率的最大偏差值为Δf，则频率稳定度的定义为频率稳定度式中为K为频率稳定度。
K=△f/f0公式（2-1）
一般频率稳定度可以取1×10-5～2×10-5左右。
目前较好的介质稳频振荡器可达到1×10-5～2×10-5左右。
当对频率稳定度有严格要求时，例如，要求1×10-6～5×10-6时，则必须采用石英晶体控制的分频锁相或脉冲锁相振荡源。
收信设备频率稳定度应和发信设备具有相同的指标，通常为1×10-5～2×10-5，高性能发信机可达1×10-6～5×10-6。
收信本振和发信本振常采用同一方案，用两个相互独立的振荡器，在有些中继设备里，收信本振功率是发信本振功率取出一部分进行移频得到的，收信与发信本振频率间隔约300MHz左右。
这种方案的好处是收信与发信本振频率必是同方向漂移，因此用于中频转接站时，可以适当降低对振荡器频率稳定度的要求。
频率稳定度标识了数传电台工作频率的稳定程度。
单位为ppm（partpermillion百万分比），通常的频率稳数传电台定度应在：
±1.5ppm左右。
2.4.2相位噪声
相位噪声作为频率合成器的一项重要技术指标，其性能好坏直接影响了电子系统的性能。
用这种信号不论做发射激励信号，还是接收机本振信号以及各种频率基准时，这些相位噪声将在解调过程中都会和信号一样出现在解调终端，引起基带信噪比下降，影响电子系统目标的分辨能力，即改善因子。
接收机本振的相位噪声，当遇到强干扰信号时，会产生“倒混频”使接收机有效噪声系数增加。
所以随着电子技术的发展，对频率合成器的相位噪声要求就越来越高，因此研究低相位噪声、高可靠性频率合成器成为系统发展的重要方向。
（1）相位噪声概述
相位噪声，就是指在系统各种噪声作用下所表现的相位随机起伏，相位的随机起伏必然引起频率随机起伏，这种起伏速度较快，所以又称之为短期频率稳定度。
理想情况下，合成器的输出信号在频域中为一根单一的谱线，而实际上任何信号的频谱都不可能绝对纯净，总会受到噪声的调制产生调制边带。
由于相位噪声的存在，使波形发生畸变。
在频域中其输出信号的谱线就不再是一条单根的谱线，而是以调制边带的形式连续地分布在载波的两边，在主谱两边出现了一些附加的频谱，从而导致频谱的扩展，相位噪声的边带是双边的，是以f0为中心对称的，但为了研究方便，一般只取一个边带。
其定义为偏离载频1Hz带宽单边带相位噪声
的功率与载频信号功率之比，它是偏离载频的复氏频率fm的函数，记为E（fm），单位为dBc／Hz，即
E（fm）=10lg[PSSB/PO]公式（2-2）
公式（2-2）中，PSSB为偏离载频fm处，1Hz带宽单边带相位噪声功率；P0为载波信号功率。
（2）频率合成器中的噪声特性分析
在频率合成器中，噪声的来源是多方面的，既有外部噪声，也有电子电路的部噪声，一般只考虑随机噪声的影响。
2.4.3噪声来源
微波管的相位噪声在其诞生之初就为人们所注意，但在很长时间都没有很明确的解释，不过大多数研究都认为与电子束的脉动起伏有关。
离子噪声的重要特点是频率很低，一般在几兆赫兹，有时可达到低声频以至超低声，这样低的频率是无法由微波谐振电路产生的，也远低于管子的任何等离子体振荡频率，近似于驰振荡。
具体的物理过程大致如下：
电子束由于非平衡的布里渊聚焦而产生了沿轴向的脉动，由于空间电荷效应，在轴线产生了静电势。
由电子束碰撞产生的正离子被俘获在势阱中，当填充到一定程度，电子束聚焦状况会发生变化，势阱向阴极移动，离子随之被释放，打在阴极上，这一过程周期性地反复进行。
在离子被俘获、逃逸、再俘获的过程中，沿轴线静电势阱要相应发生变化，使电子束的轴向速度改变，再与高频场相互作用，形成输出信号的噪声。
速调管与行波管作为大功率微波真空器件，广泛应用于通信、雷达、电子对抗、遥感等领域。
但是和所有真空器件一样，管子不可能处于绝对的真空中，总是带有少量的残余气体。
电子束碰撞电离这些背景气体，会产生正离子，其空间电荷效应会改变电子束的状态，进而影响到电子束与波的互作用，使信号产生振幅与相位（特别是相位）的周期性扰动，这种扰动被称为离子噪声，有时也称为相位。
3.直接频率合成（DS）技术
直接频率合成方法是最早出现的频率合成方法，也是最为经典的频率合成技术。
该方法是指利用一个或多个高温定高频谱纯度的参考晶体振荡器，经过混频器、倍频器、分频器、带通滤波器实现对输入参考晶体振荡频率的加、减、乘、除运算，以产生所需要的各种频率。
按频率合成器所需要的参考晶振源的数量多少，合成方法可以分为两种：
非相干法和相干法。
由于非相干法需要多个参考晶振源，而且制作具有相同的频率稳定度和频率精度的多个晶体难度非常大，同时还存在着体积大、造价高和系统复杂的缺点。
另外该方法输出的频率与参考晶振无固定的相位关系。
如果在全相参雷达系统、通信相干接收系统等场合采用该合成方法是不能实现相参要求的。
因此，这种合成方法现已较少采用。
而相干法仅仅使用一个参考晶振，频率合成器输出的各种频率都由该参考晶振直接或间接产生，因此，输出频率的稳定度和频率精度与参考源一致，同时也可以使输出频率与参考晶振保持严格固定的相位关系，因此，这种合成方法得到广泛应用。
3.1直接频率合成器的基本原理和组成
直接模拟合成利用倍频（乘）、分频（除）、混频（加减）和滤波技术，所需的频率是从一个或多个高稳定度和精确度的参考频率源产生。
它的优点是频率转换时间短，载频相位好等。
缺点是该方法采用了大量的分频、混频、倍频和滤波等模拟元件导致了硬件电路体积大、功耗大且容易产生过多的杂散分量，元件差难以抑制的非线性影响，所以合成的正弦波的幅度、相位等参数难以控制。
用混频器、倍频器和分频器实现频率间的加、减、乘、除来产生新频率，并靠滤波器选择使信号纯净。
图3-1是直接合成式频率合成器的原理图，用插入除10的分频器来获得十进位。
当开关S1、S2都在1位时,频率合成器输出频率为频率合成当开关S1、S2都在10位时，频率合成器输出频率为由此可知，频率合成器的输出频段为0～9.9fr，分辨率式。
fR是参考源频率,n1、n2、m根据电路实现的可能和有利情况来选择。
直接合成的分辨率高，转换时间短，频段宽，相位噪声小，但设备大而且复杂，成本高。
全数字化的直接合成利用计算机技术，其分辨率高，转换速度可小到1纳秒，但最高频率仅为参考源频率的四分之一，而且还与所采用器件的转换速度有关。
图3-1直接合成式频率合成器的原理图
如图3-2所示，输出信号频率fo=f3±f2±f1。
其中f3决定了工作频段，f2决定了工作带宽，f1决定了频率分辨力。
该框图看起来易于实现，其实不然，因为，每个频标发生器和开关滤波器组不仅成本昂贵，而且由于混频窗口、滤波器可实现性和开关隔离度等因素的限制，实现起来非常复杂。
基
准
源
低频频标发生器
开关滤波器组1
参
中频频标发生器
考
信
高频频标发生器
开关滤波器组2
号f3输出信号f0
图3-2直接频率合成原理方框图
3.2直接频率合成器的几个主要组成电路
3.2.1混频器
混频是指将信号从一个频率变换到另外一个频率的过程，其实质是频谱线性搬移的过程。
在超外差接收机中，混频的目的是保证接收机获得较高的灵敏度，足够的放大量和适当的通频带，同时又能稳定地工作。
混频电路包括三个组成部分：
本机振荡器、非线性器件、带通滤波器。
混频器将天线上接收到的信号与本振产生的信号混频，
cosαcosβ=[cos（α+β）+cos（α-β）]/2公式（3-1）
可以这样理解，α为信号频率量，β为本振频率量，产生和差频。
当混频的频率等于中频时，这个信号可以通过中频放大器，被放大后，进行峰值检波。
检波后的信号被视频放大器进行放大，然后显示出来。
由于本振电路的振荡频率随着时间变化，因此频谱分析仪在不同的时间接收的频率是不同的。
当本振振荡器的频率随着时间进行扫描时，屏幕上就显示出了被测信号在不同频率上的幅度，将不同频率上信号的幅度记录下来，就得到了被测信号的频谱。
从工作性质可分为二类，即加法混频器和减法混频器分别得到和频及差频。
从电路元件也可分为三极管混频器和二极管混频器。
从电路分有混频器和变频器。
混频器和频率混合器是有区别的。
后者是把几个频率的信号线性的迭加在一起，不产生新的频率。
1.混频器的一些性能指标
（1）工作频率
信号工作频率外，还应注重本振和中频频率应用围。
（2）噪声系数
混频器的噪声定义为：
NF=Pno/Pso。
Pno是当输入端口噪声温度在所有频率上都是标准温度即T0=290K时，传输到输出端口的总噪声资用功率。
Pno主要包括热噪声，部损耗电阻热噪声，混频器件电流散弹噪声及本振相位噪声。
Pso为仅有有用信号输入在输出端产生的噪声资用功率。
（3）变频损耗
混频器的变频损耗定义为混频器射频输入端口的微波信号功率与中频输出端信号功率之比。
主要由电路失配损耗，二极管的固有结损耗及非线性电导净变频损耗等引起。
（4）1dB压缩点
在正常工作情况下，射频输入电平远低于本振电平，此时中频输出将随射频输入线性变化，当射频电平增加到一定程度时，中频输出随射频输入增加的速度减慢，混频器出现饱和。
当中频输出偏离线性1dB时的射频输入功率为混频器的1dB压缩点。
对于结构相同的混频器，1dB压缩点取决于本振功率大小和二极管特性，一般比本振功率低6dB。
（5）动态围
动态围是指混频器正常工作时的微波输入功率围。
其下限因混频器的应用环境不同而异，其上限受射频输入功率饱和所限，通常对应混频器的1dB压缩点。
（6）双音三阶交调
假如有两个频率相近的微波信号fs1和fs2和本振fL0一起输入到混频器，由于混频器的非线性作用，将产生交调，其中三阶交调可能出现在输出中频四周的地方，落入中频通带以，造成干扰，通常用三阶交调抑制比来描述，即有用信号功率与三阶交调信号功率比值，常表示为dBc。
因中频功率随输入功率成正比，当微波输入信号减小1dB时，三阶交调信号抑制比增加2dB。
（7）隔离度
混频器隔离度是指各频率端口间的相互隔离，包括本振与射频，本振与中频，及射频与中频之间的隔离。
隔离度定义为本振或射频信号泄漏到其它端口的功率与输入功率之比，单位dB。
（8）本振功率
混频器的本振功率是指最佳工作状态时所需的本振功率。
原则上本振功率愈大，动态围增大，线性度改善（1dB压缩点上升，三阶交调系数改善）。
（9）端口驻波比
端口驻波直接影响混频器在系统中的使用，它是一个随功率、频率变化的参数。
（10）中频剩余直流偏差电压
当混频器作鉴相器时，只有一个输入时，输出应为零。
但由于混频管配对不理想或巴伦不平衡等原因，将在中频输出一个直流电压，即中频剩余直流偏差电压。
这一剩余直流偏差电压将影响鉴相精度。
3.2.2倍频器
倍频器（frequencymultiplier）使输出信号频率等于输入信号频率整数倍的电路。
输入频率为f1，则输出频率为f0＝nf1，系数n为任意正整数，称倍频次数。
倍频器用途广泛，如发射机采用倍频器后可使主振器振荡在较低频率，以提高频率稳定度；调频设备用倍频器来增大频率偏移；在相位键控通信机中，倍频器是载波恢复电路的一个重要组成单元。
倍频器有晶体管倍频器、变容二极管倍频器、阶跃恢复二极管倍频器等。
用其他非线性电阻、电感和电容也能构成倍频器，如铁氧体倍频器等。
非线性电阻构成的倍频器，倍频噪声较大。
这是因为非线性变换过程中产生的大量谐波使输出信号相位不稳定而引起的。
倍频次数越高，倍频噪声就越大，使倍频器的应用受到限制。
在要求倍频噪声较小的设备中，可采用根据锁相环原理构成的锁相环倍频器和同步倍频器。
但是，这类倍频器线路比较复杂，倍频次数一般不太高，而且还可能出现相位失锁等问题。
振荡器的频率稳定度不太高，在几十兆赫至百兆赫的晶体振荡器后面加上一级高次微波倍频器，可以获得具有晶振频率稳定度的微波振荡。
另外，多级倍频器级联起来，可以使倍频次数大大提高。
例如，二倍频器和三倍频器级联可产生六次倍频，m级N倍频器级联，总倍频次数为Nm。
不过，倍频级数增加，倍频噪声也加大，故倍频上限仍受到限制。
1.倍频器功能
倍频器实质上就是一种输出信号等于输入信号频率整数倍的电路，常用的是二倍频和三倍频器。
在手持移动中倍频器的主要作用是为了提升载波信号的频率，使之工作于对应的信道；同时经倍频处理后，调频信号的频偏也可成倍提高，即提高了调频调制的灵敏度，这样可降低对调制信号的放大要求。
采作倍频器的另一个好处是：
可以使载波主振荡器与高频放大器隔离，减小高频寄生耦合，有得于减少高频自激现象的产生，提高整机工作稳定性。
2.倍频器的基本原理
微波倍频器是
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