数字控制RF合成信号源的设计与实现*

粟向军，陈　松，荣　军，鲁范旗（湖南理工学院　信息与通信工程学院，湖南　岳阳　414006）

数字控制RF合成信号源的设计与实现*

粟向军，陈松，荣军，鲁范旗
（湖南理工学院信息与通信工程学院，湖南岳阳414006）

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1Hz～40MHz可调，最小可调步进为1Hz，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。在完成软硬件设计后，通过使用多种电子仪器对系统性能和技术参数进行实验测试，结果表明各项指标都符合设计要求。

数字控制；射频信号源；直接数字频率合成；调制

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。

图1　系统整体框图

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。

图2　DDS正弦波发生器框图

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：

在AD9852中，频率分辨率为：

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。

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=3.92kΩ时，满度IOUT=10mA，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≈1V。

2.1.2FM信号产生电路设计

由模拟FM原理可知：

其中，f为瞬时频率，f0为载波频率，Δfm为瞬时最大频偏。

在AD8952中，上述调频过程是全数字化的，设Δfm、sinΩt对应的数字式分别为FSWm、VΩD，则有：

其中，Di＝0，1，3，5，…，255，VΩD送数周期为1ms。

因此，可以得到数字调频公式为：

其中，FSW0对应瞬时频率f。

2.1.3AM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：

其中，Vom为载波幅度，在本设计中设为0.5V。

根据题目要求，ma做步进调节时，相应的VΩm改变如表1所示。

表1　AM信号产生与步进控制的关系

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AD9852Rest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

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40MHz内正弦信号输出，采用截止频率为50MHz的低通滤波器电路符合要求。具体设计的7阶50MHz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。

图3　输出级放大电路

图4　50MHz滤波电路

图5　程序流程图

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：1Hz～40MHz，具有频率设置功能，频率步进为1Hz，并且输出信号频率稳定度优于10-5；输出电压幅度在50Ω负载电阻上的电压峰-峰值Vopp≥5V；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1Hz。

表2　频率测试表

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。

表3　幅度测试表

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。

图6　各种调制信号的测试图

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1Hz～40MHz，频率分辨率为1Hz，输出电压范围为0～5V，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。

［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.

The design and implementation of digital control RF synthesis signal source

Su Xiangjun，Chen Song，Rong Jun，Lu Fanqi
（Department of Information and Communication Engineering，Hunan Institute of Science and Technology，Yueyang 414006，China）

The paper designs a kind of RF synthetic source system based on the technology of direct digital frequency synthesis（DDS）.The system uses method of AD9852 and MCU C8051F020 combination，uses AD9850 as frequency synthesizer，and uses MCU C8051F020 as the center of system control and task scheduling.The system can achieve the output signal frequency range for 1 Hz to 40 MHz adjustable，the minimum adjustable step is 1Hz，and the frequency stability is better than 10-5.In addition，the system realizes the amplitude modulation，frequency modulation，phase shift keying，frequency shift keying and sweep functions.The system has been completed the design of hardware and software，and each index meets the design requirements through using a variety of electronic instruments on system performance and technical parameters.

digital control；radio-frequency signal source；DDS；modulation

TM46

A

1674-7720（2015）10-0001-03

2015-01-30）

粟向军（1964-），男，硕士，教授，主要研究方向：通信仿真技术。

湖南省科技计划项目（2014GK2006）