DDS带内杂散对比分析及优化方法

张雷雨田

(四川九洲电器集团有限责任公司 第2研究所，四川 绵阳 621000)

DDS带内杂散对比分析及优化方法

张雷雨田

(四川九洲电器集团有限责任公司 第2研究所，四川 绵阳 621000)

摘要针对直接数字频率合成技术固有的杂散特性大幅地限制了其应用问题。文中在分析DDS工作原理及杂散噪声来源的基础上，发现利用改变直接数字频率合成器芯片频率步进可改善频率合成器产生信号的带内杂散。采用一个以AD9858芯片为核心的硬件平台进行实物对比测试，验证了频率步进控制字越小其合成信号的带内杂散越低。

关键词直接数字频率合成器；带内杂散；AD9858

DDS技术是近些年来迅速发展的频率合成技术，其采用全数字化的技术，具有集成度高、体积小、相对带宽大、频率分辨率高、跳频时间短、相位连续性好、可宽带正交输出、可外加调制的优点，并能直接与FPGA等器件构成智能化的频率源[1]。

现代雷达面临着综合性电子干扰、反辐射导弹、低空和超低空突防及隐身技术的威胁，这就要求现代雷达有反无源和有源干扰、反隐身能力，信号具有频率捷变、波形捷变、自适应调频功能，对雷达提出更多要求。具有全频带、高稳定、快速跳变、和任意波形输出能力的DDS在雷达系统中有着重要意义[2-4]。在雷达系统中线性调频信号是一种常用的大时带积信号，脉压技术在这种信号上的应用已较为成熟，雷达可采用这种信号同时获得远的作用距离和较高的距离分辨率[5]。产生复杂编码的线性调频信号通常使用DDS芯片，但DDS作为频率源会带入大量杂散，降低雷达的探测性能，本文对一种DDS芯片在不同的条件下的带内杂散进行了测试，分析一种优化信号杂散的方法，用以提高信号质量。

1DDS原理

DDS是对高速存储器查表产生的数字形式信号经DAC转换成为模拟信号输出的一种技术，基本结构原理如图1所示。主要包括系统时钟、相位累加器、正弦查询表、DAC数模转换器和低通滤波器。控制电路根据模拟波形信号要求，输出相应的频率控制字、相位控制字以及波形选择字，控制DDS芯片产生该特定频率和调制的波形，经滤波放大后输出[6]。

图1　DDS原理图

2杂散分析

AD9858主要寄存器包括CFR控制寄存器、FIW频率控制寄存器、DFTW频率步进控制寄存器、DFRRW频率斜率控制寄存器、POW相位控制寄存器。其中DFRRW是一个16位无符号的时钟分频频率累加器，其决定与DDS系统时钟的步进关系[7]。

(1)

(2)

(3)

其中，Δt为频率跳变时间；Δf为跳变间隔频率；SYSCLK为系统参考时钟；ff为线性调频终止频率；fs为线性调频起始频率。

越大的频率斜率控制字，会导致起始终止频率间每两频率点的时间间隔越大，频率输出越不圆滑，存在模拟信号的非线性特性、引入误差，导致杂散增大。

图2　斜率控制字—时间关系图

3平台测试

硬件测试环境采用1款ADI公司推出的DDS芯片为中心，AD9858可对频率、相位和幅度进行控制输出线性调频信号，有频率可调范围宽、波形丰富、实现调幅、调频容易等特点，拥有最大采样频率可达1 000 MSample·s-1、10 bit D/A转换器、32 bit的频率分辨率、14 bit的相位分辨率。同时使用基于FPGA的数字控制电路、带通滤波器、放大器、外部控制接口等电路组成，总体设计框图如图3所示[8]。

图3　硬件设计框图

时钟接口提供相参的AD9858系统时钟与FPGA工作时钟，以便产生出系统相参的模拟信号，控制接口主要用于接收同步时序控制信号与参数控制信息，由FPGA生成频率控制字、频率步进控制字、频率斜率控制字等信息写入AD9858，实现了频率和相位的连续可调。

该系统在工作时，控制发出控制信号以决定系统产生波形的种类及参数,根据操作模式决定所产生波形的周期，并产生周期性的信号。AD9858采用差动电流输出，然后经偏压电阻网络形成输出电压，再经上变频电路送至微波接口。AD9858的同时具有4套频率发生寄存器及4个相位调整寄存器，这使其可方便快速地产生跳频信号以及四相码编码调制信号,而且其转换时间较短[9-10]。

图4　软件流程框图

对比测试1，采用500 MHz的系统时钟，利用FPGA的控制电路配置AD9858，使用不同的频率步进控制字，输出中心频率60 MHz，带宽、时宽可变的线性调频信号。

表1　第1组参数(500 MHz时钟)

表2　第2组参数(500 MHz时钟)

对比测试2，提升系统时钟至1 000 MHz，更改FTW参数，输出频率60 MHz，同时DFTW反比于系统时钟，DFRRW正比于系统时钟，得到以下配置参数。

表3　第3组参数(1000 MHz时钟)

4数据分析

使用Agilent频谱仪E4440A进行测试，SPAN设为500 Hz、RBW设为1 Hz，对上述对比测试的数据进行记录得到表4所示。

表4　3组参数带内杂散对比

由第2组与第1组的测试数据对比可看出，发现降低DRRRW与DFTW的参数值可有效降低线性调频信号的带内杂散，但同时由于频率步进字DFTW的参数值与斜率控制字DFRRW的参数比值正比于时宽带宽的比值，所以频率步进与驻留时间的选择会影响带宽宽度。在保证带宽的情况下，需设置AD9858具有尽量小的DFRRW与DFTW。

在第3组与第2组的测试数据对比可看出，提高系统时钟可提高频率步进与降低驻留时间，但在更改寄存器数值，使其工作参数和第2组可以相比拟，最后测得带内杂散的数值与第2组相当，证明使用近似的频率步进与驻留时间得到的调频信号带内杂散基本不变。

5结束语

本文通过以AD9858芯片为核心器件的板卡进行测试，分析出FPGA作为控制器在不同参数控制的情况下引入不同带内杂散的关系。发现增加频率变化平滑度，可有效降低输出信号的带内杂散。在产生雷达信号时，首先保证时宽带宽的准确，选取合适的参数可以有效提高雷达信号源的信号质量。

参考文献

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[2]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.

[3]许德志,丁才成.一种基于DDS技术的信号发生器研究与实现[J].电子科技,2010,23(3):59-61.

[4]刘成尧,王小海,祁才君.基于CPLD集成芯片FLEX6016实现DDS技术的任意波形发生器的研制[J]. 电测与仪表,2003,40(4):14-18.

[5]王玉娟.高分辨力线性调频脉冲压缩雷达信号处理技术研究[D].南京:南京理工大学,2012.

[6]吴琳拥,李春林.基于AD9959的多路同步雷达回波信号源设计[J].电子科技,2014,27(1):87-89.

[7]Analog Devices,Inc.AD9858 Data sheet[M].MA, USA:Analog Devices,Inc,2003.

[8]葛健.基于AD9858宽带线性扫频源研究[D].南京:南京理工大学,2005.

[9]王辉.高性能DDS器件AD9858及其在雷达信号源中的应用[J].电子设计工程,2003(12):23-25.

[10]刘洪彪,骆鲁秦,崔伟.可编程模拟雷达信号源的设计[J].电子科技,2011,24(2):30-32.

Comparative Analysis and Optimization Method of DDS’s Spurious in band

ZHANG Leiyutian

(The Second Research Institute ,Sichuan Jiuzhou Electric Group Co., LTD, Mianyang 621000, China)

AbstractDirect digital frequency synthesis technology has important position in the field of frequency synthesis, but the connatural spur characteristic greatly limits its application development. In this paper, based on the analysis of working principle of the DDS and spurious noise source, we found that delta frequency tuning words change of direct digital frequency synthesizer chip can improve Spurious in band. Adopting a AD9858 chip as the core physical contrast test on the hardware platform, verify the delta frequency tuning words is smaller, the lower Spurious in band of direct digital frequency synthesis.

KeywordsDDS; apurious in band; AD9858

收稿日期:2015-01-29

作者简介:张雷雨田(1984-)，男，工程师。研究方向：微波技术。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.06.023

中图分类号TN74+2.1

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)06-079-03