基于DDS的快速跳频频率合成器的设计

摘要：介绍了直接数字频率合成（DDS）技术的工作原理及特点，并给出了基于DDS设计快速跳频频率合成器的方案。

    关键词：跳频 DDS AD9952 SPI

跳频通信是扩频通信的一种主要形式。由于其具有抗干扰、抗截获的能力，并能做到频谱资源共享，在当前军事抗干扰通信系统中被广泛应用。跳频通信系统的一项重要参数是频率的跳变速度。它在很多程度上决定了跳频通信系统抗跟踪式干扰的能力，这一点在电子对抗中尤为重要。因此，快速跳频频率合成器的设计就成为跳频通信的关键之一。目前频率合成主有三种方法：直接模拟合成法、锁相环合成法和直接数字合成法。直接模拟合成法利用倍频（乘法）、分频（除法）、混频（加法与减法）及滤波，从单一或几个参数频率中产生多个所需的频率。该方法频率转换时间快（小于100ns），但是体积大、功耗大，目前已基本不被采用。锁相环合成法通过锁相环完成频率的加、减、乘、除运算。该方法结构简化、便于集成，且频谱纯度高，目前使用比较广泛，但存在高分辨率和快转换速度之间的矛盾，一般只能用于大步进频率合成技术中。直接数字合成（DDS）是近年来迅速发展起来的一种新的频率合成方法。这种方法简单可靠、控制方便，且具有很高的频率分辨率和转换速度，非常适合快速跳频通信的要求。本文将介绍DDS的工作原理，并给出基于DDS的跳频频率合成器的设计。

1 DDS的结构及工作原理

直接数字频率合成是采用数字化技术，通过控制和位的变化速度，直接产生各种不同频率信号的一种频率合成方法。

DDS的结构原理图如图1所示，它由相位累加器、正弦ROM表、D/A转换器等组成。参考时钟fr由一个稳定的晶体振荡器产生，用它来同步整个合成器的各个组成部分。相位累加器由N位加法器与N位相位寄存器级联构成，类似于一个简单的加法器。每来一个时钟脉冲，加法器就将频率控制字K与相位寄存器输出的累加相位数据相加，然后把相加后的结果送至相位累加器的数据输入端。相位寄存器就将加法器在上一时钟作用后产生的新相位数据反馈到加法器的输入端，以使加法器在下一个时钟的作用下继续将相位数据与频率控制字相加。这样，相位累加器在参考时钟的作用下进行线性相位累加。当相位累加器累加满量进，就会产生一次溢出，完成一个周期性的动作，这个周期就合成信号的一个周期，累加器的溢出频率也就是DDS的合成信号频率。

图1 DDS的结构原理图

    DDS的工作原理是：在参考时钟fr的控制下，频率控制字K由累加器加以得到相应的相位数据，把此数据作为取样地址，来寻址正弦ROM表进行相位-幅度变换，输出不同的幅度编码；再经过D/A转换器得到相应的阶梯波；最后经低通滤波器对阶梯波进行平滑处理，即可得到由频率控制字决定的连续变化的输出正弦波。

DDS的输出频率f0、参考时钟频率fr、相位累加器长度N以及频率控制字K之间的关系为：

f0=K×fr/2N

DDS的频率分频率为：Δf0=fr/2N

由于DDS的最大输出频率受奈斯特抽样定理限制，所以fmax=fr/2。

2 DDS的特点及跳频能力

新一代的直接数字频率合成器采用全数字的方式实现频率合成，与传统的频率合成技术相比，具有以下特点：

（1）频率转换快。直接数字频率合成是一个开环系统，无任何反馈环节，其频率转换时间主要由频率控制字状态改变所需的时间及各电路的延时时间所决定，转换时间很短。

（2）频率分辨率高、频点数多。DDS输出频率的分辨率和频点数随机位累加器的位数的增长而呈指数增长。分辨率高达μHz。

（3）相位连续。DDS在改变频率时只需改变频率控制字（即累加器累加步长），而不需改变原有的累加值，故改变频率时相位是连续的。

（4）相位噪声小。DDS的相位噪声主要取决于参考源的相位噪声。

（5）控制容易、稳定可靠。

衡量跳频频率合成器性能指标的因素有：频率范围、频率分辨率、频率转换时间、频率准确度和稳定度、频谱纯度等。其中，跳频速度和频率点数是决定跳频通信系统性能的主要因素，系统的抗干扰和保密能力随频率点数的增高和跳速的加快而加强。从DDS的特点可以看出，直接数字频率合成器各个性能指标都较高，特别是其频率转换速度，因此它是实现快速跳频