孟祥軍（沈陽斯達特電子科技有限公司,遼寧沈陽，110122）

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基于DDS和DSP提高跳頻頻率合成器的幅度穩(wěn)定性研究

孟祥軍
（沈陽斯達特電子科技有限公司,遼寧沈陽，110122）

摘要：針對于傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)中跳頻速度慢、分辨率不足的問題，設計了基于DSP+DDS的高速度、高分辨率的跳頻器。通過DSP 對DDS的制產生調頻序列，同時通過自學習產生頻率幅度曲線，對產生的信號進行閉環(huán)控制產生高穩(wěn)定頻率和幅度輸出。

關鍵詞：自學習；DDS；幅度穩(wěn)定性

0　引言

通信系統(tǒng)在民用、商用、軍事上承擔著語音、圖像等重要數據信息的傳輸作用；尤其是涉及到國家安全的信息傳遞設計到國家安全和國家利益的問題；信息傳送的安全成為重中之重。作為無線傳輸設備的發(fā)射接收開放性，往往存在容易被截獲、偵聽、干擾的問題；而跳頻通信的方式可以極大的降低信息泄漏的風險；而跳頻的核心部件跳頻頻率合成器，決定了一個跳頻通信系統(tǒng)的關鍵性能指標。近年來低功耗DDS的出現對設備終端的小型化和低功耗化起到了很好的作用，而文獻[4]的功耗較大和信號穩(wěn)定性控制沒有起到閉環(huán)控制，導致在整個頻帶范圍內信號幅度變化較大。本設計就是設計一套基于DSP+DDS的低功耗跳頻系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)硬件設計

本設跳頻系統(tǒng)計采用TI的TMS320VC5509A的數字信號處理芯片(DSP)作為控制單元，以直接數字頻率合成芯片(DDS) AD9953作為頻率發(fā)生單元；以高速運放AD8037和高速開關二極管IN4148構成了精密整理電流，作為幅度檢測單元；以高速乘法器AD834和數模轉換器MAX532ACWE構成了幅度控制單元；系統(tǒng)主要有上述的4個單元共同構成一個高速頻率捷變、頻率分辨率高、頻率穩(wěn)定性高、幅度穩(wěn)定性高的跳頻頻率合成器單元。系統(tǒng)構成如圖1系統(tǒng)結構圖所示。

圖1：系統(tǒng)結構圖

本系統(tǒng)的采用的控制芯片TMS320VC5509A的工作時鐘最高達到200M；而該芯片另一個特性是低功耗，本設計采用了TQFP封裝144腳的芯片，最高工作頻率可以達到144M；本系統(tǒng)采用100M工作主頻，外部采用25M高穩(wěn)定度的有源時鐘信號，為控制芯片提供時鐘頻率，DSP采用4倍頻，使系統(tǒng)工作在100M主頻?？刂菩酒娫床捎昧薚PS767D301PWP高穩(wěn)定雙電源為DSP提供1.8V內核電源和3.3V外部IO單元電源。該芯片內部有128Kx16bit的RAM，可以完成代碼加載和復雜算法計算所需要的RAM空間；芯片采用Boot Loader方式加載代碼。

使用芯片自帶的ADC進行對幅度檢測單元進行信號幅度采集。采用芯片自帶的高速SPI口控制DDS和幅度控制單元的芯片工作。實踐中TMS320VC5509A與DDS和DAC的通信速度可以達到10Mbit/S。可以輕松實現對其進行1M/S的控制速度。

采用的DDS芯片為AD9953,該芯片最高工作主頻為400M，而時鐘源信號頻率為25M；因此DDS采用內部的倍頻電路，使外部低頻信號16倍頻后變?yōu)?00M，變?yōu)镈DS時鐘信號。由于DDS自身的性能限制其輸出最高頻率在應小于時鐘信號的40%，因此本系統(tǒng)定位最高頻率為150M，使得輸出信號平滑，信噪比較高。

圖2：DDS輸出的設定值和實際值之差

圖3　精密整理濾波電路

2　DDS頻率輸出控制分析

DDS芯片工作主要是對倍頻器設置、相位寄存器、頻率寄存器、工作模式寄存器等的設置來完成；設置較為簡單；根據被系統(tǒng)的性能要求，設定為輸出信號初始相位為0。在本系統(tǒng)中主要是關心的指標為頻率的輸出穩(wěn)定性文體。而DDS的頻率控制32bit的頻率寄存器來完成；其目的輸出頻率與DDS時鐘頻率和頻率寄存設置數據成線性關系。關系如等式1：

由等式2知由于fm為固定數據，為了提高數據的計算精度和DSP的計算速度，可以得到一個頻率與頻率設定寄存器的系數，其數據位等式3：

3　幅度檢測與計算

幅度檢測部分采用了標準的全波精密整流放大電路，完成對正弦信號轉化為直流信號的過程；該電路在工程應用中已經很成熟本設計放大器采用了高速AD8037和高速開關二極管IN4148構成。如圖3所示精密整流濾波電路：

該電路實現了對正玄信號的精密整理轉化為0-3.3v的直流電壓信號過程。其計算模型可以等效為如等式5所示：為ADC采集到電壓，為信號放大系數;為幅度單元輸出信號的峰峰值。由于采用的ADC為10bit的分辨率，對信號分辨能力為3.3mv。當系數信號為峰峰值1v的信號時，由于可以取值為3倍放大，經過處理后可以完成對輸出信號幅度1mv的采集分辨率；可以很好的控制變頻輸出信號的輸出幅度。

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4　輸出幅度控制原理

對于信號的輸出幅度控制，由于采用的高速乘法器AD834和數模轉換器MAX532ACWE設計，AD834的信號計算速度為500M的四象限乘法器；而MAX532ACWE為響應速度在1M以上的DAC輸出；可以快速實現對信號幅度的調整功能。MAX532ACWE雙路12位數模轉換器，一路配置為正常輸出方式，另一路采用分壓方式，分壓比例為1000：1；然后采用兩路模擬信號相加的的方式；即可以實現DAC輸出控制幅度控制電壓分辨率在50uV以內；通過AD834對和進行乘法計算，得到幅度可控的高穩(wěn)頻率、幅度的輸出信號。根據AD834的計算模型可以進行如下計算得到等式7；為AD834輸出負載的系數；由于AD834芯片特性要求和的絕對值必須小于1v的信號。

5　軟件實現

系統(tǒng)控制部分采用TMS320VC5509A完成;上電后，DSP首先根據預定模式進行代碼從外部存儲器中加載到片內RAM，然后進行DSP初始化，然后調用根據系統(tǒng)的模式加載參數，初始化DDS和根據輸出頻率初始化幅度控制單的DAC，同時檢測輸入信號。檢測完畢加載設置調頻部分進行工作。系統(tǒng)上電時序圖如圖4所示。

當幅度信號在10-160M之間幅度具有衰減的時候，啟用幅度自學習代碼，進行自學習校準功能。其校準的工作方法主要是根據輸出頻率，檢測對應的幅度值，當幅度超過誤差允許范圍時，通過設定DAC參數使輸出幅度可以進行放大和縮小的控制，構成閉環(huán)幅度控制系統(tǒng)，而校準后，可以得到一個頻率點和其幅度差值的控制表；當每次發(fā)生頻率變化的時候就計算出一個對應的DAC的輸出電壓來校準輸出幅度。幅度控制自學習的控制流程圖如圖5所示。

圖5　幅度控制自學習的控制流程圖

6　輸出數據測試

（1）系統(tǒng)工作頻率范圍：10M到110M赫茲時系統(tǒng)能夠輸出良好的調頻幅度波形。根據奈奎斯特定力，由于主頻在400M，系統(tǒng)最高能達到200M赫茲，但是實際測試中發(fā)現當信號超過140M以后，噪聲明顯增加，系統(tǒng)沒有達到理論極限之。

（2）測試得到的結果，由于頻率范圍從10M到110M赫茲之間變化時，當不采用幅度控制時，信號的幅度下降回答道30%，采用幅度控制后，信號的幅度能穩(wěn)定在峰峰值為1v誤差在5mv以內；達到了預期的幅度穩(wěn)定功能。

（3）當采用幅度自學習控制后，然后再進行調頻測試時發(fā)現信號能夠在跳頻速度為1000跳/秒 的速度下穩(wěn)定工作，良好的控制幅度，但是如果調頻速度到10000跳/秒，由于DAC補償的信號產生的噪聲明顯加強，如果更高速度調頻方式則難以達到幅度良好的跟蹤效果。

（4）調頻信道間隔：100-1000Hz可以通過軟件設定間隔。

（5）調頻信道數：可以進行最大5000個，其使用方式可以根據實際需要的方案制定。

（6）信號幅度穩(wěn)定度：幅度差小于5mV。幅度誤差小于2%。

（7）信號輸出幅度：Vpp=500mv.

跳頻過程中，示波器撲捉的信號測試如圖6所示：

圖6　在10M到30M之間調頻測試捕捉效果

7　結論

該設計有效的解決了DDS在寬頻帶范圍內輸出信號幅度不相等的問題。實現了自學習方式對DDS輸出不同頻點進行補償曲線的學習。而本系統(tǒng)采用了跟隨技術和對幅度控制的軟件工作量較大，而且系統(tǒng)的數據驗證需要大量的時間。又由于本系統(tǒng)工作頻率較高，尤其DDS輸出部分的信號使工作在10-150M之間，設計PCB時必須注意高頻干擾文體；而且本設計中采用了高頻乘法器和高速模擬放大器，這些器件設計和使用一定要注意高頻性能。PCB設計必須要采用手動布線結合軟件的仿真進行設計。經過測試該系統(tǒng)工作穩(wěn)定性良好，可以很好的完成跳頻中幅度穩(wěn)定性控制；可以應用到實際系統(tǒng)中。

參考文獻

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[2]童詩白 。模擬電子技術基礎(第四版)[M]. 高等教育出版社, 2010.

[3]梅文華，等．跳頻通信[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2005．

[4]李鵬，等．基于DSP的短波跳頻頻率合成器的設計[J].計算機測量與控制.2009.17.10.2036-2054

孟祥軍（1982.9-），男，山東鄆城人，大專，助理工程師，主要從事渦流檢測設備研究。沈陽斯達特電子科技有限公司研發(fā)部部長。

Research on amplitude stability of frequency synthesizer based on DDS and DSP

Meng Xiangjun
(Shenyang Strarter Electronic Technology Co; Ltd, Liaoning Shenyang, 110122)

Abstract：Aiming at the problem of slow frequency hopping and low resolution in traditional communication systems, a high speed and high resolution frequency hopping device based on DSP+DDS is designed. Through the DDS to produce the DSP frequency modulation sequence, while the frequency amplitude generated by selflearning curve, the signal generated by the closed-loop control of high frequency and amplitude output.

Keywords：self-learning;DDS;amplitude stability.

作者簡介