0 引言

    近年來，隨著數(shù)字電視、通信雷達(dá)、航空航天等領(lǐng)域技術(shù)的快速發(fā)展，對信號發(fā)生器的要求也越來越高，在一些特殊場合，傳統(tǒng)的信號發(fā)生器已經(jīng)難以滿足設(shè)計(jì)的需求^[1]。直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)自問世以來，由于其具有相對帶寬大、低成本、高分辨率和快速轉(zhuǎn)換時間等優(yōu)點(diǎn)^[2]，得到了越來越多的重視和應(yīng)用。但DDS技術(shù)輸出雜散多而且抑制不強(qiáng)成為限制其發(fā)展應(yīng)用的關(guān)鍵所在。傳統(tǒng)的DDS設(shè)計(jì)中，雜散抑制僅僅通過低通濾波器，可以在一定程度上濾除部分雜散，但在某些高頻信號中無法滿足要求。文獻(xiàn)[3]提出了利用信號對稱性進(jìn)行波形數(shù)據(jù)ROM壓縮，雖然在根本上抑制了相位截?cái)嗾`差和幅度量化誤差，但由于只能壓縮到原有的1/4，效果不是非常明顯。文獻(xiàn)[4]提出了相位擾動技術(shù)來抑制相位截?cái)嗾`差，但是只對邊帶雜散有抑制，對底邊的雜散抑制不明顯。本文針對幅度量化誤差和相位截?cái)嗾`差，應(yīng)用基于對稱性+Sunderland構(gòu)造對數(shù)據(jù)ROM進(jìn)行壓縮，可以將其壓縮為原來的1/12。同時設(shè)計(jì)了延時抖動法和LC校正電路對相位截?cái)嗾`差和幅度量化誤差進(jìn)行了有效的抑制。

1 DDS基本原理及雜散分析

1.1 DDS基本原理

    直接數(shù)字頻率合成器（DDS）基本原理如圖1所示。

    DDS一般由基準(zhǔn)時鐘源、相位累加器、相位調(diào)制器、波形存儲器、幅度調(diào)制器、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器LPF組成^[5]。整個系統(tǒng)在相同時鐘clk控制下，在每個時鐘周期，頻率控制字M與N位相位累加器進(jìn)行1次累加運(yùn)算。相位累加器輸出的相位作為地址送到數(shù)據(jù)ROM表，尋址存在ROM的波形幅度量化值數(shù)據(jù)，然后輸出，完成相位數(shù)據(jù)到幅度的變化，再經(jīng)過低通濾波器處理后得到理想的波形。

1.2 DDS雜散分析

    由于芯片資源的限制，導(dǎo)致數(shù)據(jù)ROM無法做到足夠大，因此對幅度值進(jìn)行了近似的存儲，幅度量化誤差就是由省略部分產(chǎn)生的。同時，因?yàn)橐螽a(chǎn)生的波形與幅度量化誤差具有相同的周期，所以幅度量化誤差不會引人其他的雜散。

    由此可見，如果數(shù)據(jù)ROM多存儲一位，信噪比就改善約6.02 dB。

    也是因?yàn)閿?shù)據(jù)ROM容量大小的限制，一般B取32位或48位，由相位累加器的高H位來尋址，這就導(dǎo)致舍去了L=B-H位，從而造成相位截?cái)嗾`差。

    設(shè)信號S(n)為：

    對l(t)進(jìn)行傅里葉級數(shù)展開得：

    綜上所述，如果數(shù)據(jù)ROM舍位加一位，相位截?cái)嗾`差引起的雜散就會增加約6.02 dB。

    由以上幅度量化誤差和相位截?cái)嗾`差來源來看，對數(shù)據(jù)ROM的壓縮可以增大數(shù)據(jù)容量，從而有效地對雜散進(jìn)行抑制。本文又分別設(shè)計(jì)了延時抖動法來對相位截?cái)嗾`差進(jìn)行抑制，在外圍硬件部分設(shè)計(jì)幅頻校正電路對幅度進(jìn)行了校正。

2 雜散抑制處理

2.1 基于對稱性的Sunderland數(shù)據(jù)ROM壓縮法

2.2 延時疊加抖動法

    實(shí)際DDS實(shí)現(xiàn)中相對于幅度量化誤差相位截?cái)嗾`差影響更大，相位截?cái)嗾`差主要是由于誤差序列的周期性造成的，相位抖動法就是依靠打破這種周期性及與信號的相關(guān)性，使其從離散譜變成連續(xù)譜，從而達(dá)到抑制雜散的作用。同時針對主頻譜線的邊帶噪聲，設(shè)計(jì)了延時疊加法，提高了信號的信噪比，從而達(dá)到抑制雜散的作用。延時疊加抖動法結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    設(shè)頻率控制字K=00000000000000000000000011111111，B=10，L=3進(jìn)行Matlab仿真，分別得到?jīng)]有進(jìn)行抑制的頻譜和添加了延時疊加抖動處理的頻譜，如圖3、圖4所示。

    通過對圖3、圖4進(jìn)行對比，可以明顯看到，加入延時抖動處理以后邊帶雜散被明顯抑制，同時底部噪聲也受到抑制。

2.3 幅頻校正電路設(shè)計(jì)

    由于幅度量化誤差的存在，以及元器件性能的限制，當(dāng)頻率過高時會造成信號幅度的衰減，所以要想得到理想精度的波形需要對信號頻率進(jìn)行校正，同時對信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蠡蛩p。利用LC振蕩電路在實(shí)際情況下諧振帶寬比較寬的特性，使得輸出的信號在其衰減的頻帶上與LC振蕩電路放大的頻帶相對應(yīng)，起到對信號幅度進(jìn)行補(bǔ)償?shù)淖饔茫瑥亩沟幂敵鲂盘枬M足精度要求。LC校正電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

    系統(tǒng)以Altera公司的FPGA芯片EP4CE6E22C8為核心，以14位DAC芯片AD5682為模擬輸出。整個系統(tǒng)由FPGA提供統(tǒng)一的時鐘信號，通過上位機(jī)輸入所要產(chǎn)生的波形參數(shù)或選取已定制好的波形，通過串口通信與單片機(jī)進(jìn)行通信，再由單片機(jī)將參數(shù)轉(zhuǎn)化為16位數(shù)據(jù)流發(fā)送到FPGA，最后經(jīng)過FPGA運(yùn)算，產(chǎn)生相應(yīng)波形。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖6所示。

4 數(shù)據(jù)測試與結(jié)果分析

    完成設(shè)計(jì)后，采用北京普源精電公司的DS1052E型示波器對整個系統(tǒng)的功能進(jìn)行了測試，測試參數(shù)如下所示：

    (1)波形：AM調(diào)制、脈沖調(diào)制、某型雷達(dá)測相信號。

    (2)頻率范圍：≤30 MHz。

    (3)幅度范圍：≤6.7 V。

    (4)幅度精度：0.01 V。

    圖7～圖8所示是從示波器上直接截取下來的圖像。

    從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，信號發(fā)生器能夠產(chǎn)生任意參數(shù)要求的波形，同時在產(chǎn)生正弦波等各種波形時曲線光滑，高頻階段沒有出現(xiàn)衰減誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，信號發(fā)生器可以產(chǎn)生穩(wěn)定度高、雜散少的任意波形，最高可以產(chǎn)生50 MHz信號，峰峰值達(dá)到6.7 V。

5 結(jié)論

    本文從DDS雜散來源推導(dǎo)了雜散對整個波形的影響，應(yīng)用了新型數(shù)據(jù)ROM壓縮方法從而擴(kuò)大了取點(diǎn)的個數(shù)，從根本上抑制了幅度量化誤差和相位截?cái)嗾`差；采用延遲抖動法對相位截?cái)嗾`差進(jìn)行了有效的抑制；同時設(shè)計(jì)了LC校正電路，對出現(xiàn)的高頻幅度衰減進(jìn)行補(bǔ)償，使波形達(dá)到設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)的任意信號發(fā)生器可以產(chǎn)生正弦波、方波、AM、脈沖調(diào)制以及其他任意波形。

參考文獻(xiàn)

[1] 冉子波，馬游春，劉紅雨，等.基于FPGA的三角波周期隨機(jī)變化數(shù)字信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2013，21(9)：2604-2606.

[2] 李晨磊，竺小松，徐壯.基于無伸縮因子CORDIC算法的DDS設(shè)計(jì)[J].火力與指揮控制，2014，39(7)：160-163.

[3] 李曉芳，常春波，高文華.基于FPGA的DDS算法的優(yōu)化[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，27(6)：896-898.

[4] 黃旭偉.DDS雜散抑制技術(shù)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2007.

[5] 劉艷昌，左現(xiàn)剛，李國厚.基于FPGA的多功能信號發(fā)生器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].制造業(yè)自動化，2014，36(10)：100-104.