基于dds技术高精度移相器的实现.htm

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    <TD colSpan=3><IMG height=1 src="基于DDS技术高精度移相器的实现.files/Untitled-1_07.jpg" 
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            <DIV align=center><FONT size=4><B><FONT 
            color=#ff0000>基于DDS技术高精度移相器的实现</FONT></B></FONT></DIV></TD></TR>
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          <TD colSpan=2 height=12>
            <DIV align=right><B><I><FONT color=#990000>西安电子工程研究所 
            庞健涛</FONT></I></B></DIV></TD></TR>
        <TR>
          <TD colSpan=2 height=31><B>摘 
            要</B>：基于DDS技术，采用大规模集成高速数字电路，在中频实现高精度移相控制，再上变至C波段，从而完成对C波段射频信号的高精度移相控制。研制结果表明，该移相器移相范围为0～2π，移相步进≤0.089°，转换时间小于1μs，杂散优于80dB，输出相噪低。<BR><B>关键词</B>：移相器；DDS；线性调频；频率合成；杂波抑制；低相噪</TD></TR></TBODY></TABLE>
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        <TR>
          <TD vAlign=top height=1951>
            <P>　　相控阵雷达在军事及民用领域内都具有广泛的用途，扫描是依靠大量的移相器来实现的。作为相控阵雷达中的关键部件，为便于计算机控制天线波束扫描，一般采用数控移相器，而传统的数控移相器主要是由PIN二极管或铁氧体器件来实现的，该类移相器的主要缺陷是移相精度差、移相位数少（小于7），因而难以直接满足相控阵雷达精密搜索和跟踪的系统要求。<BR><BR>　　新一代组网脉冲多卜勒天气雷达需精确定量测量气象回波的反射率因子、径向多卜勒速度和信号的谱宽，采用常规方法，需通过降低雷达重复频率以增大雷达不模糊作用距离。此时如系统不降低雷达距离分辨率，则必须增加发射峰值功率以补偿发射机因重复频率降低产生的效率下降、平均功率减少、回波信噪比降低，这对于雷达的成本及体积都是不利的。可以采用不降低雷达重复频率，而通过脉间移相解决距离模糊。为达到系统可解决距离模糊并具有较高的动目标改善因子，要求中频相参信号具有灵活的移相功能且移相精度要求小于0.5°，显然上述各种移相方法均无法实现此高精度相移。基于DDS技术的高精度移相器的成功研制开发意义也就格外重要。</P>
            <P><BR><FONT 
            size=3><B>DDS原理及特点</B></FONT><BR>　　DDS（直接数字式频率合成器）基本原理组成框图如图1所示。其中，参考信号为高稳晶振，其输出信号用于提供DDS<IMG 
            height=286 src="基于DDS技术高精度移相器的实现.files/17.jpg" width=384 
            align=right>各种部件的同步工作；相位累加器是DDS的核心，它由一个N位字长的二进制加法器和一个由时钟fc取样的N位寄存器组成，作用是对频率控制字K进行线性累加；波形存储器中所存储的是一张函数波形查询表，对应不同的相位码址输出不同的幅度编码。当相位控制字为0，幅度控制字为1时，相位累加器输出的相位序列对波形存储器寻址，得到一系列离散的幅度编码。该幅度编码经D/A转换后得到对应的阶梯波，最后经低通滤波器平滑后可得到所需的模拟波形。<BR>设相位累加器字长为N，则DDS输出频率fo和频率分辨率△fmin为：</P>
            <P></P>
            <P>　　<IMG height=69 src="基于DDS技术高精度移相器的实现.files/6.gif" 
            width=94><BR>　　通过改变相位控制字P可以控制输出信号的相位参数，令相位加法器的字长为M，当相位控制字由0跃变到P（P≠0）时，波形存储器的输入为相位累加器的输出与相位控制字P之和，因而其输出的幅度编码相位会增加2πp/2M，使最后输出的模拟信号产生相移。相移最小步进主要取决于相位加法器的字长，相移分辨率则取决于相位累加器的字长N，如式（3）、（4）所示：</P>
            <P>　　<IMG height=31 src="基于DDS技术高精度移相器的实现.files/7.gif" 
            width=75><BR>　　<IMG height=29 src="基于DDS技术高精度移相器的实现.files/8.gif" 
            width=89> 
            <BR>　　DDS输出信号的幅度可通过在波形存储器之后插入一个数字相乘器来实现，幅度控制字A起到对波形存储器的输出幅度编码进行加权的作用。<BR><BR>　　由以上分析可知，当DDS的相位累加器字长和相位加法器字长固定后，通过改变K、P、A可有效地控制DDS输出模拟信号的频率、相位和幅度。并且由图1可知，DDS是一个全数字结构的开环系统，无反馈环节，因此其速度极快，一般都在毫微秒量级。 
            <BR><BR>　　由于全数字结构，导致DDS的致命缺陷即杂波分布广泛，当落入输出频带内，则无法滤除。杂散主要是由于数字器件的非理想特性而带来的幅度量化误差、相位截断误差等因素所致。<BR><BR>　　其主要杂波分量遵循Nyquist抽样定理，杂波分量出现在参考频率与输出频率的组合处，即：<BR>　　n<FONT 
            size=1>fc</FONT>±f<FONT size=1>o</FONT>(n=0, ±1,±2,...)处。<IMG 
            height=198 src="基于DDS技术高精度移相器的实现.files/18-1.jpg" width=295 
            align=right><BR>　　在fo处的信号最强，距输出频率最近的杂波分量为fc-fo。<BR><BR>　　DDS原理上是一个分频器，因此理论上DDS输出信号的相位噪声较时钟信号更好，但是由于数字器件本身噪声基底的限制以及其他一些不可预知的因素，因而DDS输出信号的相噪都不及时钟信号。当然，这是在两者相噪可比的前提下而言的。</P>
            <P><BR><FONT 
            size=3><B>高精度移相器的设计与实现</B></FONT><BR>　　高精度移相器的设计指标为：<BR>　　(1)工作频段：C波段<BR>　　(2)移相步进≤0.1°<BR>　　(3)频率分辨率≤0.1Hz<BR>　　(4)移相及频率转换时间≤1μs<BR>　　(5)相位噪声，在1kHz时小于－110dBc/Hz，在100kHz时小于－120dBc/Hz，在1MHz时小于－130dBc/Hz<BR>　　(6)杂波抑制≥75dB<BR>　　(7)输出功率为18±0.5dBm<BR><BR>　　方案设计是频率合成器的重要组成部分，根据不同的指标需确定不同的方案。根据以上指标，在对比了各种大规模集成频率合成芯片的基础上，选用了目前AD公司出品的DDS芯片AD9852作为核心器件，其相位累加器位数N为48，因此频率分辨率在10-7量级上，显然上变到C波段后，可满足频率分辨率。它的相位加法器位数为14，因此12位移相精度可达0.089°，完全可满足指标要求。<BR><BR>　　系统实现如下。<BR>　　首先由高稳高纯的晶振提供两路信号，一路供给DDS作为时钟信号，通过外控制电路对DDS进行控制输出可精确移相的中频信号；另一路作为谐波发生器的输入信号，产生出C波段频标信号，该频标信号再与DDS输出的高精度移相信号上变到所需频率上，从而得到可精确移相的C波段射频信号。其系统实现框图如图3所示。<BR><IMG 
            height=220 src="基于DDS技术高精度移相器的实现.files/18-2.jpg" 
            width=425><BR>　　在实现DDS移相器的过程中需要解决以下一些关键技术。<BR>　　(1)移相精度高。选择DDS中频移相信号直接与C波段频标上变，避免了其他方案的不足而造成的相移偏差及误差，从而保证了C波段射频信号的移相精度。<BR>　　(2)低杂散设计。由前述DDS的杂波分布广泛，且有一些无法滤除。为此，在设计之初就应做到选择合适的时钟与输出信号比、改善DDS输出杂散上限等。在此基础之上再选择合适的上变频混频比及功率电平，来得到杂散的最佳设计。<BR>　　(3)C波段低噪、高效频标信号的产生。自行设计研制了可到Ku波段的谐波发生器，其特点是低噪、高效，工作稳定可靠，与进口的同类产品比较成本降低了20倍。<BR>　　(4)布线。正如前面所述，制约DDS技术发展的主要因素除了输出频率低外，另一项即为杂散抑制问题。在保证做到（2）中的要求以外，合理的系统布局及印刷板走线也是十分重要的。<BR><IMG 
            height=253 src="基于DDS技术高精度移相器的实现.files/19.jpg" width=322 
            align=right><BR>　　AD9852是AD公司推出的一种高速集成的DDS芯片，工作时钟可达300MHz，内含双48位可编程频率寄存器、双14位可编程相位寄存器、12位D/A、可编程时钟锁倍器，极好的动态杂散SFDR等。采用3.3V单电源供电，多种功能掉电，单引脚FSK、PSK数据接口，可实现FSK、PSK、BPSK、Chirp等工作模式。其具体应用原理图如图4所示。<BR><BR>　　研制出的DDS移相器的各项指标为：<BR>　　(1)工作频段为C波段<BR>　　(2)移相步进≤0.089°<BR>　　(3)频率分辨率＜0.1Hz<BR>　　(4)移相及频率转换时间＜1μs<BR>　　(5)杂波抑制≥80dB<BR>　　(6)输出功率18±0.5dBm<BR>　　(7)相位噪声，在1kHz时小于－115dBc/Hz，在100KHz时小于－130dBc/Hz，在1MHz时小于－135dBc/Hz</P>
            <P><BR><FONT 
            size=3><B>基于DDS技术的其他应用</B></FONT><BR>　　基于DDS技术可以很容易的产生线性调频（Chirp）、非线性调频、相位编码、BPSK、FSK等信号。就Chirp信号而言，为达到期望的雷达探测性能，发射和本振LFM信号应具有优良的线性相频特性、带内平坦度和杂波抑制性能。但由于DDS时钟以及Naquist定理的约束，常常需要将DDS输出的Chirp信号上搬到所需的频段，并进行相应的频带扩展。在上搬过程当中，系统非线性失真和交调失真均会对系统的相位线性特性带来不利的影响。为此，合理的设计上搬过程就显得极为重要。</P>
            <P><BR><FONT 
            size=3><B>结束语</B></FONT><BR>　　利用DDS技术，通过控制电路能对其输出波形的频率、幅度、相位实行精确的控制，能综合出的各种信号波形、短波、超短波、米波雷达信号频率较低，宜采用DDS技术。该高精度DDS数控移相器已装备于某雷达上，并已投入小批量生产，工作稳定、可靠，使用情况良好。为满足其他雷达信号的一些特殊要求，只需改变一些电路参数及控制电路的软、硬件即可。</P>
            <P>&nbsp;</P></TD></TR>
        <TR>
          <TD vAlign=top bgColor=#dfdfdf 
            height=60><B>参考文献</B><BR>1.白居宪，低噪声频率合成，国防工业出版社，1988<BR>2.张玉兴，彭清泉，DDS的背景杂散分析，电子科大学报，1998<BR>3.费元春等，宽带雷达信号产生技术，国防工业出版社，2002<BR>4.周国富，利用FPGA实现线性调频DDS专用电路，雷达技术，1997<BR>5.维迪姆.迈纳赛维奇，频率合成—理论与设计，国防工业出版社，1982<BR>6.AD9852 
            Data Book， Analog Device 
            Inc,1999<BR>7.V．F克罗帕，频率合成—理论、设计与应用，国防工业出版社，1979<BR>8.全国雷达军标委，微波频率源及其测量，陕西科技出版社，1991</TD></TR></TBODY></TABLE>
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          <TD>&nbsp;</TD></TR></TBODY></TABLE></DIV></TD></TR></TBODY></TABLE>
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      <DIV align=center>电子工业出版社(PHEI)、美国国际数据集团(IDG)主办 美国赫斯特出版公司(Hearst)协办 
      <BR>今日电子杂志社·北京市海淀区翠微南里8号楼 ·邮编100036 <BR>电话:[phone] 
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