论述DDS工作原理及其应用

文章编号]2236-1879（2017）01-0106-02

1.引言

直接数字频率合成（DDS）技术是新一代的频率合成技术，采用全数字的合成方法，与传统的直接模拟频率合成技术和锁相式频率合成技术相比，所产生的信号具有频率分辨率高、频率切换速度快、频率切换时相位连续、输出相位噪声低、可以产生任意波形等诸多优点，因此被广泛采用。DDS是继直接频率合成技术的第三代频率合成技术。现在DDS技术大规模的应用在通讯、雷达多通道收发数字组件中，该技术的应用大大简化电路设计，提高了收发数字组件的集成密度；同时收发数字组件的控制和中频信号处理部分全部实现数字化，最终使收发数字组件实现数字阵列模式，实现积木式设计雷达阵面。

2.中频DDS信号

本文以某国产四通道宽带中频DDS信号发生器（下文用DDS芯片代替）为载体，来叙述DDS工作原理，中频DDS信号产生有三个因素分别是：频率控制字（FTW）、相位控制字（POW）、幅度控制字（ASF）。只要三因素确定了，就确定了唯一对应的中频DDS信号。

2.1控制字产生原理

利用VHDL编写的功能软件写入FPGA中，同时要满足FPGA正常工作的基本条件：如电压、时钟信号等，这时FPGA就会输出满足设计要求的频率控制字、相位控制字、幅度控制字（见图1）。

FPGA的主要特点是：寄存器数目多，采用查表计数，适合时序逻辑设计，利用VHDL语言描写出高效的电路及最佳的功能实现模式。采用硬件描述语言VHDL控制FPGA产生频率控制字、相位控制字、幅度控制字等数字控制信号，此方法具有技术成熟、相位频率工作模式易控制、运行速度快等特点，大规模的应用在多通道收发数字组件及雷达系统信号处理电路中。

2.2中频DDS信号的工作原理

DDS芯片具有4路独立通道的直接数字频率合成器（DDS），最高工作频率可达1GHz。支持频率扫描（sweep），双频键控（FSK-Frequency switch keying），幅度控制（RAMP和OSK-output switch keying）等功能。

FPGA产生的频率控制字（FTW）、相位控制字（POW）、幅度控制字（ASF），送给DDS芯片，DDS芯片就会产生唯一的中频DDS信号；中频DDS是一个数字信号，后面要串联一个DAC数模转换器（见图2）。由此可以看出，中频DDS信号是一个可控信号，通过改变VHDL硬件语句就可以改变中频DDS信号频率、相位、幅度等参数；下面是三个控制字与中频DDS信号之间关系：

中频信号DDS输出频率，fo=fs×FTW/2²³，fo表示输出波形的频率，fs表示系统时钟频率。FTW表示频率控制字，通过改变FTW的值即可输出想要的频率，输出频率须小于乃奎斯特频率。

中频信号DDS输出的相位，Phase=360×POW/2¹⁶，Phase表示输出波形的相位，单位为度，POW表示相位控制字，A_max通过改变POW的值来控制输出波形的相位。

中频信号DDS输出的幅度Am=A_max×ASF/2¹，Am表示输出幅度，ASF表示幅度控制字，Amax表示输出波形最大幅度值，通过改变ASF值来控制输出波形的幅度。

从上文可以看出中频DDS信号具有易控制、工作模式多、运用灵活，广泛的应用到多通道收发数字组件及雷达系统中。

3.中频DDS信号在收发数字组件中的应用

多通道收发数字组件具有体积小、重量轻、功能先进、完全满足电扫描全相控阵雷达的要求。控制信号、中频信号、回波信号都是数字化处理，此类多通道收发数字组件又称为DAM数字阵列模块。

雷达的实际工作中，发射信号和接收的回波信号是模拟信号，所以在数字中频信号DDS后面都要串人一个双向可逆的数模转换器：发射时把数字中频DDS信号转变为模拟中频信号，接收时把模拟的中频信号转换为数字中频DDS信号（见2、图3）。

图3是16通道收发数字组件中频DDS设计框图，通道数采用阵列叠加的设计原理，使用起来灵活方便，可以满足8、10、12、16等各种通道的设计模式。例如10通道的实现可以采取3个DDS芯片并联，把其中的一个DDS芯片的两个通道通过负载匹配吸收的处理方式，实现10通道的收发数字组件设计。

DDS技术有以下优点：适合设计多通道收发数字组件，同时组件具有体积小、重量轻；可以快速的形成各类扫描波束，用来提高雷达的分辨率；可以实现相位及幅度等多种形式电扫描模式，实现真正意义的全相控阵雷；DDS技术已经大规模的应用在雷达的设计中，把雷达从模拟时代过度到数字时代的关键技术。

4.结束语

中频DDS是数字信号，通过改变VHDL硬件语句就可以改变中频DDS信号频率、相位、幅度等参数；DDS信号具有程序控制、灵活方便的特点、可以使天线快速形成各种扫描波束等優点；

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