摘 要： 设计了一种基于直接数字频率合成技术（DDS）的RF合成信号源系统。系统采用AD9852和单片机C8051F020相结合的方法，以AD9852为频率合成器，以信号处理器C8051F020为系统控制和任务调度中心。系统可实现输出信号频率在1 Hz～40 MHz可调，最小可调步进为1 Hz，并且频率稳定度优于10-5。此外，系统实现了调幅、调频、相移键控、频移键控和扫频等功能。在完成软硬件设计后，通过使用多种电子仪器对系统性能和技术参数进行实验测试，结果表明各项指标都符合设计要求。
0 引言
信号源是雷达、通信、电子对抗等电子系统实现高性能指标的关键，因此低相位噪声、高稳定度、高可靠性和多功能信号源的研究受到普遍重视[1]。目前实现信号源的主要技术有：直接频率合成（DS）、锁相式频率合成（PLL）和直接数字频率合成（DDS）三种基本类型。DS方式具有频率转换时间短、相位噪声低等优点，但是，这种方法首要的缺点是电路结构复杂，难于集成化、小型化，目前实际上已处于被淘汰的状况[2]。PLL方式相对于直接频率合成方式能够集成化和小型化，但是由于其锁相环存在捕获时间问题，频率转换时间较长，单环频率合成器的频率间隔不可能做得很小，使之很难满足高速、超高速的技术要求[3]。DDS方式的基本优点是能够准确而快捷地调节输出信号的频率、相位和幅度[4]。目前国内外已有相关的数字化的智能函数发生器产品，但是普遍存在价格高和操作复杂的缺点。针对此情况，本文研制了数字控制RF合成信号源，具有设计新颖、结构简单、性能高和控制灵活等优点。
1 无线信号分析仪系统实现
本文设计的数字控制RF合成信号源系统以C8051F020单片机为控制核心，可大大提高处理速度和系统控制的灵活性；采用DDS芯片AD9852为频率源，可以大大简化系统结构，提高系统性能和可靠性，降低成本；以图形点阵液晶（HG12864）和64键键盘智能管理芯片HD7279A[5]构成人机对话窗口，具有良好的人机界面，系统整体框图如图1所示。
根据系统功能要求，实际设计了4种信号的发生器：正弦波、普通调幅波（AM）、调频波（FM）和二进制键控信号FSK、BPSK、Chirp、Ramp FSK。现在以正弦波为例介绍其设计方案。从系统精确性和稳定性方面考虑采用DDS专用芯片AD9852，它是美国模拟半导体公司推出的直接数字频率合成器（DDS），其正弦波发生器框图如图2所示。
2 无线信号分析仪系统软硬件设计
2.1 正弦波、FM和AM信号产生电路
AD9852的DDS系统包括相位累加器和正弦查找表，其中，相位累加器由一个48位加法器和一个48位寄存器组成，相位寄存器的输出与外部相位控制字相加后作为正弦查找表的地址。具体的正弦信号、FM信号和AM信号的产生方法如下[5-7]。
2.1.1 正弦信号产生电路设计
设正弦波信号频率为f0，则有：
V0（t）=Vom×sin2πf0（1）
在AD9852中，频率分辨率为：
只要通过单片机向AD9852送入与f0相对应的频率控制字FSW0，就可得到式（3）表示的正弦波。
AD9852输出的正弦波幅度Vom由其内部电路和引脚56所接RSET阻值大小决定，当取RSET=3.92 k?赘时，满度IOUT=10 mA，这时输出电压无杂散动态范围（SFDR）最佳。采用此方法，其满度输出正电压VOPP≈1 V。
2.1.2 FM信号产生电路设计
由模拟FM原理可知：
其中，f为瞬时频率，f0为载波频率，fm为瞬时最大频偏。
在AD8952中，上述调频过程是全数字化的，设fm、sint对应的数字式分别为FSWm、V?赘D，则有：
其中，Di＝0，1，3，5，…，255，VD送数周期为1 ms。
因此，可以得到数字调频公式为：
FSW=FSW0+FSWm×（Di-128）/128（7）
其中，FSW0对应瞬时频率f。
2.1.3 AM信号产生电路设计
由模拟调幅（AM）的原理，已调幅波如下式所示：
其中，Vom为载波幅度，在本设计中设为0.5 V。
根据题目要求，ma做步进调节时，相应的Vm改变如表1所示。
本设计调幅过程也是全数字化的，其调制信号与FM的相同，只是Vom不同，因此，改变Vom就可实现所要求的步进调幅。这是利用AD9852输出电压幅度与送到AD9852 Rest端前的D/A转换器输入端的数字量成正比这一特性实现的。
2.2 信号调理电路设计
2.2.1 双端—单端差分运算放大电路设计
2.2.2 滤波电路设计
DDS采用全数字技术，因而不可避免地会存在杂散干扰，需要进行电路滤波。系统要求40 MHz内正弦信号输出，采用截止频率为50 MHz的低通滤波器电路符合要求。具体设计的7阶50 MHz椭圆低通滤波电路如图4所示。
2.3 系统控制算法软件实现
系统软件设计的思想是采用模块化程序设计方法，将系统软件划分为人机对话、正弦信号模块、调幅功能模块、调频功能模块和二进制键控5个模块。全部原代码均使用标准C语言编写，增加了本系统软件的可读性和可移植性[8]，主程序流程图如图5所示。
3 实验结果及分析
3.1 测试要求
测试指标：系统要求正弦波输出频率范围：1 Hz～40 MHz，具有频率设置功能，频率步进为1 Hz，并且输出信号频率稳定度优于10-5；输出电压幅度在50 ?赘负载电阻上的电压峰-峰值Vopp≥5 V；系统要求产生二进制FSK、Chirp、Ramp FSK、BFSK信号、AM信号和FM信号，并且用示波器观察时无明显失真。
3.2 测量结果及分析
系统设计完成后可以进行频率、幅度和各种调制信号输出波形的测试，其中频率测试表如表2所示。由表2可知，输出频率的误差在0～0.03％之间，频率步进小于1 Hz。
幅度测试表如表3所示。由表3可知，输出幅度的误差满足系统设计技术指标要求。误差主要产生于信号传输链路，包括信号输出线的衰减和放大器的非理想稳定性。
各种调制信号输出波形的测试结果如图6所示。从图6可以看出扫频信号、AM信号、FM信号、FSK调制信号和BPSK调制信号测试均正常。
4 结论
本文设计了基于单片机C8051F020的数字控制RF合成信号源，完成了系统硬件电路和软件程序设计，经测试系统现有各功能正常，RF信号源可输出扫频信号、序列信号和正弦信号，正弦信号输出频率范围为1 Hz～40 MHz，频率分辨率为1 Hz，输出电压范围为0～5 V，并能实现AM、FM、FSK、BPSK及Chirp等调制功能，是一款性价比不错的信号源设备。
参考文献
[1] 郭云林，陈松.通信电子电路设计[M].武汉：华中科技大学出版社，2010.
[2] 郑戍华.基于DDS的信号源研制[D].北京：北京理工大学，2003.
[3] 张波，杨威克，许力，等.基于FPGA的任意波形发生器的设计与实现[J].现代电子技术，2009，35（1）：102-105.
[4] 李荐荐.DDS技术在数字通信中的应用[D].南京：东南大学，2003
[5] Liu Xiaodong， Shi Yanyan， Wang Meng， et al. Direct digital frequency synthesizer based on curve approximation[C]. IEEE Conference on Industry Technology， ICT′08， 2008，21（2）：201-205.
[6] 潘勇先.基于DDS技术的雷达波形发生器的研究[D].西安：西安电子科技大学，2004.
[7] 周文委，王涌.一种DDS信号发生方法与频谱研究[J].电子器件，2009，32（3）：620－622.
[8] 王建校.51系列单片机及C51程序设计[M].北京：科学出版社，2002.