基于DDS的动态多普勒模拟器的设计与应用

1 引言

在航天测控领域中，测控系统的动态捕获、跟踪性能和测量是非常重要的因素，如何有效地对地面测控设备进行检测，保证其能够保持较好的性能，是非常重要的，直接数字频率合成技术（Direct Digital Synthesis），他将先进的数字处理方法引入到信号合成领域，采用数字采样技术进行信号合成，与传统的频率合成技术相比，DDS芯片具有频率分辨率高、频谱纯净，频率速率高，输出的变频信号相位连续，相位噪声低，全数字接口，易于编程控制，体积小、价格低，有助于提高系统的整体性价比等优点，于是提出基于DDS的动态多普勒模拟器的设计方案，保证动态多普勒模拟器输出准确的点频和稳定的扫描频率。

2 直接数字频率合成技术

直接数字式频率合成器（DDS）是一种新型的频率合成方法，与直接频率合成（DS）和锁相式频率合成（PLL）在原理上完全不同。DDS的基本原理是建立在不同的相位给出不同的电压幅度基础上的，即对应输出信号的一个周期（相应的相位为2π），给出按照一定电压幅度变化规律组成的输出波形。由于他不但给出了不同的频率和不同的相位，而且可以给出不同的波形，因此这种方法又称波形合成法。

基本的波形合成是一个斜升波的合成，其方案如所示，波形合成的过程如下：由一个标准频率时钟产生器产生时钟脉冲，送到计数器进行计数。计数器根据计数脉冲的多少给出不同的数码，数/模转换器根据计数器输出的数码转换成相应的电压幅度。当计数器连续计数时，数/模转换器就产生一个上升的阶梯波，阶梯波的上升包络即为一个斜升波。当计数器计满时，计数器复零又重新开始计数，阶梯波又从零开始，如此反复循环，阶梯波经平滑滤波器检出其包络，便成为斜升波。

改变频率的方法是用一个累加器代替计数器，就象数字环中用可变分频器代替固定分频比的计数器一样。累加器的原理如所示，他是由加法器和寄存器组成的，按照频率控制数据的不同给出不同的编码。

DDS进行频率合成的过程归纳如下：

（1）给出输出频率范围，即：

f₀＝f_min－f_max＝（k_min/2ⁿ）f_c－k_max/2ⁿ）f_c

（2）确定输入时钟频率f_c＝4f_0max，即时钟周期为T_c＝1/f_c＝1/4f_0max，因为k_max＝2^n-2。

（3）确定累加器位数n，n越大，输出信噪比越高。

（4）确定幅度等分的间隔B＝2ⁿ，一般m＜n，若令2ⁿ＝A，则B＜A。

3 动态多普勒模拟器的设计

3.1 动态多普勒模拟器的原理

动态多普勒模拟器的原理框图如所示。

其参数指标为：

输入：5MHz；输出：70MHz×f_d＋f_d；f_d范围：－155～155kHz，步长5kHz；扫频速率：1～31kHz可变。

3.2 数控振荡器的设计

数控振荡器在程序的控制下，由8031单片机接收人工或监控分机摄制的分段码，按照一定的程序模型运算后，控制直接数字频率合成器（DDS）输出相应的点频或扫频信号。点频工作时模拟器按照控制码输出设置的点频多普勒（包括零多普勒频率），输出具有不同速率的扫频信号，该扫频信号为三角波或锯齿波。

3.3 基于DDS的输出软件设计分析

K码的计算：

f₀＝5MHz，f_c＝30MHz

由f₀＝K×f_c/2^N，得：

K＝2^N×f₀/f_c＝2AAAAAAAH。

点频时：

f_c＝30MHz，Δf₁＝2.5kHz，Δf_max＝155kHz

则：ΔK₁＝57619H，ΔK_max＝AEC33EH，

K_max＝K₀＋ΔK_max＝2B596DE8H。

K_min＝K₀－ΔK_max＝29FBE76CH。

扫频时：
Δf₀/T＝0.5kHz/s，

f₀＝K×f_c/2^N，得ΔK/T＝OEH，K为相应的BCD码。

3.4 基于DDS的动态模拟器软件

基于DDS的动态模拟器软件流程图如所示。

4 工程应用

对动态多普勒模拟器产生的信号进行测试，其产生的点频准确度高，扫频稳定度较好，三角波和锯齿波准确。该信号发生器已经成功运用在测控雷达检测系统中，使用效果良好。由于受该系统的实际需求所限，还没有完全发挥DDS技术的全部优势。DDS还可以应用于跳频通信、数字调制等其他领域。尤其是那些要求频率高、转换时间短的应用场合，采用DDS技术相对其他频率合成技术来说具有无法比拟的优势。由于DDS自身的优点，在性能要求较高的频率合成领域将会得到极为广泛的应用。