現(xiàn)代電臺的特點主要是多用途,、多制式、多頻段,。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展,，中頻以下通常采用數(shù)字化處理，中頻到射頻用混頻器進行頻率變換,。對頻率合成器的設(shè)計提出了更高的要求,，例如分辨率,、轉(zhuǎn)換速度、工作頻率范圍,、相位噪聲等指標,。PLL(鎖相環(huán))頻率合成通過鎖相環(huán)完成頻率的加、減,、乘,、除運算。該方法結(jié)構(gòu)簡單,、便于集成,，且輸出頻率高、頻譜純度高,，目前使用比較廣泛,，但存在高分辨率和快轉(zhuǎn)換速度之間的矛盾，一般只能用于大步進頻率合成技術(shù)中,。DDS(直接數(shù)字合成)是近年來迅速發(fā)展起來的一種新的頻率合成方法,。這種方法簡單可靠,、控制方便,，且具有很高的頻率分辨率和轉(zhuǎn)換速度，缺點是輸出頻率不能太高,。如果把兩者結(jié)合起來,，用DDS的輸出作為PLL的參考信號，就能滿足現(xiàn)代電臺對頻率合成器的設(shè)計要求,。本文將介紹DDS和PLL的工作原理,，并結(jié)合一電臺(工作頻率2 MHz～500 MHz)的設(shè)計，給出DDS做參考的PLL頻率合成器的設(shè)計方案,。
1 DDS的結(jié)構(gòu)及工作原理
DDS的基本結(jié)構(gòu)由參考時鐘,、相位累加器、ROM,、DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)和LPF(低通濾波器)組成,，見圖1。
DDS的工作原理是：在參考時鐘fr的控制下,，頻率控制字K由累加器得到相應(yīng)的相位數(shù)據(jù),，把此數(shù)據(jù)作為取樣地址，來尋址正弦ROM表進行相位-幅度變換,，輸出不同的幅度編碼,；再經(jīng)DAC得到相應(yīng)的階梯波；最后經(jīng)LPF對階梯波進行平滑處理,，即可得到由頻率控制字決定的連續(xù)變化的輸出正弦波,。見圖2,。
DDS的輸出頻率fo、參考時鐘頻率fr,、相位累加器長度N以及頻率控制字K之間的關(guān)系為： 
DDS的頻率分頻率為：
由于DDS的最大輸出頻率受奈斯特取樣定理限制,，所以fmax=f／2。
2 PLL的結(jié)構(gòu)及工作原理
設(shè)計中通常采用數(shù)字鎖相頻率合成法,，其基本結(jié)構(gòu)由參考時鐘fr,、VCO(壓控振蕩器)、程序分頻器(÷N),、PD(鑒相器),、LPF等組成。見圖3,。
當PLL達到穩(wěn)定狀態(tài)后,，若輸入信號為一固定頻率的正弦波，則VCO的輸出信號頻率經(jīng)程序分頻器分頻后與輸入信號頻率相等,，它們之間的相位差為一常值,。這種狀態(tài)為環(huán)路的鎖定狀態(tài)。此時有：
3 基于DDS的頻率合成器的設(shè)計
3.1 電臺整機方案
該電臺工作頻率范圍為2 MHz～500 MHz,，具有調(diào)頻,、調(diào)幅(包括單邊帶)、調(diào)相(QPSK)等功能,，還可工作于跳擴頻方式,。在短波頻段(2 MHz～30 MHz)要求調(diào)諧間隔為10 Hz，其余頻段為100 Hz,。設(shè)計中采用二次變頻方案,，第一中頻取160MHz，第二中頻取10.7 MHz,。當然,，對于160 MHz附近頻段，只采用一次變頻至10.7 MHz,。第二中頻以下采用數(shù)字化處理,。簡化原理框圖如圖4所示。
3.2 頻率合成器方案
頻率合成器須輸出第一本振,、第二本振兩路信號,。第二本振為固定頻率170.7 MHz，選用ADF4001 PLL電路,，參考時鐘采用14.4 MHz溫度補償晶體振蕩器,，環(huán)路鑒相頻率100 kHz。第一本振信號是由14.4 MHzTCXO(溫度補償晶體振蕩器)經(jīng)DDS頻率合成器(選用AD9851)產(chǎn)生參考信號,，再由PLL電路鎖定在工作頻率上,。原理框圖如圖5所示,。
3.2.1 器件的選擇
選用Analog Devices公司的DDS芯片AD9851，該芯片的最高工作時鐘為180 MHz,，內(nèi)部除了完整的高速DDS外,，還集成了時鐘6倍頻器和一個高速比較器。本方案使用14.4 MHz TCXO,，經(jīng)6倍頻器產(chǎn)生86.4 MHz參考時鐘頻率,，DDS輸出的頻率分辨率為：
PLL選用National Semiconductor公司的雙頻率合成器電路LMX2335，其最高工作頻率1.1 GHz,。
3.2.2 工作頻率計算
以短波頻段(2 MHz～30 MHz)為例,，第一本振輸出頻率為： 
考慮到環(huán)路的鎖定時間，LMX2335的鑒相頻率取200 kHz左右,，對于較大范圍調(diào)整頻率,，可改變LMX233的程序分頻數(shù)N，例如：162 MHz～172 MHz,，N取14×60=840,；172 MHz～182 MHz，N取15×60=900,；182 MHz～190 MHz,，N取16×60=960。LMX233的參考分頻數(shù)R固定為60,。DDS輸出頻率控制在11 MHz～13 MHz,，可在小范圍內(nèi)調(diào)整PLL的輸出頻率,。下面以輸出162 MHz為例說明DDS頻率控制字K的算法,。
DDS輸出頻率為：
頻率控制字K為：
在162 MHz～172 MHz頻率范圍內(nèi)，頻率誤差=0.020 116 567×14≈0.28 Hz,。
3.2.3 應(yīng)注意的問題
DDS的輸出應(yīng)經(jīng)過一中心頻率為12 MHz,、帶寬為2 MHz的帶通濾波器。具體設(shè)計可使用Agilent ADS軟件,。該電路是高速數(shù)?；旌想娐罚谥谱饔≈齐娐钒鍟r,，一定要注意數(shù)模干擾問題,。為此，印制電路板一定要使用4層板,。在進行電路布局時,，將數(shù)字部分和模擬部分分開；將電源層分為數(shù)字電源和模擬電源,；將地層分為數(shù)字地和模擬地,。每個有源器件的電源都要加去耦電容,，并且盡可能地靠近電源輸入處，以幫助濾除高頻噪聲,。
4 結(jié)束語
目前頻率合成技術(shù)主要有直接頻率合成,、PLL頻率合成、DDS這3種形式,。由于PLL方式的頻率合成器存在高分辨率和快轉(zhuǎn)換速度之間的矛盾,，而DDS方式的輸出帶寬又有限，因此在設(shè)計工作頻率寬,、調(diào)協(xié)精度高的頻率合成器時,，這兩種方式均不能滿足技術(shù)要求。但是,，采用DDS+PLL方式,，可以滿足高精度和寬頻帶的需要，其實現(xiàn)的難點是如何提高合成器輸出頻譜純度,。在實際印制電路板制作中,，DDS的良好接地和合理布線非常有助于系統(tǒng)設(shè)計的實現(xiàn)。