基于DDS技术的数字噪声源设计

陈 健，陈 鹏，石 雄

(武汉工业学院电气与电子工程学院，湖北武汉430023)

基于DDS技术的数字噪声源设计

陈 健，陈 鹏，石 雄

(武汉工业学院电气与电子工程学院，湖北武汉430023)

结合ADI公司生产的DDS器件AD9854的结构原理和功能特点，设计了利用单片机AT89C51控制AD9854实现全数字噪声源的方案。以DDS技术为基础，灵活地运用了伪随机序列对AD9854相关控制字的控制，达到全数字化要求。该数字噪声源具有干扰信号形式灵活多变、噪声分布特性可变换、输出干扰功率可调节且调试简单易行的特点。

DDS;AD9854;伪随机序列;数字噪声源

在电子对抗领域里，噪声作为一种干扰形式是应用最为广泛也是最基本的，理论上任何体制的信号都能被干扰。而信号的干扰效果直接取决于噪声的质量好坏和频谱分布特性［1］。传统的干扰噪声源多由模拟器件产生，虽然实现比较简单，但是容易受到温度、电源变化等外界条件的影响而发生漂移，导致噪声输出质量不稳定，而且可控性差，难以对其加工复制，调试过程麻烦，需要测量和调节的状态参数多，调试很不方便。

随着数字集成电路的设计制造水平的提高，数字化噪声取代模拟噪声是必然的趋势。

DDS(Direct Digital Synthesizer)技术是继直接频率合成和间接频率合成之后的第三代频率合成技术。与传统的频率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点，广泛应用于电信与电子仪器领域，是实现设备全数字化的一个关键技术。此外，全数字化实现便于集成，体积小，重量轻，可以产生任意波形且频率、相位、幅度均可编程调制。采用DDS芯片作为数字噪声源核心构成部分，将大大提高整个系统的性能。

本文结合ADI公司生产的DDS器件AD9854的结构原理和功能特点，设计了由单片机AT89C51控制AD9854实现全数字噪声源的方案。该方案成本低、易实现，具备干扰信号灵活多变，输出干扰功率可调，且调试方便的优点。

1 AD9854的主要功能特点

AD9854直接数字频率合成器是一款采用先进DDS技术高度集成的芯片，它拥有2个内部高速高性能的正交数模转换器和一个比较器，形成数字可编程的合成器功能。当引进一个精确的时钟源，AD9854可以输出高稳定度的可编程频率、相位、振幅的正、余弦信号，可以作为一个灵敏的L.O.应用于通信，雷达中等。

该芯片超高的工作频率，多种形式的波形输出以及灵活多样的外部接口方式使其具有很高的性价比，尤其是全数字化实现，便于集成，体积小，重量轻。AD9854主要由可编程时钟倍频器、相位累加器、频率累加器、逆sinc滤波器、正弦转换表、数字幅度调制乘法器、可编程相位和频率寄存器、D/A转换器、高速模拟比较器以及接口逻辑电路等组成。其主要特点包括［2］：1)高达300 MHz的内部时钟频率。2)集成12位数模输出转换器，可以输出正交信号，方便应用于系统调制和解调。2个DAC都可以单独控制频率、幅度及相位的输出，并完成扫频、调制等功能。3)2个48位可编程频率寄存器(一路是频率控制字，一路是步进频率控制字，具有高频率分辨率，可达微赫兹)。4)2个14位可编程相位寄存器。5)12位调幅和可编程开/关键控功能。

DDS的原理框图如图1所示，它包括相位累加器、波形存储器、模数转换器、低通滤波器和参考时钟这五个部分。其中，一般取一个高稳定的晶体振荡器作为参考时钟源，其输出信号控制DDS各功能模块同步工作(AD9854编程和系统时钟是异步的)。当DDS正常工作时，相位累加器对频率控制字K进行线性累加计数，当计数到满量时就会输出一个信号脉冲，从而完成合成信号的一个频率周期。累加器输出的相位码对波形存储器进行寻址，得到对应的正弦波幅度码。通过高速数模转换器变换把数字量变成模拟量，再经过低通滤波器进一步平滑和杂散过滤，得到所需的波形。

图1 DDS原理方框图

2 总体设计

数字噪声源采用全数字化的DDS技术为基础，以DDS芯片AD9854作为噪声信号合成器件，单片机［3］或是DSP等具备运算、控制能力的芯片可作为控制模块核心，再配以相关的外围电路构成硬件平台，包括电源电路，放大电路，电平转换电路等等。微处理器通过算法产生伪随机数列，再经过相应变换后得到满足分布要求的随机序列。根据要求用该序列控制DDS的相关控制字，从而输出噪声幅度、频率、相位调制的干扰信号，并且可以方便实现幅度、频率、相位这三者中的任意两个或者三个同时调制，还能够在不同工作模式下快速切换。

2.1 硬件设计

具体硬件实现方案有2种：(a)DSP+D/A噪声源方案;(b)单片机+DDS芯片的噪声源方案。如图2、图3所示。

图2 DSP+D/A的噪声源方案

图3 单片机+DDS芯片的噪声源方案

方案a选用DSP作为微处理器，由它完成随机序列的产生和变换以及调制波形的生成。在DSP中产生随机序列，然后通过随机序列调制得到的数字波形经过D/A转换器变换后形成模拟输出信号，改变设定运算环节可以相应改变该信号的调制方式和分布规律变化。最后，输出的调制信号经过放大和滤波后即可作为干扰信号的输出。方案a中，DSP内部要完成大量的运算环节，对其运算速度有很高的要求，另外当载波频率较高时，对D/A转换器的要求也相对提高，所以该方案对器件本身有一定要求，成本相对较高，并且算法的实现相对来说也比较复杂。

方案b中，控制核心模块选取单片机，信号合成器件选用DDS芯片，伪随机序列的产生和相应变换由单片机完成，得到满足要求的伪随机序列用来控制DDS芯片的相关控制字，从而输出噪声调制信号。该方案中随机序列的产生和噪声信号的调制分别由不同模块完成，大大降低了CPU的运算量，对CPU的要求相对较低。此外，由于DDS芯片内部集成有高速D/A转换器，在硬件电路设计上不用另外添加D/A转换模块，大大简化了硬件电路和调试过程。因此，方案b是一个成本低，简单易行的技术方案。通过比较，在本课题中决定使用方案b。

DDS芯片可选用 AD9854ASQ。AD9854分为ASQ型和AST型，前者属于耐热型，内部倍频后时钟可达300 MHz，后者只能倍频达到200 MHz。单片机选用MCS51系列的型号或者其他兼容性型号，另外运用C语言对MCS51单片机进行编程即可。

整个系统的电路模块组成包括有：电源电路、微处理器电路、信号合成电路、电平转换电路、放大电路等。

由于DDS芯片AD9854工作电压为3.3 V，为在调试中提供一个稳定可靠的电源，必须设计一个特殊的电源电路来提供所需的电源。微处理器电路包括：时钟电路和单片机复位电路。时钟电路采用24 MHz的有源晶振电路。因为DDS芯片AD9854采用COMS结构，正常工作电压为3.3 V，而单片机AT89C51的工作电压为5 V，其总线电平是5 V的TTL电平，为保证AD9854能正常工作，单片机必须经过电平转换后再与AD9854接口连接，AT89C51的时钟信号也必须经过电平转换后送到AD9854的时钟引脚。在查找电平转换资料后决定使用74CBTD3384，该芯片接5 V电源电压，并行输出电压3.3 V，由此来进行数据转接。整个系统时钟采用30 MHz有源晶体振荡器，外部时钟信号经AD9854内部可编程倍频器倍频10倍后，从而实现AD9854在内部时钟频率为300 MHz下工作。AD公司生产的AD8009放大器对AD9854两个通道的输出进行放大，然后分别输出，产生的宽带干扰信号带宽范围在1 M到1 G之间。

2.2 伪随机序列的产生和变换

无论采用哪种实现方案，数字式噪声源的基础离不开伪随机序列的产生和变换。目前普遍产生伪随机序列［4］的方法是采用软件，就是在计算机上利用某种算法产生伪随机序列。以实用的角度来看，利用计算机语言的函数库提供的rand()函数是获取这种伪随机数的最简单易行的方法。

rand()函数是应用初等数论中的同余定理来实现的。产生整数rand的原理是：

其中，n一般是一个很大的素数，几万，a也是大素数，而且a，b，n都是常数。所以rand的产生决定于x，它被称为seed，也就是种子。

在C语言中，rand()函数可以用来产生随机数，这不是真正意义上的随机数，是一个伪随机数，是依据一个数，也就是前面提到的种子为基准以某个递推公式推算出来的一系列数，当这系列数很大的时候，就近似符合正态分布，从而相当于产生了随机数。但这不是真正的随机数，因为这个种子的值是定了的，除非破坏了系统，否则rand()所产生的随机数值每次都是一样的，具有重复性，是可以预先确定的。为了改变这个种子的值，C语言提供了srand()函数，其本相是void srand(inta)。srand()是用来设置rand()产生随机数时的随机数种子。在序列的产生过程中，如果srand函数被调用且seed不变，则从头开始按顺序生成相同的随机序列。如果未设随机数种子，rand()在调用时会自动设随机数种子为1。

由上面的介绍可以知道种子的取值决定了rand()函数所产生的一个伪随机序列。srand()函数给seed复位，以使对于rand()函数的一个序列调用可以产生一个新的伪随机序列。因此，对伪随机序列的改变十分方便，从而，经各种变换后形成分布满足要求的不同随机序列，来改变对AD9854相关控制字的控制也就简单易行了。

作为伪随机序列产生器的rand()函数，它具备的一个重要特性就是产生的序列是可重现的(seed值不变)。这不仅仅是一个算法，相当大的程度上，它关系到实验代码测试的准确性。在实验调试中使用了和rand()的结果相关的数据，通过一个可控的可重现序列，我们就有机会再现每一次测试的过程，从而更有效地找到问题的所在，也有助于我们对硬件、软件的调试。

2.3 软件设计

计算机语言函数库中的rand()函数给伪随机数列的产生和变换提供了方便的条件，它应用同余定理所产生的数列具有周期长且可重复的特点，经过相应变换法的转换，可以方便地得到具有正态分布的伪随机序列，进而控制DDS模块的输出。该方案的软件流程图如图4所示。

图4 程序流程框图

采用单片机作为控制模块核心，信号合成器件选用全数字式的频率合成器DDS芯片，伪随机序列的产生和相应变换由单片机完成，DDS芯片的相关控制字由求算得到的伪随机序列控制，进而完成输出噪声调制信号。

3 测试结果

根据整个噪声源的设计方案和系统框图完成了硬件构成和软件设计，PCB板的制作和装配完成后，对系统进行了调试，测试结果比较理想。

系统测试过程中，整个系统时钟采用30 MHz有源晶体振荡器，外部时钟信号经AD9854内部可编程倍频器倍频10倍后，从而实现AD9854在内部时钟频率为300 MHz下工作。AD公司生产的AD8009放大器对AD9854两个通道的输出进行放大，然后分别输出，产生的宽带干扰信号带宽范围在1 M到1 G之间。该数字噪声源应用于内置式计算机干扰器的输出频谱如图5所示，测试所用频谱分析仪为台湾固伟GSP－810，500 MHz的中心频率设置，每格100 MHz，顶部水平线为－30 dBm。获得军用信息安全产品认证，军B级。

图5 输出信号的频谱(0—1000 MHz)

该数字噪声源在某型号雷达上试用，干扰效果比较理想，干扰信号频率范围为70—280 MHz，发射功率为300 mW可调，干扰形式为天线辐射，被干扰前后的距离显示图像如图6所示。由此可见雷达在被干扰后，已经无法准确识别目标。

图6 被干扰前后的距离显示器图像

4 结束语

电子对抗技术在现代军事战争中的地位日益增大，已然成为发展最快的电子技术领域之一。其中具备大功率、宽带、干扰效果突出、操作简单易行的干扰噪声信号源一直是国内外电子干扰领域的重要研究对象。

本文结合DDS技术提出了一种全数字噪声源的实现方法，该方案是一个成本低、实现简单、干扰信号方式灵活多变的方案，在电子对抗领域具有广阔的应用前景。

［1］ 官朝晖.用于噪声干扰的伪随机噪声源［J］.电子对抗技术，1998(2).

［2］ Analog Devices Inc.CMOS 300MSPS Quadrature Complete－DDS AD9854［EB/OL］.http：//pdf.qooic.com/D98/AD9854.pdf，1999.

［3］ 曹巧媛.单片机原理及应用［M］.北京：电子工业出版社，1997.

［4］ 孙淑琴，林君，张秉仁，等.伪随机序列发生器的研究与实现［J］.吉林大学学报，2004(5).

The digital noise source design based on DDS techniques

CHEN Jian，CHEN Peng，SHI Xiong
(School of Electrical and Electronic Engineering，Wuhan Polytechnic University，Wuhan 430023，China)

According to the ADI corporation＇s DDS device AD9854 and its principle and function characteristic functions，we design a scheme，in which we use single chip computer AT89C51to control AD9854 so as to realize the full－digital noise source.On the basis of the DDS technique，We flexibly manipulate the psuedo－random sequence to control the AD9854's relevant control－ bits，and achieve the full－ digital standard requirement.This kind of source has many advantages，including vast－variant signals anti－interference，flexibility of the noise signal distribution，easy output anti－ interference adjusting.

DDS;AD9854;psuedo－random sequence;digital noise source

TN 974

A

1009-4881(2011)04-0062-04

10.3969/j.issn.1009-4881.2011.04.016

2011-05-10.

陈健(1986 －)，男，硕士研究生，E －mail：chenjmail@126.com.

石雄(1968 －)，男，副教授，E －mail：stonehero@163.net.