任意波發(fā)生器的研究與設(shè)計(jì)

摘要：在任意波形發(fā)生器設(shè)計(jì)中，DDS技術(shù)具有成本低、功耗小、分辨率高和切換時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)，但波形形狀任意可編輯性較差；軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)可產(chǎn)生任意復(fù)雜波形，但切換時(shí)間慢。采用DDS和軟件無(wú)線(xiàn)電相結(jié)合的技術(shù)，正弦波、三角波、方波等普通信號(hào)的產(chǎn)生用DDS實(shí)現(xiàn)；復(fù)雜無(wú)規(guī)則波形信號(hào)的產(chǎn)生用軟件無(wú)線(xiàn)電實(shí)現(xiàn)；最后任意波形發(fā)生器通過(guò)渡形存儲(chǔ)器、相位累加器、取樣時(shí)鐘發(fā)生器、地址發(fā)生器等硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)和軟件波形算法設(shè)計(jì)來(lái)共同完成。
關(guān)鍵詞：任意波形發(fā)生器；直接數(shù)字頻率合成；軟件無(wú)線(xiàn)電；頻率控制字；相位累加器

任意波形發(fā)生器(AWG)是一種將想要產(chǎn)生的任意波形下載到儀器所帶的存儲(chǔ)器中，能存儲(chǔ)實(shí)際的波形和形成這些波形所需的波形序列指令的信號(hào)發(fā)生器，改變波形數(shù)據(jù)可以產(chǎn)生任意波形。它不僅能產(chǎn)生正弦波、鋸齒波、三角波等常規(guī)波形，也可以產(chǎn)生多種調(diào)制，如：調(diào)頻、調(diào)幅、調(diào)相和脈調(diào)等。而且可以通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)波形的編輯，從而產(chǎn)生用戶(hù)所需要的各種任意波形。

1 基礎(chǔ)理論介紹
1．1 DDS的基本構(gòu)造
作為任意波形發(fā)生器的一種設(shè)計(jì)方法，DDS基本構(gòu)成如圖1所示，主要由相位累加器、波形RAM、DAC以及低通濾波器等模塊組成。首先輸入頻率控制字，經(jīng)過(guò)相位累加器輸出相位信息，波形查找表根據(jù)相位信息進(jìn)行相位一幅度轉(zhuǎn)換，得到的波形數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)D／A和低通濾波后形成模擬波形信號(hào)。

輸出波形頻率fo和頻率控制字K、相位累加器位數(shù)n和取樣時(shí)鐘fc的關(guān)系為：

由公式1可知，基于DDS技術(shù)的任意波形發(fā)生器輸出信號(hào)的最高頻率由相位累加器、波形RAM和D／A轉(zhuǎn)換器三個(gè)模塊工作速率決定。當(dāng)存儲(chǔ)芯片的存儲(chǔ)深度一定，即累加器位數(shù)n一定時(shí)，輸出信號(hào)頻率fo由頻率控制字K和采樣時(shí)鐘共同影響，且與這二者乘積成正比關(guān)系：
fo∝Kxfc (2)
相位累加器以頻率控制字K為輸入進(jìn)行累加，其輸出為對(duì)波形數(shù)據(jù)RAM進(jìn)行采樣所需的地址信號(hào)，輸入和輸出的速率均由時(shí)鐘控制。不難理解，采樣時(shí)鐘fc的上限即為波形數(shù)據(jù)RAM的最高讀取速率，當(dāng)采用的RAM芯片最高讀取頻率一定時(shí)，fc的最大值已經(jīng)確定，由公式(2)可知，這時(shí)要想提高fo的值，必須從K值著手。當(dāng)K越大時(shí)，一個(gè)波形中被采樣的點(diǎn)數(shù)就越少。根據(jù)奈奎斯特采樣定理

即一個(gè)完整波形中至少要采樣兩個(gè)離散波形數(shù)據(jù)，才能保證在后續(xù)處理中完整的重現(xiàn)這個(gè)信號(hào)，因此K值的增大是有上限的。
采用DDS技術(shù)設(shè)計(jì)的任意波形發(fā)生器具有頻率分辨率高、頻率跳變時(shí)相位連續(xù)、實(shí)現(xiàn)方便等優(yōu)點(diǎn)，但也存在不足。首先是當(dāng)累加相位步進(jìn)較大時(shí)，輸出波形容易產(chǎn)生抖動(dòng)；其次由于DDS技術(shù)只是抽取波形存儲(chǔ)器中的部分?jǐn)?shù)據(jù)，因此輸出波形會(huì)產(chǎn)生一定的失真。
1．2 軟件無(wú)線(xiàn)電產(chǎn)生任意波形的原理
任意波形發(fā)生器的另外一種設(shè)計(jì)原理如圖2所示，其工作原理是利用軟件產(chǎn)生波形數(shù)據(jù)下載到存儲(chǔ)器中，通過(guò)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器累加來(lái)改變尋址電路的輸出地址，計(jì)數(shù)器逐個(gè)掃描波形存儲(chǔ)器的每一個(gè)地址直到存儲(chǔ)器的末端，地址中的波形數(shù)據(jù)被送到D／A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，而后輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器對(duì)信號(hào)的電平階躍進(jìn)行平滑處理得到需要的波形。在這種設(shè)計(jì)方案中，所有存儲(chǔ)器中的波形數(shù)據(jù)都被送入D／A轉(zhuǎn)換器中，所以失真較小。但要全部輸出存儲(chǔ)器中的波形數(shù)據(jù)內(nèi)容，并且輸出信號(hào)的頻率任意可變，那么采樣時(shí)鐘的頻率就需要可編輯，這點(diǎn)與DDS構(gòu)成的波形發(fā)生器有著明顯的區(qū)別。采用該設(shè)計(jì)方案的任意波輸出頻率：

式中fs為采樣時(shí)鐘頻率。使用該設(shè)計(jì)方案的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，能夠輸出的波形比較復(fù)雜，對(duì)于用戶(hù)可任意編輯的波形發(fā)生器最為適合。

2 產(chǎn)生任意波形的電路設(shè)計(jì)
圖3表示了任意波形發(fā)生器的硬件原理框圖。對(duì)于正弦波、方波、三角波等普通波形，采用直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)，這是基于幅度和相位的映射關(guān)系，通過(guò)改變頻率控制字來(lái)改變相位累加器的步進(jìn)量，求和后的相位在固定采樣時(shí)鐘下取樣，得到同相位序列對(duì)應(yīng)的幅度序列，幅度序列再通過(guò)D／A轉(zhuǎn)換就可以得到模擬信號(hào)輸出。通過(guò)頻率控制字進(jìn)行相位累加來(lái)控制頻率，在相位和幅度的對(duì)應(yīng)關(guān)系中，通過(guò)改變存儲(chǔ)器中的波形數(shù)據(jù)就可以選擇各種波形(包括正弦波、三角波、鋸齒波等)。AM調(diào)制的過(guò)程在數(shù)學(xué)上可以描述為載波信號(hào)與調(diào)制信號(hào)在時(shí)域上的乘積，在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中調(diào)幅深度可以表述為調(diào)制信號(hào)與載波信號(hào)幅度峰-峰值的相對(duì)大小，因此可以通過(guò)調(diào)整調(diào)制信號(hào)幅度的峰-峰值就可以控制調(diào)幅深度。FM調(diào)制的原理是基于調(diào)制信號(hào)幅度與載波信號(hào)頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此只需要把調(diào)制信號(hào)幅度疊加到載波信號(hào)的頻率控制字上，就可以實(shí)現(xiàn)FM調(diào)制，在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中其頻偏是由調(diào)制信號(hào)幅度的峰-峰值決定。

對(duì)于較為復(fù)雜的波形，硬件電路由取樣時(shí)鐘發(fā)生器、尋址發(fā)生器、RAM存儲(chǔ)器、高速D／A、波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生軟件和數(shù)據(jù)導(dǎo)入接口等組成。它的工作原理是通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件將要產(chǎn)生的波形數(shù)據(jù)存入RAM存儲(chǔ)器中，然后通過(guò)尋址發(fā)生器改變RAM存儲(chǔ)器的地址，逐個(gè)掃描存儲(chǔ)器的地址直到RAM存儲(chǔ)的末段。每個(gè)地址對(duì)應(yīng)的波形數(shù)據(jù)被送入高速D／A，輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)重建濾波后放大輸出。任意波信號(hào)產(chǎn)生的質(zhì)量由D／A采樣率、垂直分辨率、波形存儲(chǔ)深度、采樣時(shí)鐘信號(hào)質(zhì)量等多種因素決定，而且整體人機(jī)交互軟件的設(shè)計(jì)決定了使用的方便性和功能的完備性。

3 結(jié)束語(yǔ)
目前，任意波形發(fā)生器的發(fā)展趨勢(shì)是硬件模塊化、通用化、平臺(tái)化，利用軟件無(wú)線(xiàn)電來(lái)形成各種復(fù)雜調(diào)制信號(hào)。一方面在頻響、雜散、諧波、數(shù)據(jù)交換速度、連續(xù)轉(zhuǎn)換速率、動(dòng)態(tài)范圍等硬件指標(biāo)上更加精益求精；另一方面在數(shù)據(jù)編碼、數(shù)字濾波、FFT或IFFT變換、數(shù)字加噪、信號(hào)模擬、電平幅度、輸出方式等軟件處理方面更加集成，在統(tǒng)一軟件視窗中通過(guò)點(diǎn)選發(fā)生器就采用模塊化硬件和集成軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，在統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口的情況下，軟硬件可以分開(kāi)來(lái)并行設(shè)計(jì)，使得AWG的研制更加專(zhuān)業(yè)化，以提高AWG的性能和指標(biāo)。