任意波發(fā)生器的研究與設計

摘要：在任意波形發(fā)生器設計中，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)生任意復雜波形，但切換時(shí)間慢。采用DDS和軟件無(wú)線(xiàn)電相結合的技術(shù)，正弦波、三角波、方波等普通信號的產(chǎn)生用DDS實(shí)現；復雜無(wú)規則波形信號的產(chǎn)生用軟件無(wú)線(xiàn)電實(shí)現；最后任意波形發(fā)生器通過(guò)渡形存儲器、相位累加器、取樣時(shí)鐘發(fā)生器、地址發(fā)生器等硬件平臺設計和軟件波形算法設計來(lái)共同完成。
關(guān)鍵詞：任意波形發(fā)生器；直接數字頻率合成；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器中，能存儲實(shí)際的波形和形成這些波形所需的波形序列指令的信號發(fā)生器，改變波形數據可以產(chǎn)生任意波形。它不僅能產(chǎn)生正弦波、鋸齒波、三角波等常規波形，也可以產(chǎn)生多種調制，如：調頻、調幅、調相和脈調等。而且可以通過(guò)計算機軟件實(shí)現波形的編輯，從而產(chǎn)生用戶(hù)所需要的各種任意波形。

1 基礎理論介紹
1．1 DDS的基本構造
作為任意波形發(fā)生器的一種設計方法，DDS基本構成如圖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，波形查找表根據相位信息進(jìn)行相位一幅度轉換，得到的波形數據經(jīng)過(guò)D／A和低通濾波后形成模擬波形信號。

輸出波形頻率fo和頻率控制字K、相位累加器位數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)生器輸出信號的最高頻率由相位累加器、波形RAM和D／A轉換器三個(gè)模塊工作速率決定。當存儲芯片的存儲深度一定，即累加器位數n一定時(shí)，輸出信號頻率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，其輸出為對波形數據RAM進(jìn)行采樣所需的地址信號，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的上限即為波形數據RAM的最高讀取速率，當采用的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(zhù)手。當K越大時(shí)，一個(gè)波形中被采樣的點(diǎn)數就越少。根據奈奎斯特采樣定理

即一個(gè)完整波形中至少要采樣兩個(gè)離散波形數據，才能保證在后續處理中完整的重現這個(gè)信號，因此K值的增大是有上限的。
采用DDS技術(shù)設計的任意波形發(fā)生器具有頻率分辨率高、頻率跳變時(shí)相位連續、實(shí)現方便等優(yōu)點(diǎn)，但也存在不足。首先是當累加相位步進(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)只是抽取波形存儲器中的部分數據，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)生器的另外一種設計原理如圖2所示，其工作原理是利用軟件產(chǎn)生波形數據下載到存儲器中，通過(guò)時(shí)鐘計數器累加來(lái)改變尋址電路的輸出地址，計數器逐個(gè)掃描波形存儲器的每一個(gè)地址直到存儲器的末端，地址中的波形數據被送到D／A轉換器將數字信號轉換為模擬信號，而后輸出信號經(jīng)過(guò)低通濾波器對信號的電平階躍進(jìn)行平滑處理得到需要的波形。在這種設計方案中，所有存儲器中的波形數據都被送入D／A轉換器中，所以失真較小。但要全部輸出存儲器中的波形數據內容，并且輸出信號的頻率任意可變，那么采樣時(shí)鐘的頻率就需要可編輯，這點(diǎn)與DDS構成的波形發(fā)生器有著(zhù)明顯的區別。采用該設計方案的任意波輸出頻率：

式中fs為采樣時(shí)鐘頻率。使用該設計方案的電路結構簡(jiǎn)潔，能夠輸出的波形比較復雜，對于用戶(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計
圖3表示了任意波形發(fā)生器的硬件原理框圖。對于正弦波、方波、三角波等普通波形，采用直接數字頻率合成(DDS)技術(shù)來(lái)設計，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，得到同相位序列對應的幅度序列，幅度序列再通過(guò)D／A轉換就可以得到模擬信號輸出。通過(guò)頻率控制字進(jìn)行相位累加來(lái)控制頻率，在相位和幅度的對應關(guān)系中，通過(guò)改變存儲器中的波形數據就可以選擇各種波形(包括正弦波、三角波、鋸齒波等)。AM調制的過(guò)程在數學(xué)上可以描述為載波信號與調制信號在時(shí)域上的乘積，在實(shí)現過(guò)程中調幅深度可以表述為調制信號與載波信號幅度峰-峰值的相對大小，因此可以通過(guò)調整調制信號幅度的峰-峰值就可以控制調幅深度。FM調制的原理是基于調制信號幅度與載波信號頻率的對應關(guān)系，因此只需要把調制信號幅度疊加到載波信號的頻率控制字上，就可以實(shí)現FM調制，在實(shí)現過(guò)程中其頻偏是由調制信號幅度的峰-峰值決定。

對于較為復雜的波形，硬件電路由取樣時(shí)鐘發(fā)生器、尋址發(fā)生器、RAM存儲器、高速D／A、波形數據產(chǎn)生軟件和數據導入接口等組成。它的工作原理是通過(guò)計算機軟件將要產(chǎn)生的波形數據存入RAM存儲器中，然后通過(guò)尋址發(fā)生器改變RAM存儲器的地址，逐個(gè)掃描存儲器的地址直到RAM存儲的末段。每個(gè)地址對應的波形數據被送入高速D／A，輸出信號經(jīng)過(guò)重建濾波后放大輸出。任意波信號產(chǎn)生的質(zhì)量由D／A采樣率、垂直分辨率、波形存儲深度、采樣時(shí)鐘信號質(zhì)量等多種因素決定，而且整體人機交互軟件的設計決定了使用的方便性和功能的完備性。

3 結束語(yǔ)
目前，任意波形發(fā)生器的發(fā)展趨勢是硬件模塊化、通用化、平臺化，利用軟件無(wú)線(xiàn)電來(lái)形成各種復雜調制信號。一方面在頻響、雜散、諧波、數據交換速度、連續轉換速率、動(dòng)態(tài)范圍等硬件指標上更加精益求精；另一方面在數據編碼、數字濾波、FFT或IFFT變換、數字加噪、信號模擬、電平幅度、輸出方式等軟件處理方面更加集成，在統一軟件視窗中通過(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，在統一數據接口的情況下，軟硬件可以分開(kāi)來(lái)并行設計，使得AWG的研制更加專(zhuān)業(yè)化，以提高AWG的性能和指標。