DDS原理及其应用

以下将对ＤＤＳ波形产生原理、控制方式、频谱特性进行分析，并设计出一套基于ＭＣＳ－５１芯片和ＡＤ９８５１芯片的ＤＤＳ波形发生系统。达到参数如下：（１）出频率范围：３０ＭＨｚ～１８０ＭＨｚ；（２）率准确度：优于土５０Ｈｚ；（３）频率转换时间：≤２ｕｓ；（４）步进精度：１ｋＨｚ。

１　ＤＤＳ原理分析

ＤＤＳ在结构上主要可划分为数控振荡器和数字／模拟转换两个模块，模块ＮＣＯ又由相位累加器和正弦查询表ＲＯＭ构成。ＮＣＯ实现由数字频率字输入生成相应频率的数字波形，模块ＤＡＣ实现将ＮＣＯ产生的数字幅度值高速且线性地转为模拟幅度值。基本框图如图１。

２　硬件设计及结果

２．１硬件选型

市场上有ＡＤ、ＭＡＸＩＭ等大型软件公司生产ＤＤＳ芯片。本次设计采用ＡＤ公司的芯片。从性价比考虑，ＤＤＳ芯片选用ＡＤ９８５１芯片，控制芯片选用ＡＴ８９Ｃ５２芯片，ＰＬＬ芯片选用ＭＣ１４５１５２芯片。若需调节波形的幅度，可选择ＡＤ公司的ＡＤ８３２０可编程运放作为后级。其型号及价格如下表格１。２．２ＡＤ９８５１简介

ＡＤ９８５１是ＡＤ公司ＤＤＳ芯片中性价比较高的一款，具有如下特性：（１）允许最高输入时钟１８０ＭＨｚ，同时可选择是否启用内含的６倍频乘法器；（２）带有高性能的十位Ｄ／Ａ转换器；（３）具有简化的控制接口，允许串／并行异步输入控制字；（４）允许工作电源范围：＋２．７伏～＋５．２５伏；（５）可以工作在掉电方式（低功耗）：４ＭＷ＋２．７伏；（６）其自由寄生动态范围（ＳＦＤＲ）＞４３ｄＢ＠７０ＭＨｚ输出；（７）采用极小的２８脚贴片式封装。２．３硬件连接

由主控芯片ＡＴ８９Ｃ５２的Ｐ１口向ＡＤ９８５１输入控制字，并由Ｐ３．４、Ｐ３．５、Ｐ３．６三口分别接ＡＤ９８５１的Ｗ＿ＣＬＫ、

ＦＱ＿ＵＤ、ＲＥＳＥＴ三个端口，若采用串行模式，则只须选择Ｐ１中一个接口与ＡＤ９８５１相连（如图２）。２．４软件设计

ＡＤ９８５在进行频率控制时，首先送入相位调制码、功率调节码和输入模式控制码，然后送３２ｂｉｔｓ频率控制码。在并行数据输入模式下，４０ｂｉｔｓ的控制字经８位数据总线重复５次输入。Ｗ＿ＣＬＫ和ＦＱ＿ＵＤ信号用来加载控制字。Ｗ＿ＣＬＫ信号的作用是在其上升沿将８ｂｉｔｓ的频率控制字加载进入数据输入寄存器，并且将地址指针下移指向下一个数据输入地址端。当经过５次加载后，己经输入了４０ｂｉｔｓ的控制字，则Ｗ＿ＣＬＫ信号的上升沿将被忽略，即数据将不再被加载，直到下一个复位信号或者下一个ＦＱ＿ＵＤ信号的上升沿到来为止。在ＦＱ＿ＵＤ信号的上升沿将４０ｂｉｔｓ的控制字加载进入相位累加器，并且将地址指针复位指向第一个数据输入地址端。在串行数据输入模式下，４０ｂｉｔｓ的控制字经Ｄ７线，重复４０次输入。Ｗ＿ＣＬＫ和ＦＱ＿ＵＤ信号的作用相同。

２．５波形改善措施

（１）ＰＬＬ波形输入。ＤＤＳ的输入波形的纯净度对输出波形纯净程度影响最大。为改善输入波形，可采用ＭＯＴＯＲＡＬＡ公司的１４５１５２芯片，进行锁相输入，提高输入频率的精度和纯净度。ＭＣ１４５１５２采用半行码输入方式置定、由１４根并行输入数据编程的双模ＣＭＯＳ－ＬＳＩ锁相环频率合成器。该芯片内含参考频率振荡器、可供用户选择的参考分频器、双端输出的鉴相

ＤＤＳ原理及其应用

倪鹏

（浙江传媒学院电子信息学院　　浙江杭州　　３１００１８）

摘　要：本文在深入分析了ＤＤＳ波形产生原理、控制方式、频谱特性，对当前流行的主流ＤＤＳ芯片做了详细的对比，并设计出一套基于ＭＣＳ－５１芯片和ＡＤ９８５１芯片的ＤＤＳ波形发生系统，并总结了ＤＤＳ目前的问题和未来的发展方向。关键词：ＤＤＳ　　直接数字频率合成　　滤波电路中图分类号：ＴＭ５文献标识码

：

Ａ

　　　　　文章编号

：１６７２－３７９１（２００９）０２（ｂ）－００２８－０２

图

１

表

１

图２

（下转３０页）

（４）若Ｂ站东向线路板光纤自环回业务不通，则说明业务在Ｂ　站穿通不行，可能是Ｂ　站线路板或交叉板的问题。

（５）若Ｃ站西向线路板外环回业务不通，则说明可能是Ｂ、Ｃ之间的光路或光接口的问题。

该方法适用于线形组网和双向复用段保护环。对单向通道保护环，若要采取这种方法，则必须断开一侧的光纤从另一侧逐段环回。线路板光纤自环时，同样要注意不能过载，要加光衰耗器。但在两纤双向复用段保护环中，如果有一段线路侧发生故障，且设备已进入自动保护倒换状态时，不可用尾纤在光路各自环回的方式检测设备。因为环回时相当于自发自收一个光信号，设备回自动解除倒换，造成大量电路阻断，如要做环回检测，也需在执行Ｆｏｒｃｅ功能的情况下才可。

３．２采用仪表测试法判断故障

仪表测试法在日常判断处理故障时较常用，在排仪表测试法在日常判断处理故障时较常用，在排除传输设备外部问题以及与其他设备如程控交换机、数据通信设备、移动基站等对接问题上比较适用。比如我们怀疑某段光缆性能不好，可使用光时域反射测试仪（ＯＴＤＲ）　进行测试；如怀疑某个２Ｍｂｉｔ／ｓ传输通道不好，可使用２Ｍｂｉｔ／ｓ误码测试仪进行挂表测试。

４　典型案例分析

２Ｍｂｉｔ／ｓ接口的故障通常是最频繁的，产生故障的原因也是多种多样的。如果只是２Ｍ板告警，可先检查是物理连接故障还是相连接的外围设备故障。物理连接故障

包括：２Ｍ头是否接触良好，有没有虚焊、断

掉，ＤＤＦ（数字配线架）连接是否正常，电缆

是否接错或不通等。排除外围设备故障可

以通过在ＤＤＦ架上环回和电口近端环回，

对方设备环回，来检查交换机或其他外围

设备是否正常的方法来判断。同时也要检

查网管系统是否运行正常，会不会产生误

告、假告。总之，尽量将设备外故障排除

掉，再进一步检查故障区段。

案例：故障现象：某网元２Ｍｂｉｔ／ｓ业务

中断，传输设备为华为ｏｓｎ３５００，传输设备上

有Ｔ－ＬＯＳ告警。

故障分析：由于传输设备上有Ｔ－ＬＯＳ

告警，系统维护者可以肯定传输设备光路

没有任何问题。因为在传输设备到网元的

２Ｍｂｉｔ／ｓ电路上有故障，所以问题可能出在

传输设备电接口板ＰＱ１或是２Ｍｂｉｔ／ｓ线故

障。

故障定位和解决步骤：到站先用环回

的方式判断故障点，在ＤＤＦ架上做远端环

回时，传输设备仍有Ｔ－ＬＯＳ告警，做近端

环回时通路正常，说明是ＤＤＦ架到ＰＱ１板

的２Ｍｂｉｔ／ｓ线有问题，且是ＰＱ１板到ＤＤＦ

架上的发支路故障，与开始的分析吻合。

由于ＰＱ１板到ＤＤＦ架上的２Ｍｂｉｔ／ｓ线是　成

品线，无法修复，只有将ＰＱ１板上未用的

２Ｍｂｉｔ／ｓ成品线与故障线成功对换后，告警

消除，放通２Ｍｂｉｔ／ｓ，业务恢复正常。为保

证以后业务的正常开通，系统维护者最后

将坏的那２Ｍｂｉｔ／ｓ成品线换下，以保证所有

２Ｍｂｉｔ／ｓ线是正常的。

结论：此故障是一个典型的２Ｍｂｉｔ／ｓ线

故障引起业务中断案例，在这个案例中，我

们根据故障现象，预先分析出故障属于

２Ｍｂｉｔ／ｓ电路故障，并由最常规的环回方式

来判断故障点，找到故障点后迅速地恢复

业务。

５　故障排除的一般流程（图２）

６　结语

在ＳＤＨ传输网络的日常维护过程中，

我们经常会遇到各种故障现象并伴随着不

同的告警指示，有时甚至出现一样的告警

指示，貌似同一故障，却由不同的原因导

致。只有透过故障的表象找到其本质，才

能实现故障的准确定位并迅速排除。这就

需要我们了解故障定位的基本原则，明确

故障处理的思路，掌握常见的故障处理方

法，从而从容应对各种异常现象，提高日常

维护的效果。

参考文献

［１］　Ｏｐｔｉｘ２５００＋（ｍｅｔｒｏ３０００）ＳＴＭ－１６　ＭＡＤ／

ＭＳＴＰ光传输系统维护手册［Ｍ］．华为技

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ｆｏｒｍａｎｃｅ　［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｊ　ＳＡＣ，１９９８，１２（１）：

４６～５１．

器、控制逻辑、１０位可编程的１０ｂｉｔ÷Ｎ计数器、６位可编程的６ｂｉｔ÷Ａ计数器和锁定检测等部分。其中，１０ｂｉｔ÷Ｎ计数器、６ｂｉｔ÷Ａ计数器、模拟控制逻辑和外接双模前置分频器组成吞脉冲程序分频器，吞脉冲程序分频器的总分频比为：Ｄ＝ＶＮ＋Ａ。经过ＭＣ１４５１５２锁相后，即可得纯净波形，足够满足ＤＤＳ的输入需要。

（２）ＥＭＩ改善。对ＤＤＳ电磁干扰现象可作如下考虑：①输入电源多用多种型号电容，减少输入杂波；②尽量减少ＰＣＢ板上的突起；③ＰＣＢ板上采用大面积铜网接地处理；④采用ＢＮＣ接头和同轴屏蔽线连接输入输出信号，还可以采用屏蔽网等措施进行电磁屏蔽。

（３）滤波器设计。采用软件Ｒｆｓｉｍ９９中的ＬＣ滤波器设计功能，进行简单的低通滤波器设计。其中，ＬＣ滤波器可以采用ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ型滤波器。

２．６安装调试结果

设计完成后，可进行ＰＣＢ印刷和制板工

序，并安装调试。设计ＰＣＢ印刷板时注意为

输出信号留有一定的测试空间，以方便用示

波器测量。调试过程中，应采用数字存储示

波器对各点进行测试，可看出控制字的输入

情况和ＰＬＬ输出情况，最终输出情况可采用

示波器ＣＨ２通道进行直连测试。经反复调

试，成功输出稳定可控的波形。

３　成果展望

３．１后续设计

为进一步设计出更为实用的ＤＤＳ信号发

生系统，可在信号输出端级联一个ＡＤ８３２０

可编程运放芯片，对输出波形的幅度进行

控制，并可调整控制字，输出ＰＳＫ、ＦＳＫ、

ＡＳＫ等信号，若应用于工程，更通过编程，

生成钟形信号，用于测试传输特性。另外，

还可以采用ＤＳＰ、ＦＰＧＡ等研制出更为合

理的方案，替代现有方案。

３．２ＤＤＳ发展方向

一是频率拓展。如果ＤＤＳ芯片的频率

能够达到２Ｇ左右，将在广电系统中，有更加

广泛的应用前景，对将来的数字化、网络

化提供有效的技术支撑。二是精度提高。

ＤＤＳ专业芯片中将配备精度更高的ＤＡ，这

意味着输出精度将进一步提高，可以输出

更加平滑的曲线。三是低功耗小型化。随

着４５ｎｍ技术的进一步发展，ＤＤＳ的制造将

有望达到ＣＰＵ的标准，功耗更低，性能更

强，封装却更小。

３．３启示

ＤＤＳ技术现已日趋成熟，可以开展广

泛的应用。在广电系统中，可以充分利用

ＤＤＳ的优点，设计出拥有自主知识产权的Ｉ

类应答器、导频信号发生器等设备，推动

我国广电技术的发展。

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