直接數(shù)字合成(DDS),直接數(shù)字合成(DDS)是什么意思

直接數(shù)字合成（DDS)的概念

1971年，美國(guó)學(xué)者J．Tierncy，C．M．Rader和B．Gold提出了以全數(shù)字技術(shù)，從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新的頻率合成原理。限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)和器件水平，它的性能指標(biāo)尚不能與已有的技術(shù)相比，故未受到重視。近20年間，隨著技術(shù)和器件水平的提高，一種新的頻率合成技術(shù)——直接數(shù)字頻率合成（DDS）得到了飛速的發(fā)展，它以有別于其它頻率合成方法的優(yōu)越性能和特點(diǎn)成為現(xiàn)代頻率合成技術(shù)中的姣姣者。DDS是直接數(shù)字式頻率合成器（Direct Digital Synthesizer）的英文縮寫(xiě)。與傳統(tǒng)的頻率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速轉(zhuǎn)換時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，廣泛使用在電信與電子儀器領(lǐng)域，是實(shí)現(xiàn)設(shè)備全數(shù)字化的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。DDS是現(xiàn)今一種重要的設(shè)計(jì)手段，高速集成電路的發(fā)展進(jìn)一步改善了DDS的性能，它與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合，組成的各種混合方案將頻率源的性能提高到一個(gè)新的水平，因而未來(lái)的DDS不僅應(yīng)用于傳統(tǒng)上需要使用信號(hào)源的領(lǐng)域，而且必將開(kāi)拓許多新的應(yīng)用領(lǐng)域。

基本原理

DDS技術(shù)是一種把一系列數(shù)字量形式的信號(hào)通過(guò)DAC轉(zhuǎn)換成模擬量形式的信號(hào)的合成技術(shù)。目前使用最廣泛的一種DDS方式是利用高速存儲(chǔ)器作查尋表，然后通過(guò)高速DAC產(chǎn)生已經(jīng)用數(shù)字形式存入的正弦波。

1．1　相位累加器部分

相位累加器由N位加法器與N位累加寄存器級(jí)聯(lián)構(gòu)成。每來(lái)一個(gè)時(shí)鐘脈沖，加法器將頻率控制數(shù)據(jù)與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，把相加后的結(jié)果送至累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。累加寄存器將加法器在上一個(gè)時(shí)鐘作用后所產(chǎn)生的新相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，以使加法器在下一個(gè)時(shí)鐘的作用下繼續(xù)與頻率控制數(shù)據(jù)相加。這樣，相位累加器在參考時(shí)鐘的作用下，進(jìn)行線性相位累加，當(dāng)相位累加器累加滿(mǎn)量時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一次溢出，完成一個(gè)周期性的動(dòng)作，這個(gè)周期就是DDS合成信號(hào)的一個(gè)頻率周期，累加器的溢出頻率就是DDS輸出的信號(hào)頻率。

1．2　相位—幅值轉(zhuǎn)換部分

用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為取樣地址，對(duì)正弦波波形存儲(chǔ)器進(jìn)行相位—幅值轉(zhuǎn)換，即可在給定的時(shí)間上確定輸出的波形幅值。

1．3　數(shù)模轉(zhuǎn)換部分

DAC將數(shù)字量形式的波形幅值轉(zhuǎn)換成所要求合成頻率的模擬量形式信號(hào)，低通濾波器用于衰減和濾除不需要的取樣分量以便輸出頻譜純凈的正弦波信號(hào)。

對(duì)于計(jì)數(shù)容量為2N的相位累加器和具有M個(gè)相位取樣的正弦波波形存儲(chǔ)器，若頻率控制字為K，則DDS系統(tǒng)輸出信號(hào)的頻率為fo＝fc×K/2N，而頻率分辨率為Δf＝fomin＝fc/2N。

DDS的性能特點(diǎn)

DDS在相對(duì)帶寬、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間、相位連續(xù)性、正交輸出、高分辨力以及集成化等一系列性能指標(biāo)方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)所能達(dá)到的水平，為系統(tǒng)提供了優(yōu)于模擬信號(hào)源的性能。

2．1　極快的頻率切換速度

DDS是一個(gè)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，無(wú)任何反饋環(huán)節(jié)，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間主要由LPF附加的時(shí)延來(lái)決定。如fc＝10MHz，轉(zhuǎn)換時(shí)間即為100ns，若時(shí)鐘頻率升高，轉(zhuǎn)換時(shí)間將縮短，但不可能少于數(shù)字門(mén)電路的延遲時(shí)間。目前，DDS的調(diào)諧時(shí)間一般在ns級(jí)，比使用其它的頻率合成方法都要短數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)。

2．2　極高的頻率分辨率

由Δf＝fomin＝fc/2N可知，只要增加相位累加器的位數(shù)N即可獲得任意小的頻率調(diào)諧步進(jìn)。大多數(shù)DDS的分辨率在Hz，mHz甚至μHz的數(shù)量級(jí)。

2．3　低相位噪聲和低漂移

DDS系統(tǒng)中合成信號(hào)的頻率穩(wěn)定度直接由參考源的頻率穩(wěn)定度決定，合成信號(hào)的相位噪聲與參考源的相位噪聲相同。而在大多數(shù)DDS系統(tǒng)應(yīng)用中，一般由固定的晶振來(lái)產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率，所以其相位噪聲和漂移特性是極為優(yōu)異的。

2．4　連續(xù)的相位變化

同樣因DDS是一個(gè)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，故當(dāng)一個(gè)轉(zhuǎn)換頻率的指令加在DDS的數(shù)據(jù)輸入端時(shí)，它會(huì)迅速合成所要求的頻率信號(hào)，在輸出信號(hào)上沒(méi)有疊加任何電流脈沖，輸出變化是一個(gè)平穩(wěn)的過(guò)渡過(guò)程，而且相位是連續(xù)變化的，這個(gè)特點(diǎn)也是DDS獨(dú)有的。

2．5　在極寬的頻帶范圍內(nèi)輸出幅度平坦的信號(hào)

DDS的最低輸出頻率是所用的時(shí)鐘頻率的最小分辨率或相位累加器的分辨率。奈奎斯特采樣定理保證了在直到該時(shí)鐘頻率一半的所有頻率下，DAC都可以再現(xiàn)信號(hào)，即DDS頻率的上限fomax由合成器的最大時(shí)鐘頻率fc決定（fomax＝fc/2）。

2．6　易于集成、易于調(diào)整

DDS中幾乎所有的部件都屬于數(shù)字信號(hào)處理器件，除DAC和濾波器外，無(wú)需任何調(diào)整，從而降低了成本，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)設(shè)備。

DDS的應(yīng)用

DDS問(wèn)世之初，構(gòu)成DDS元器件的速度的限制和數(shù)字化引起的噪聲，這兩個(gè)主要缺點(diǎn)阻礙了DDS的發(fā)展與實(shí)際應(yīng)用。近幾年超高速數(shù)字電路的發(fā)展以及對(duì)DDS的深入研究，DDS的最高工作頻率以及噪聲性能已接近并達(dá)到鎖相頻率合成器相當(dāng)?shù)乃健ｋS著這種頻率合成技術(shù)的發(fā)展，其已廣泛應(yīng)用于通訊、導(dǎo)航、雷達(dá)、遙控遙測(cè)、電子對(duì)抗以及現(xiàn)代化的儀器儀表工業(yè)等領(lǐng)域。

3．1　實(shí)時(shí)模擬仿真的高精密信號(hào)

在DDS的波形存儲(chǔ)器中存入正弦波形及方波、三角波、鋸齒波等大量非正弦波形數(shù)據(jù)，然后通過(guò)手控或用計(jì)算機(jī)編程對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，就可以任意改變輸出信號(hào)的波形。利用DDS具有的快速頻率轉(zhuǎn)換、連續(xù)相位變換、精確的細(xì)調(diào)步進(jìn)的特點(diǎn)，將其與簡(jiǎn)單電路相結(jié)合就構(gòu)成精確模擬仿真各種信號(hào)的的最佳方式和手段。這是其它頻率合成方法不能與之相比的。例如它可以模擬各種各樣的神經(jīng)脈沖之類(lèi)的波形，重現(xiàn)由數(shù)字存儲(chǔ)示波器（DSO）捕獲的波形。

3．2　實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜方式的信號(hào)調(diào)制

DDS也是一種理想的調(diào)制器，因?yàn)楹铣尚盘?hào)的三個(gè)參量：頻率、相位和幅度均可由數(shù)字信號(hào)精確控制，因此DDS可以通過(guò)預(yù)置相位累加器的初始值來(lái)精確地控制合成信號(hào)的相位，從而達(dá)到調(diào)制的目的。

現(xiàn)代通信技術(shù)中調(diào)制方式越來(lái)越多，BPSK，QPSK，MSK都需要對(duì)載波進(jìn)行精確的相位控制。而DDS的合成信號(hào)的相位精度由相位累加器的位數(shù)決定。一個(gè)32位的相位累加器可產(chǎn)生43億個(gè)離散的相位電平，而相位精度可控制在8×10－3度的范圍內(nèi)，因此，在轉(zhuǎn)換頻率時(shí)，只要通過(guò)預(yù)置相位累加器的初始值，即可精確地控制合成信號(hào)的相位，很容易實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字調(diào)制方式。

3．3　實(shí)現(xiàn)頻率精調(diào)，作為理想的頻率源

DDS能有效地實(shí)現(xiàn)頻率精調(diào)，它可以在許多鎖相環(huán)（PLL）設(shè)計(jì)中代替多重環(huán)路。在一個(gè)PLL中保持適當(dāng)?shù)姆诸l比關(guān)系，可以將DDS的高頻率分辨率及快速轉(zhuǎn)換時(shí)間特性與鎖相環(huán)路的輸出頻率高、寄生噪聲和雜波低的特點(diǎn)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)更為理想的DDS＋PLL混合式頻率合成技術(shù)。

在頻率粗調(diào)時(shí)用PLL來(lái)覆蓋所需工作頻段，選擇適當(dāng)?shù)姆诸l比可獲得較高的相位噪聲，而DDS被用來(lái)覆蓋那些粗調(diào)增量，在其內(nèi)實(shí)現(xiàn)頻率精調(diào)。這種方案以其優(yōu)越的相位穩(wěn)定性和極低的顫噪效應(yīng)滿(mǎn)足了各種系統(tǒng)對(duì)頻率源苛刻的技術(shù)要求。這也是目前開(kāi)發(fā)應(yīng)用DDS技術(shù)最廣泛的一種方法。采用這種方案組成的頻率合成器已在很高的頻率上得以實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)然，DDS的應(yīng)用不僅限于這些，它還可用于核磁諧振頻譜學(xué)及其成像、檢測(cè)儀表等。隨著DDS集成電路器件速度的飛速發(fā)展，它已成為一種可用于滿(mǎn)足系統(tǒng)頻率要求的重要而靈活的設(shè)計(jì)手段。