作者：Eva Murphy and Colm Slattery

在許多類型的設備中，生成并輕松控制各種頻率和輪廓的精確波形非常重要。示例包括用于通信的具有低相位噪聲和低雜散信號成分的敏捷頻率源，以及用于工業和生物醫學應用的簡單生成頻率激勵。在此類應用中，能夠方便且經濟高效地生成可調波形是一個關鍵的設計考慮因素。

已經使用了各種方法，但最靈活的一種是直接數字合成器（DDS）。DDS芯片或直接數字頻率合成器通過以數字形式生成時變信號，然后執行數模（D/A）轉換來產生模擬波形（通常是正弦波，但三角波和方波是固有的）。DDS 器件主要是數字器件，因此它們可以在輸出頻率、精細頻率分辨率和寬頻率范圍內運行之間提供快速切換。

隨著設計和工藝技術的進步，當今的DDS設備非常緊湊，功耗低。目前可用的DDS設備可以產生遠低于1 Hz至400 MHz的頻率（基于1 GHz時鐘），時間分辨率為48位。使用新工藝技術的器件成本低，加上DDS固有的卓越性能和對輸出波形進行數字（重新）編程的能力，使得DDS方法與更離散和不太靈活的傳統解決方案相比極具吸引力。多通道DDS器件，如2通道AD9958和4通道AD9959，允許在空間受限的系統（例如相控陣雷達/聲納、ATE、醫學成像和光通信）中獨立編程多達四個固有同步輸出。

我們在這里的目標是讓讀者了解DDS在現有應用程序中的一些重要用途，并深入了解DDS設備為這些應用和其他潛在應用帶來的主要好處。目前，使用DDS的兩種主要應用形式是通信中的波形生成以及工業和生物醫學中的信號分析。典型的其他用途包括電子物品監控（EAS）和聲納浮標系統中的海事應用。

通信系統中存在重要應用，這些系統需要具有低相位噪聲和雜散的敏捷頻率源，與DDS一樣，具有出色的頻率調諧分辨率和頻譜性能。通信中其他典型的DDS用途包括生成用于WDM光信道識別的導頻信號，用于鎖相環（PLL）的增強可調性參考頻率，作為本地振蕩器，甚至用于直接傳輸。

在信號分析類別中，許多工業和生物醫學設計使用DDS以數字方式生成頻率和相位可調的可編程波形，而無需更改任何外部組件，傳統波形發生器通常就是這種情況。簡單的頻率調整可用于定位諧振或補償溫度漂移。DDS可用作測量傳感器阻抗的靈活頻率激勵，或為微致動器生成脈寬調制信號，或檢查LAN或電話電纜中的衰減。

在工業和醫學中的應用

信號發生器網絡分析：當今電子產品中的許多應用都涉及收集和解碼數據，用于數字信號處理、模擬測量、光纖和高頻通信。

這類應用涉及用已知幅度和相位的頻率激勵電路或系統，并分析響應特性以提供關鍵系統信息。“被分析網絡”（圖1）可以是從電纜長度到測量/傳感器系統的任何內容。典型要求是將響應信號與輸入信號的相位、頻率和幅度進行比較。

圖1.響應測試。

在需要一系列頻率進行激勵的情況下，DDS芯片恰到好處，因為激勵頻率、相位和幅度可以通過軟件以非常嚴格的分辨率進行控制。

該系統的工作原理是將具有已知頻率、幅度和相位的信號施加到圖1中的網絡V2點（為簡單起見，顯示為無源電路）。V2點信號的幅度和相位將根據網絡的特性而變化。信號V2和V1之間的時間差允許用戶計算相移，幅度的變化將給出相對幅度偏移。它們的頻譜差異可以提供失真的度量。知道被測系統的相位和幅度響應后，就可以計算其傳遞函數。

圖2.系統框圖。

這些應用中使用的典型頻率往往為0 kHz至200 kHz，處于DDS頻率處理范圍的低端。對于某些應用，一個已知頻率的突發可提供足夠的信息;但對于大多數人來說，需要掃描網絡中的一系列已知頻率，并分析多個頻率的相位/幅度數據。單個DDS芯片提供整個頻率生成功能，使用戶在數字控制網絡控制所需的頻率方面具有極大的靈活性。無需外部組件，用戶只需能夠通過其SPI接口寫入DDS。DDS的輸出相位通常以10位至14位分辨率進行控制，可編程相位分辨率可達<0.1度。

在圖2所示的系統中，AD9834 DDS芯片用作系統的模擬激勵。它由 50MHz 晶體振蕩器驅動。AD9834的頻率分辨率為28位，可將頻率控制在0.2 Hz左右。DDS 輸出幅度由外部接地電阻控制;外部增益級驅動網絡。

輸出由電阻RL加載，驅動低通RC濾波器，該濾波器對信號進行頻帶限制，并濾除時鐘頻率、鏡像和更高頻率。緩沖放大器驅動網絡，此處由LRC電路表示。參考信號連接到雙通道同步采樣ADC（例如1位、7866 MSPS、雙通道ADC的AD12）的通道1;響應信號施加到ADC的通道2。

用作系統控制器的數字信號處理器控制DDS和ADC采樣。DSP通過簡單的算法或通過FFT、DFT或專有算法處理系統的處理要求，還可以控制系統的任何必要的幅度和相位校準。

其他應用

類似的方法可用于許多其他應用，其變化取決于所使用的物理場和電路。示例包括提供用于測試LVDT（線性可變差動變壓器）的頻率掃描;使用電容式傳感器進行接近感應;使用平衡線圈進行金屬檢測;使用化學傳感器進行血液測量;使用超聲波傳感器進行流量測量;以及使用射頻響應標簽的電子物品監控 （EAS） 以防止入店行竊。

通信中的DDS

傳統上，在考慮設計新的頻率合成器時，有兩種常見的基本方法：鎖相環（PLL）和直接數字頻率合成。選擇并不總是明確的;通常，設計人員必須做出權衡或設計額外的電路，以彌補所選技術的弱點。

然而，現在PLL和DDS電路都可以作為低成本元件使用，考慮設計一種結合這兩種技術的混合電路變得切實可行，從而消除了權衡取舍。設計人員可以利用這兩種方法獲得優于單個PLL或DDS設計的整體解決方案。我們將討論具有以下優點的方法：

精細的頻率分辨率

快速切換動作

快速建立時間

寬帶

功耗極低

低相位噪聲和雜散噪聲

本文將討論兩種不同的PLL/DDS混合頻率合成器：DDS為PLL提供精細可調基準，以及具有DDS產生的本振（LO）頻率內部偏移的PLL。

PLL的微調基準：圖3顯示了一個鎖相環頻率合成器，其參考頻率由DDS的濾波輸出產生。通過使用混合解決方案，DDS的調諧分辨率可以將整個系統的可調諧性提高到單獨使用PLL無法實現的水平。

在本例中，PLL由一個整數N分頻ADF4106頻率合成器、一個外部環路濾波器和VCO組成。這種配置允許設計人員選擇滿足頻率條件的VCO和滿足應用需求的環路濾波器。基準電壓源由AD9834 DDS產生，后接濾波器和可選的匹配分壓器，以降低噪聲和雜散。

DDS具有28位調諧字，允許對參考頻率進行非常窄的調諧，從而比使用小數N分頻PLL更方便地微調輸出頻率。

例如，如果VCO的頻率范圍為100 MHz至500 MHz，并且DDS輸出在5 MHz附近，則N的范圍為20至100。N 的每一步產生 5 MHz 步長的輸出頻率（100 MHz、105 MHz、110 MHz 等）但是，只需調整寫入頻率寄存器的十六進制數，AD9834的輸出就可以以較小的增量進行設置。AD9834可以以小至0.2 Hz的增量調諧，時鐘速率為50 MHz。這導致對混合 PLL/DDS 進行非常精細的調整。

理想情況下，基準電壓源應具有低相位噪聲和雜散音。DDS輸出確實具有低相位噪聲，但其雜散成分可能需要在某些頻率下解決。雜散是由于相位累加器之后的截斷，導致特定采樣/輸出頻率組合下的雜散成分增加。通過額外的濾波和仔細選擇采樣計劃，可以將這些雜散降至最低。

如果開關速度不重要，則可以使PLL帶寬極窄，以排除基準雜散;然后相位噪聲和雜散僅限于VCO的相位噪聲和雜散。如果VCO是干凈的，這可能是獲得具有寬帶寬、精細分辨率、良好雜散噪聲、小尺寸和極低功耗（盡管頻率之間切換緩慢）的合成器的最簡單方法。

為了利用DDS的快速開關能力和高分辨率，需要更寬的PLL環路帶寬，這使得濾波器和可選分頻器對于低噪聲和雜散非常重要。請注意，PLL會增加雜散音的幅度，但不會增加它們與基準的頻率偏移。因此，圖3中的濾波器需要將DDS產生的雜散音和噪聲限制在窄帶寬內。倍頻N后，噪聲和雜散音將增加20 log（N），但僅在濾波器帶寬內。最終，濾波器帶寬和中心頻率的選擇是在開關速度、噪聲性能和連續頻率覆蓋需求之間進行權衡。

圖3.DDS作為PLL的參考頻率發生器。

具有由DDS產生的內部失調頻率的PLL：圖4所示為鎖相環頻率合成器，其內部失調頻率由DDS產生。

圖4.AD9834 DDS為ADF41xx PLL產生頻率失調。

該電路使用精細設置的DDS頻率來調制本振頻率，產生和/差頻率，當濾波時，該頻率調制參考頻率，產生輸出頻率，

這類似于多環路頻率合成器設計，不同之處在于細頻步進PLL環路被單個DDS取代。這種混合頻率合成器中DDS的精細頻率分辨率可以提供比具有許多環路的PLL更好的頻率分辨率。

PLL提供粗略的步進，和以前一樣，PLL輸出頻率（使用本地振蕩器）與輸入參考頻率具有相同的基本分辨率，f裁判.DDS 在每個粗略步驟之間提供精細步長，因此最終輸出步長是 DDS 的步長。使用具有9834 MHz主時鐘的AD50時，步長可達0.2 Hz。

數據編碼中的 DDS

由于DDS器件使頻率和相位的調整變得容易，因此它們在將相位和頻率調制數據編碼到載波上時特別有用。這里有兩個相關的應用，可以追溯到無線電報的早期。

FSK 編碼：二進制頻移鍵控 （FSK） 是最簡單的數據編碼形式之一。通過將連續載波的頻率移動到兩個離散頻率中的一個或另一個（二進制操作）來傳輸數據。一個頻率（f1）被指定為“標記”頻率（二進制一）和另一個（f0） 作為“空間”頻率（二進制零）。圖5顯示了數據和傳輸信號之間的關系。

圖5.FSK 調制。

這種編碼方案可以使用DDS輕松實現。表示輸出頻率變化的DDS頻率調諧字以產生f0和 f1與要傳輸的 1 和 0 模式同步。用戶在傳輸之前將對應于所選頻率的調諧字編程到設備中。對于AD9834，兩個頻率寄存器可用于FSK編碼。器件上的專用引腳 （FSELECT） 用于選擇與相應調諧字相對應的頻率寄存器。圖 6 中的框圖演示了 FSK 編碼的實現。

圖6.基于 DDS 的 FSK 編碼器。

PSK 編碼：相移鍵控 （PSK） 是另一種簡單的數據編碼形式。在PSK中，當載波的頻率保持恒定時，傳輸信號的相位會發生變化以傳達信息。

有多種方案可用于完成 PSK。僅使用兩個信號相位（0°和180°）的最簡單方法通常稱為二進制PSK（BPSK）。0° 對應于邏輯 1，180° 對應于邏輯 0。接收到的每個位的狀態根據前一個位的狀態確定。如果波的相位沒有改變，則信號狀態保持不變（低或高）。如果波的相位反轉，即變化180°，則信號狀態發生變化（從低到高，或從高到低）。

使用 DDS 產品可輕松實現 PSK 編碼。大多數器件都有一個單獨的輸入寄存器（相位寄存器），可以加載相位值。該值直接添加到載波的相位中，而不改變其頻率。更改此寄存器的內容會調制載波的相位（從而產生PSK輸出信號）。對于需要高速調制的應用，AD9834允許使用專用輸入引腳（PSELECT）選擇預加載相位寄存器;切換此引腳可根據需要調制載波。

可以使用其他相位角。更復雜的PSK形式采用四個或八個不同的階段。這允許二進制數據以比BPSK調制更快的每次相變速率傳輸。例如，在四相調制正交PSK（QPSK）中，可能的相位角為0°、+90°、–90°和180°;每個相移可以代表兩個數據位。AD9830、AD9831、AD9832和AD9835提供四相寄存器，可通過不斷更新寄存器的不同相位偏移來實現復雜的相位調制方案。

聲浮標應用：DDS在聲納浮標通信中很有用。聲納浮標是一種位于水中并捕獲海洋中環境聲音的設備。聲納浮標的常見應用是探測、定位、識別和跟蹤地震事件和水下目標，如潛艇和鯨魚。聲納浮標陣列可用于確定目標位置、速度和方向。

聲納浮標有四個主要組件：浮子、無線電收發器、電池和水聽器。水聽器是一種水下傳感器，可將聲壓波轉換為電壓，這些電壓被放大并發送到水面浮子。無線電信號由天線和無線電接收器拾取，通常在飛機或船上。

主動聲納浮標傳輸聲波，聲波從物體上反彈。到物體的距離和方向可以從反射信號確定。換能器用于將聲波引入水中并操縱回波，然后將其放大以進行VHF無線電傳輸。被動聲納浮標不發出任何聲音;他們只是坐下來聽傳入的聲音。在這兩種情況下，數據都傳輸回船舶或飛機，通常使用擴頻通信，其中頻率被快速跳躍以類似于隨機噪聲。DDS通常用于在發射和接收部分提供跳頻。

AD9834非常適合用作聲納浮標發射器部分的捷變頻率源（圖7）。傳輸的典型頻率為 136 MHz 至 174 MHz。

圖7.聲納浮標發射部分的DDS。

用于GPS位置定位的典型接收器框圖如圖8所示。

圖8.DDS在聲納浮標的接收部分。

聲納浮標的接收部分由GPS天線、低噪聲放大器和下變頻前端級組成。下變頻由DDS驅動。來自前端的信號被采樣和數字化，產生的數據流（包含天線范圍內所有GPS衛星的擴頻數據）被傳遞給相關器進行擴頻處理。相關過程的輸出由 CPU 轉換以提供聲納浮標的坐標。

DDS因其微調功能而為發射器和接收器提供了優勢。AD25/AD9833的低功耗（9834 mW）和低成本使其成為電池供電一次性應用（如聲納浮標）的理想解決方案。

光纖通道識別： 與銅芯技術相比，通過光纖電纜使用光波進行通信大大增加了帶寬和容量。通過使用波分復用（WDM）能夠以相對較低的成本提供的多通道，容量進一步增加。

WDM涉及從各種同步輸入數據流中組合單獨的光波長（顏色），并通過單根光纖傳輸這些通道的總和（“白光”）。不同的協議可以在同一鏈路中混合使用。在接收端，光被分離成其組件，并進行解調。

盡管所有信號同時傳輸，但希望確定信號來自哪個通道。區分通道的一種方法是在每個通道的數字數據中添加具有可識別參數（例如幅度、頻率、相位等）的導頻信號。在光發射器中，通過改變流過激光二極管的電流來添加導頻信號。圖 9 顯示了如何完成此操作。

圖9.光纖通信應用中的DDS。

ADN2847半導體激光管驅動器的工作速率在50 Mbps至3.3 Gbps之間。IDTONE上的外部灌電流用于WDM中的光纖識別，可在最小Imod的2%至最大Imod的10%的可能范圍內調制光一電平。AD9834產生調制波形，并通過控制500歐姆電阻兩端的電壓來控制IDTONE的電流吸收。IMMON上的直流電流反射調制電流，用于反饋環路，通過其R控制AD9834輸出電平設置針。

結論

直接數字合成可生成具有數字可調高分辨率相位和頻率的模擬波形，可用于測試、測量和通信中的各種應用。集成電路DDS器件結構緊湊，需要很少的功率和空間，成本低，易于應用。

審核編輯：郭婷