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),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，美國學者J．Tierncy，C．M．Rader和B．Gold提出了以全數(shù)字技術，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。限于當時的技術和器件水平，它的性能指標尚不能與已有的技術相比，故未受到重視。近20年間，隨著技術和器件水平的提高，一種新的頻率合成技術——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)越性能和特點成為現(xiàn)代頻率合成技術中的姣姣者。DDS是直接數(shù)字式頻率合成器（Direct Digital Synthesizer）的英文縮寫。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)換時間等優(yōu)點，廣泛使用在電信與電子儀器領域，是實現(xiàn)設備全數(shù)字化的一個關鍵技術。DDS是現(xiàn)今一種重要的設計手段，高速集成電路的發(fā)展進一步改善了DDS的性能，它與傳統(tǒng)技術相結合，組成的各種混合方案將頻率源的性能提高到一個新的水平，因而未來的DDS不僅應用于傳統(tǒng)上需要使用信號源的領域，而且必將開拓許多新的應用領域。

基本原理

DDS技術是一種把一系列數(shù)字量形式的信號通過DAC轉(zhuǎn)換成模擬量形式的信號的合成技術。目前使用最廣泛的一種DDS方式是利用高速存儲器作查尋表，然后通過高速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位累加寄存器級聯(lián)構成。每來一個時鐘脈沖，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時鐘作用后所產(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時鐘的作用下繼續(xù)與頻率控制數(shù)據(jù)相加。這樣，相位累加器在參考時鐘的作用下，進行線性相位累加，當相位累加器累加滿量時就會產(chǎn)生一次溢出，完成一個周期性的動作，這個周期就是DDS合成信號的一個頻率周期，累加器的溢出頻率就是DDS輸出的信號頻率。

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，對正弦波波形存儲器進行相位—幅值轉(zhuǎn)換，即可在給定的時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，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。

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

DDS的性能特點

DDS在相對帶寬、頻率轉(zhuǎn)換時間、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方面遠遠超過了傳統(tǒng)頻率合成技術所能達到的水平，為系統(tǒng)提供了優(yōu)于模擬信號源的性能。

2．1　極快的頻率切換速度

DDS是一個開環(huán)系統(tǒng)，無任何反饋環(huán)節(jié)，頻率轉(zhuǎn)換時間主要由LPF附加的時延來決定。如fc＝10MHz，轉(zhuǎn)換時間即為100ns，若時鐘頻率升高，轉(zhuǎn)換時間將縮短，但不可能少于數(shù)字門電路的延遲時間。目前，DDS的調(diào)諧時間一般在ns級，比使用其它的頻率合成方法都要短數(shù)個數(shù)量級。

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。大多數(shù)DDS的分辨率在Hz，mHz甚至μHz的數(shù)量級。

2．3　低相位噪聲和低漂移

DDS系統(tǒng)中合成信號的頻率穩(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)應用中，一般由固定的晶振來產(chǎn)生基準頻率，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是一個開環(huán)系統(tǒng)，故當一個轉(zhuǎn)換頻率的指令加在DDS的數(shù)據(jù)輸入端時，它會迅速合成所要求的頻率信號，在輸出信號上沒有疊加任何電流脈沖，輸出變化是一個平穩(wěn)的過渡過程，而且相位是連續(xù)變化的，這個特點也是DDS獨有的。

2．5　在極寬的頻帶范圍內(nèi)輸出幅度平坦的信號

DDS的最低輸出頻率是所用的時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鐘頻率一半的所有頻率下，DAC都可以再現(xiàn)信號，即DDS頻率的上限fomax由合成器的最大時鐘頻率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)字信號處理器件，除DAC和濾波器外，無需任何調(diào)整，從而降低了成本，簡化了生產(chǎn)設備。

DDS的應用

DDS問世之初，構成DDS元器件的速度的限制和數(shù)字化引起的噪聲，這兩個主要缺點阻礙了DDS的發(fā)展與實際應用。近幾年超高速數(shù)字電路的發(fā)展以及對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到鎖相頻率合成器相當?shù)乃?。隨著這種頻率合成技術的發(fā)展，其已廣泛應用于通訊、導航、雷達、遙控遙測、電子對抗以及現(xiàn)代化的儀器儀表工業(yè)等領域。

3．1　實時模擬仿真的高精密信號

在DDS的波形存儲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)，然后通過手控或用計算機編程對這些數(shù)據(jù)進行控制，就可以任意改變輸出信號的波形。利用DDS具有的快速頻率轉(zhuǎn)換、連續(xù)相位變換、精確的細調(diào)步進的特點，將其與簡單電路相結合就構成精確模擬仿真各種信號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)脈沖之類的波形，重現(xiàn)由數(shù)字存儲示波器（DSO）捕獲的波形。

3．2　實現(xiàn)各種復雜方式的信號調(diào)制

DDS也是一種理想的調(diào)制器，因為合成信號的三個參量：頻率、相位和幅度均可由數(shù)字信號精確控制，因此DDS可以通過預置相位累加器的初始值來精確地控制合成信號的相位，從而達到調(diào)制的目的。

現(xiàn)代通信技術中調(diào)制方式越來越多，BPSK，QPSK，MSK都需要對載波進行精確的相位控制。而DDS的合成信號的相位精度由相位累加器的位數(shù)決定。一個32位的相位累加器可產(chǎn)生43億個離散的相位電平，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，只要通過預置相位累加器的初始值，即可精確地控制合成信號的相位，很容易實現(xiàn)各種數(shù)字調(diào)制方式。

3．3　實現(xiàn)頻率精調(diào)，作為理想的頻率源

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

在頻率粗調(diào)時用PLL來覆蓋所需工作頻段，選擇適當?shù)姆诸l比可獲得較高的相位噪聲，而DDS被用來覆蓋那些粗調(diào)增量，在其內(nèi)實現(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滿足了各種系統(tǒng)對頻率源苛刻的技術要求。這也是目前開發(fā)應用DDS技術最廣泛的一種方法。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現(xiàn)。

當然，DDS的應用不僅限于這些，它還可用于核磁諧振頻譜學及其成像、檢測儀表等。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足系統(tǒng)頻率要求的重要而靈活的設計手段。