直接數(shù)字頻率合成控制測(cè)試、測(cè)量和通信中的波形

作者：Eva Murphy and Colm Slattery

在許多類型的設(shè)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(hào)成分的敏捷頻率源，以及用于工業(yè)和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的簡(jiǎn)單生成頻率激勵(lì)。在此類應(yīng)用中，能夠方便且經(jīng)濟(jì)高效地生成可調(diào)波形是一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)考慮因素。

已經(jīng)使用了各種方法，但最靈活的一種是直接數(shù)字合成器（DDS）。DDS芯片或直接數(shù)字頻率合成器通過以數(shù)字形式生成時(shí)變信號(hào)，然后執(zhí)行數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換來產(chǎn)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(shù)字器件，因此它們可以在輸出頻率、精細(xì)頻率分辨率和寬頻率范圍內(nèi)運(yùn)行之間提供快速切換。

隨著設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)的進(jìn)步，當(dāng)今的DDS設(shè)備非常緊湊，功耗低。目前可用的DDS設(shè)備可以產(chǎn)生遠(yuǎn)低于1 Hz至400 MHz的頻率（基于1 GHz時(shí)鐘），時(shí)間分辨率為48位。使用新工藝技術(shù)的器件成本低，加上DDS固有的卓越性能和對(duì)輸出波形進(jìn)行數(shù)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(tǒng)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(tǒng)（例如相控陣?yán)走_(dá)/聲納、ATE、醫(yī)學(xué)成像和光通信）中獨(dú)立編程多達(dá)四個(gè)固有同步輸出。

我們?cè)谶@里的目標(biāo)是讓讀者了解DDS在現(xiàn)有應(yīng)用程序中的一些重要用途，并深入了解DDS設(shè)備為這些應(yīng)用和其他潛在應(yīng)用帶來的主要好處。目前，使用DDS的兩種主要應(yīng)用形式是通信中的波形生成以及工業(yè)和生物醫(yī)學(xué)中的信號(hào)分析。典型的其他用途包括電子物品監(jiān)控（EAS）和聲納浮標(biāo)系統(tǒng)中的海事應(yīng)用。

通信系統(tǒng)中存在重要應(yīng)用，這些系統(tǒng)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(diào)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(shí)別的導(dǎo)頻信號(hào)，用于鎖相環(huán)（PLL）的增強(qiáng)可調(diào)性參考頻率，作為本地振蕩器，甚至用于直接傳輸。

在信號(hào)分析類別中，許多工業(yè)和生物醫(yī)學(xué)設(shè)計(jì)使用DDS以數(shù)字方式生成頻率和相位可調(diào)的可編程波形，而無需更改任何外部組件，傳統(tǒng)波形發(fā)生器通常就是這種情況。簡(jiǎn)單的頻率調(diào)整可用于定位諧振或補(bǔ)償溫度漂移。DDS可用作測(cè)量傳感器阻抗的靈活頻率激勵(lì)，或?yàn)槲⒅聞?dòng)器生成脈寬調(diào)制信號(hào)，或檢查L(zhǎng)AN或電話電纜中的衰減。

在工業(yè)和醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

信號(hào)發(fā)生器網(wǎng)絡(luò)分析：當(dāng)今電子產(chǎn)品中的許多應(yīng)用都涉及收集和解碼數(shù)據(jù)，用于數(shù)字信號(hào)處理、模擬測(cè)量、光纖和高頻通信。

這類應(yīng)用涉及用已知幅度和相位的頻率激勵(lì)電路或系統(tǒng)，并分析響應(yīng)特性以提供關(guān)鍵系統(tǒng)信息?！氨环治鼍W(wǎng)絡(luò)”（圖1）可以是從電纜長(zhǎng)度到測(cè)量/傳感器系統(tǒng)的任何內(nèi)容。典型要求是將響應(yīng)信號(hào)與輸入信號(hào)的相位、頻率和幅度進(jìn)行比較。

圖1.響應(yīng)測(cè)試。

在需要一系列頻率進(jìn)行激勵(lì)的情況下，DDS芯片恰到好處，因?yàn)榧?lì)頻率、相位和幅度可以通過軟件以非常嚴(yán)格的分辨率進(jìn)行控制。

該系統(tǒng)的工作原理是將具有已知頻率、幅度和相位的信號(hào)施加到圖1中的網(wǎng)絡(luò)V2點(diǎn)（為簡(jiǎn)單起見，顯示為無源電路）。V2點(diǎn)信號(hào)的幅度和相位將根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的特性而變化。信號(hào)V2和V1之間的時(shí)間差允許用戶計(jì)算相移，幅度的變化將給出相對(duì)幅度偏移。它們的頻譜差異可以提供失真的度量。知道被測(cè)系統(tǒng)的相位和幅度響應(yīng)后，就可以計(jì)算其傳遞函數(shù)。

圖2.系統(tǒng)框圖。

這些應(yīng)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(duì)于某些應(yīng)用，一個(gè)已知頻率的突發(fā)可提供足夠的信息;但對(duì)于大多數(shù)人來說，需要掃描網(wǎng)絡(luò)中的一系列已知頻率，并分析多個(gè)頻率的相位/幅度數(shù)據(jù)。單個(gè)DDS芯片提供整個(gè)頻率生成功能，使用戶在數(shù)字控制網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行控制，可編程相位分辨率可達(dá)<0.1度。

在圖2所示的系統(tǒng)中，AD9834 DDS芯片用作系統(tǒng)的模擬激勵(lì)。它由 50MHz 晶體振蕩器驅(qū)動(dòng)。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(jí)驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。

輸出由電阻RL加載，驅(qū)動(dòng)低通RC濾波器，該濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻帶限制，并濾除時(shí)鐘頻率、鏡像和更高頻率。緩沖放大器驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，此處由LRC電路表示。參考信號(hào)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(yīng)信號(hào)施加到ADC的通道2。

用作系統(tǒng)控制器的數(shù)字信號(hào)處理器控制DDS和ADC采樣。DSP通過簡(jiǎn)單的算法或通過FFT、DFT或?qū)Ｓ兴惴ㄌ幚硐到y(tǒng)的處理要求，還可以控制系統(tǒng)的任何必要的幅度和相位校準(zhǔn)。

其他應(yīng)用

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

通信中的DDS

傳統(tǒng)上，在考慮設(shè)計(jì)新的頻率合成器時(shí)，有兩種常見的基本方法：鎖相環(huán)（PLL）和直接數(shù)字頻率合成。選擇并不總是明確的;通常，設(shè)計(jì)人員必須做出權(quán)衡或設(shè)計(jì)額外的電路，以彌補(bǔ)所選技術(shù)的弱點(diǎn)。

然而，現(xiàn)在PLL和DDS電路都可以作為低成本元件使用，考慮設(shè)計(jì)一種結(jié)合這兩種技術(shù)的混合電路變得切實(shí)可行，從而消除了權(quán)衡取舍。設(shè)計(jì)人員可以利用這兩種方法獲得優(yōu)于單個(gè)PLL或DDS設(shè)計(jì)的整體解決方案。我們將討論具有以下優(yōu)點(diǎn)的方法：

精細(xì)的頻率分辨率

快速切換動(dòng)作

快速建立時(shí)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(xì)可調(diào)基準(zhǔn)，以及具有DDS產(chǎn)生的本振（LO）頻率內(nèi)部偏移的PLL。

PLL的微調(diào)基準(zhǔn)：圖3顯示了一個(gè)鎖相環(huán)頻率合成器，其參考頻率由DDS的濾波輸出產(chǎn)生。通過使用混合解決方案，DDS的調(diào)諧分辨率可以將整個(gè)系統(tǒng)的可調(diào)諧性提高到單獨(dú)使用PLL無法實(shí)現(xiàn)的水平。

在本例中，PLL由一個(gè)整數(shù)N分頻ADF4106頻率合成器、一個(gè)外部環(huán)路濾波器和VCO組成。這種配置允許設(shè)計(jì)人員選擇滿足頻率條件的VCO和滿足應(yīng)用需求的環(huán)路濾波器?；鶞?zhǔn)電壓源由AD9834 DDS產(chǎn)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(diào)諧字，允許對(duì)參考頻率進(jìn)行非常窄的調(diào)諧，從而比使用小數(shù)N分頻PLL更方便地微調(diào)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(chǎn)生 5 MHz 步長(zhǎng)的輸出頻率（100 MHz、105 MHz、110 MHz 等）但是，只需調(diào)整寫入頻率寄存器的十六進(jìn)制數(shù)，AD9834的輸出就可以以較小的增量進(jìn)行設(shè)置。AD9834可以以小至0.2 Hz的增量調(diào)諧，時(shí)鐘速率為50 MHz。這導(dǎo)致對(duì)混合 PLL/DDS 進(jìn)行非常精細(xì)的調(diào)整。

理想情況下，基準(zhǔn)電壓源應(yīng)具有低相位噪聲和雜散音。DDS輸出確實(shí)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?cái)啵瑢?dǎo)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(xì)選擇采樣計(jì)劃，可以將這些雜散降至最低。

如果開關(guān)速度不重要，則可以使PLL帶寬極窄，以排除基準(zhǔn)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(xì)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(jiǎn)單方法。

為了利用DDS的快速開關(guān)能力和高分辨率，需要更寬的PLL環(huán)路帶寬，這使得濾波器和可選分頻器對(duì)于低噪聲和雜散非常重要。請(qǐng)注意，PLL會(huì)增加雜散音的幅度，但不會(huì)增加它們與基準(zhǔn)的頻率偏移。因此，圖3中的濾波器需要將DDS產(chǎn)生的雜散音和噪聲限制在窄帶寬內(nèi)。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(nèi)。最終，濾波器帶寬和中心頻率的選擇是在開關(guān)速度、噪聲性能和連續(xù)頻率覆蓋需求之間進(jìn)行權(quán)衡。

圖3.DDS作為PLL的參考頻率發(fā)生器。

具有由DDS產(chǎn)生的內(nèi)部失調(diào)頻率的PLL：圖4所示為鎖相環(huán)頻率合成器，其內(nèi)部失調(diào)頻率由DDS產(chǎn)生。

圖4.AD9834 DDS為ADF41xx PLL產(chǎn)生頻率失調(diào)。

該電路使用精細(xì)設(shè)置的DDS頻率來調(diào)制本振頻率，產(chǎn)生和/差頻率，當(dāng)濾波時(shí)，該頻率調(diào)制參考頻率，產(chǎn)生輸出頻率，

這類似于多環(huán)路頻率合成器設(shè)計(jì)，不同之處在于細(xì)頻步進(jìn)PLL環(huán)路被單個(gè)DDS取代。這種混合頻率合成器中DDS的精細(xì)頻率分辨率可以提供比具有許多環(huán)路的PLL更好的頻率分辨率。

PLL提供粗略的步進(jìn)，和以前一樣，PLL輸出頻率（使用本地振蕩器）與輸入?yún)⒖碱l率具有相同的基本分辨率，f裁判.DDS 在每個(gè)粗略步驟之間提供精細(xì)步長(zhǎng)，因此最終輸出步長(zhǎng)是 DDS 的步長(zhǎng)。使用具有9834 MHz主時(shí)鐘的AD50時(shí)，步長(zhǎng)可達(dá)0.2 Hz。

數(shù)據(jù)編碼中的 DDS

由于DDS器件使頻率和相位的調(diào)整變得容易，因此它們?cè)趯⑾辔缓皖l率調(diào)制數(shù)據(jù)編碼到載波上時(shí)特別有用。這里有兩個(gè)相關(guān)的應(yīng)用，可以追溯到無線電報(bào)的早期。

FSK 編碼：二進(jìn)制頻移鍵控 （FSK） 是最簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)編碼形式之一。通過將連續(xù)載波的頻率移動(dòng)到兩個(gè)離散頻率中的一個(gè)或另一個(gè)（二進(jìn)制操作）來傳輸數(shù)據(jù)。一個(gè)頻率（f1）被指定為“標(biāo)記”頻率（二進(jìn)制一）和另一個(gè)（f0） 作為“空間”頻率（二進(jìn)制零）。圖5顯示了數(shù)據(jù)和傳輸信號(hào)之間的關(guān)系。

圖5.FSK 調(diào)制。

這種編碼方案可以使用DDS輕松實(shí)現(xiàn)。表示輸出頻率變化的DDS頻率調(diào)諧字以產(chǎn)生f0和 f1與要傳輸?shù)?1 和 0 模式同步。用戶在傳輸之前將對(duì)應(yīng)于所選頻率的調(diào)諧字編程到設(shè)備中。對(duì)于AD9834，兩個(gè)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(yīng)調(diào)諧字相對(duì)應(yīng)的頻率寄存器。圖 6 中的框圖演示了 FSK 編碼的實(shí)現(xiàn)。

圖6.基于 DDS 的 FSK 編碼器。

PSK 編碼：相移鍵控 （PSK） 是另一種簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)編碼形式。在PSK中，當(dāng)載波的頻率保持恒定時(shí)，傳輸信號(hào)的相位會(huì)發(fā)生變化以傳達(dá)信息。

有多種方案可用于完成 PSK。僅使用兩個(gè)信號(hào)相位（0°和180°）的最簡(jiǎn)單方法通常稱為二進(jìn)制PSK（BPSK）。0° 對(duì)應(yīng)于邏輯 1，180° 對(duì)應(yīng)于邏輯 0。接收到的每個(gè)位的狀態(tài)根據(jù)前一個(gè)位的狀態(tài)確定。如果波的相位沒有改變，則信號(hào)狀態(tài)保持不變（低或高）。如果波的相位反轉(zhuǎn)，即變化180°，則信號(hào)狀態(tài)發(fā)生變化（從低到高，或從高到低）。

使用 DDS 產(chǎn)品可輕松實(shí)現(xiàn) PSK 編碼。大多數(shù)器件都有一個(gè)單獨(dú)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(nèi)容會(huì)調(diào)制載波的相位（從而產(chǎn)生PSK輸出信號(hào)）。對(duì)于需要高速調(diào)制的應(yīng)用，AD9834允許使用專用輸入引腳（PSELECT）選擇預(yù)加載相位寄存器;切換此引腳可根據(jù)需要調(diào)制載波。

可以使用其他相位角。更復(fù)雜的PSK形式采用四個(gè)或八個(gè)不同的階段。這允許二進(jìn)制數(shù)據(jù)以比BPSK調(diào)制更快的每次相變速率傳輸。例如，在四相調(diào)制正交PSK（QPSK）中，可能的相位角為0°、+90°、–90°和180°;每個(gè)相移可以代表兩個(gè)數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜的相位調(diào)制方案。

聲浮標(biāo)應(yīng)用：DDS在聲納浮標(biāo)通信中很有用。聲納浮標(biāo)是一種位于水中并捕獲海洋中環(huán)境聲音的設(shè)備。聲納浮標(biāo)的常見應(yīng)用是探測(cè)、定位、識(shí)別和跟蹤地震事件和水下目標(biāo)，如潛艇和鯨魚。聲納浮標(biāo)陣列可用于確定目標(biāo)位置、速度和方向。

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

主動(dòng)聲納浮標(biāo)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(hào)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(jìn)行VHF無線電傳輸。被動(dòng)聲納浮標(biāo)不發(fā)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(shù)據(jù)都傳輸回船舶或飛機(jī)，通常使用擴(kuò)頻通信，其中頻率被快速跳躍以類似于隨機(jī)噪聲。DDS通常用于在發(fā)射和接收部分提供跳頻。

AD9834非常適合用作聲納浮標(biāo)發(fā)射器部分的捷變頻率源（圖7）。傳輸?shù)牡湫皖l率為 136 MHz 至 174 MHz。

圖7.聲納浮標(biāo)發(fā)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(biāo)的接收部分。

聲納浮標(biāo)的接收部分由GPS天線、低噪聲放大器和下變頻前端級(jí)組成。下變頻由DDS驅(qū)動(dòng)。來自前端的信號(hào)被采樣和數(shù)字化，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流（包含天線范圍內(nèi)所有GPS衛(wèi)星的擴(kuò)頻數(shù)據(jù)）被傳遞給相關(guān)器進(jìn)行擴(kuò)頻處理。相關(guān)過程的輸出由 CPU 轉(zhuǎn)換以提供聲納浮標(biāo)的坐標(biāo)。

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

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

WDM涉及從各種同步輸入數(shù)據(jù)流中組合單獨(dú)的光波長(zhǎng)（顏色），并通過單根光纖傳輸這些通道的總和（“白光”）。不同的協(xié)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(jìn)行解調(diào)。

盡管所有信號(hào)同時(shí)傳輸，但希望確定信號(hào)來自哪個(gè)通道。區(qū)分通道的一種方法是在每個(gè)通道的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)中添加具有可識(shí)別參數(shù)（例如幅度、頻率、相位等）的導(dǎo)頻信號(hào)。在光發(fā)射器中，通過改變流過激光二極管的電流來添加導(dǎo)頻信號(hào)。圖 9 顯示了如何完成此操作。

圖9.光纖通信應(yīng)用中的DDS。

ADN2847半導(dǎo)體激光管驅(qū)動(dòng)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(shí)別，可在最小Imod的2%至最大Imod的10%的可能范圍內(nèi)調(diào)制光一電平。AD9834產(chǎn)生調(diào)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(diào)制電流，用于反饋環(huán)路，通過其R控制AD9834輸出電平設(shè)置針。

結(jié)論

直接數(shù)字合成可生成具有數(shù)字可調(diào)高分辨率相位和頻率的模擬波形，可用于測(cè)試、測(cè)量和通信中的各種應(yīng)用。集成電路DDS器件結(jié)構(gòu)緊湊，需要很少的功率和空間，成本低，易于應(yīng)用。

審核編輯：郭婷