(DDS)直接数字频率合成技术

Dቤተ መጻሕፍቲ ባይዱS
– 1971年,由J.Tierney 和C.M.Tader 等人在 “A Digital Frequency Synthesizer”一文中首次提出了 DDS的概念, DDS或DDFS 是 Direct Digital Frequency Synthesis 的 简称 –通常将此视为第三代频率合成技术. 通常将此视为第三代频率合成技术. 通常将此视为第三代频率合成技术 相位” –它突破了前两种频率合成法的原理,从”相位”的概念 它突破了前两种频率合成法的原理, 它突破了前两种频率合成法的原理 出发进行频率合成. 出发进行频率合成. –这种方法不仅可以产生不同频率的正弦波,而且可以控 这种方法不仅可以产生不同频率的正弦波, 这种方法不仅可以产生不同频率的正弦波 制波形的初始相位 初始相位. 制波形的初始相位. –还可以用DDS方法产生任意波形(AWG) 还可以用DDS方法产生任意波形 还可以用DDS方法产生任意波形(AWG)
续混频 分频,获得很小的频率步进,电路复杂,不易集成
– 直接数字合成法------DDS
VCO--用电压(流)控制振荡频率
改变C
改变R
改变L
改变电流
频率综合技术概述 开环VCO的频率稳定度和频率精度较低 PLL使输出频率的稳定度和精度,接近参考 振荡源(通常用晶振) PLL框图如下 框图如下: 框图如下
累加器的工作示意图
设相位累加器的位宽为2N, Sin表的大小为2p,累加 器的高P位用于寻址Sin表. 时钟Clock的频率为fc, 若累加器按步进为1地累加 直至溢出一遍的频率为
f out
fc = N 2
若以M点为步长,产生的信号频率为
f out fc =M N 2
M称为频率控制字
该DDS系统的核心是相位累加器，它由一个加法器和一个位相位寄存器组成，每来一 个时钟，相位寄存器以步长增加，相位寄存器的输出与相位控制字相加，然后输入到正 弦查询表地址上。正弦查询表包含一个周期正弦波的数字幅度信息，每个地址对应正弦 波中 0~360o 范围的一个相位点。查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度的数 字量信号，驱动DAC，输出模拟量。相位寄存器每经过2N/M 个 fc 时钟后回到初始状态， 相应地正弦查询表经过一个循环回到初始位置，整个DDS系统输出一个正弦波。输出 正弦波周期为 N
DDS的信号质量分析 的信号质量分析
DDS信号源的性能指标： 1, 频率稳定度 频率稳定度，等同于其时鈡信号的稳定度。 2, 频率的值的精度 频率的值的精度，决定于DDS的相位分辨率。即由DDS的相位累加器的字宽和ROM函数表决定。 本题要求频率按10Hz步进，频率值的误差应远小于10Hz。DDS可达到很高的频率分辨率。 3, 失真与杂波 失真与杂波：可用输出频率的正弦波能量与其他各种频率成分的比值来描述。失真与杂波的成分 可分为以下几个部分： 采样信号的镜像频率分量。DDS信号是由正弦波的离散采样值的数字量经D/A转换为阶梯形的 ⑴，采样信号的镜像频率分量 模拟波形的，当时钟频率为，输出正弦波的频率为时，存在着以采样频率为折叠频率的一系列镜像 频率分量，这些镜像频率值为n±它们的幅度沿Sin(x)/x包络滚降。其输出信号的频谱如图6。19所 ± 示。 的字宽决定了它的分辨率， ⑵ D/A的字宽决定了它的分辨率，它所决定的杂散噪声分量 的字宽决定了它的分辨率 它所决定的杂散噪声分量，满量程时，对信号的信噪比影响可表 示为 S/D+N =6.02B+1.76 dB 其中B为D/A的字宽，对于10位的D/A，信噪比可达到60dB以上。 增加D/A的位数，可以减少波形的幅值离散噪声。另外，采用过采样技术，即大幅度增加每个周期 中的样点数（提高时钟频率），也可以降低该类噪声。过采样方法使量化噪声的能量分散到更宽的 频带，因而提高了信号频带内的信噪比。 相位累加器截断造成的杂波。这是由正弦波的ROM表样点数有限而造成的。通过提高时钟频率 ⑶ 相位累加器截断造成的杂波 或采用插值的方法增加每个周期中的点数（过采样），可以减少这些杂波分量。 转换器的各种非线性误差形成的杂散频率分量，其中包括谐波频率分量，它们在N频率处。 ⑷ D/A转换器的各种非线性误差形成的杂散频率分量 转换器的各种非线性误差形成的杂散频率分量 这些杂波分量的幅度较小。 其他杂散分量，包括时钟泄漏，时钟相位噪声的影响等。 ⑸，其他杂散分量，包括时钟泄漏，时钟相位噪声的影响 D/A后面的低通滤波器可以滤去镜像频率分量和谐波分量，可以滤去带外的高频杂散分量，但是， 无法滤去落在低通带内的杂散分量。
直接数字频率合成技术 (DDS)
东南大学 无线电系 束海泉 Tel: 83792479
比赛中用到的波形发生器
波形是信息和能量的载体,它无处不在. 历来的賽题中,绝大部分都直接和间接地与波形发生 器有关.例如: 1,要求制作一个信号源 如第二届的”实用信号源的设计和制作”,第六 届 的”射频振荡器制作”,第五届的“波形发生器” 等 2,賽题中,需要用到信号源 如数据采集,无线电接收,元件参数测试仪,频率计, 频率特性测试仪等. DDS技术是一种先进的波形产生技术,已经在实际 中获得广泛应用,在比赛中也应该优先考虑采用.
通常用频率增量来表示频率合成器的分辨率，DDS的最小分辨率为
f min =
fc 2N
这个增量也就是最低的合成频率。最高的合成频率受奈奎斯特抽样定理的限制，所 以有
f 0 max =
fc 2
与PLL不同,DDS的输出频率可以瞬时地改变,即可以实现跳频，这是DDS的一个突 出优点，用于扫频测量和数字通讯中，十分方便。
To = Tc 2 M
频率为
f out
fc =M N 2
0 ≤ M ≤ 2N 1
频率控制字与输出信号频率和参考时钟频率之间的关系为：
M = ( f out 2 N ) f c
其中N是相位累加器的字长。频率控制字与输出信号频率成正比。由取样定理，所产生 的信号频率不能超过时钟频率的一半，在实际运用中，为了保证信号的输出质量，输出 频率不要高于时钟频率的33%,以避免混叠或谐波落入有用输出频带内。 在图中，相位累加器输出位并不全部加到查询表，而要截断。相位截断减小了查询表长 度，但并不影响频率分辨率，对最终输出仅增加一个很小的相位噪声。DAC分辨率一 般比查询表长度小2~4位。
DDS原理
工作过程为: 1, 将存于数表中的数字波形,经数模转换器D/A,形成模拟量波形. 2, 两种方法可以改变输出信号的频率: (1),改变查表寻址的时钟CLOCK的频率, 可以改变输出波形的频率. (2), 改变寻址的步长来改变输出信号的频率.DDS即采用此法. 步长即为对数字波形查表的相位增量.由累加器对相位增量进行累加, 累加器的值作为查表地址. 3, D/A输出的阶梯形波形,经低通(带通)滤波,成为质量符合需要的模拟波形.
DDS的信号质量分析 的信号质量分析
最高电压杂散信号fspur出 现在频谱f = fc - f0 时，它 限制着输出频率范围的上 限。最大杂散信号边带与 信号功率之比为
π ( f c f 0 ) sin P( f spur ) fc f0 = f f P( f 0 ) πf 0 0 c sin f c
频率综合技术概述
频率可变的振荡源
– 通过改变R,L,C元件参数改变正弦振荡的频率 – 通过改变充放电电流改变振荡频率 改变R 改变L 改变C 改变电流
压控振荡器VCO
– 用斜波扫描电压(流)控制产生扫频振荡器 – 用于频率稳定度和精度仪器不高的场合
频率合成技术
– 间接合成法------锁相环 PLL – 直接模拟合成法(早期的直接合成法)------通过模拟电路实现多级的连
f o = Nf r
1 fo = fr N
f o = f r1 f r 2
PLL
为了使输出频率有更高的分辨率 常用到多 为了使输出频率有更高的分辨率,常用到多 更高的分辨率 环频率合成和小数分频等技术. 环频率合成和小数分频等技术 随着频率分辨率的提高,PLL的锁定时间也 的锁定时间也 随着频率分辨率的提高 越长,频率变化越 频率变化越慢 越长 频率变化越慢.
DDS
这种技术的实现依赖于高速数字电路的产生，目前， 这种技术的实现依赖于高速数字电路的产生，目前， 其工作速度主要受 速度主要受D/A变换器的限制。利用正弦信号的 变换器的限制。 其工作速度主要受 变换器的限制 相位与时间呈线性关系的特性， 相位与时间呈线性关系的特性，通过查表的方式得到信 号的瞬时幅值，从而实现频率合成。 号的瞬时幅值，从而实现频率合成。 DDS具有超宽的相对宽带，超高的捷变速率，超细 具有超宽的相对宽带， 具有超宽的相对宽带 超高的捷变速率， 的分辨率以及相位的连续性，可编程全数字化，以及可 的分辨率以及相位的连续性，可编程全数字化， 方便实现各种调制等优越性能。 方便实现各种调制等优越性能。 但存在杂散大的缺点，限于数字电路的工作速度, 杂散大的缺点 但存在杂散大的缺点，限于数字电路的工作速度 DDS的频率上限目前还只能达到数百兆 限制了在某些 的频率上限目前还只能达到数百兆 的频率上限目前还只能达到数百兆,限制了在某些 领域的应用。
满量程时，对信号的信噪 比影响可表示为
S + N = 6.02 B + 1.76dB D
三个噪声,都是加性噪声
其中最主要的是相位截断误差带来的噪声
DDS的优点与不足
优点
（1）输出频率相对带宽较宽 输出频率带宽为50%fs（理论值）。但考虑到低通滤波器的特性和设计难度以及对输出信号杂散的 抑制，实际的输出频率带宽仍能达到40%fs。 （2）频率转换时间短 DDS是一个开环系统，无任何反馈环节，这种结构使得DDS的频率转换时间极短。事实上，在 DDS的频率控制字改变之后，需经过一个时钟周期之后按照新的相位增量累加，才能实现频率的转 换。因此，频率时间等于频率控制字的传输，也就是一个时钟周期的时间。时钟频率越高，转换时 间越短。DDS的频率转换时间可达纳秒数量级，比使用其它的频率合成方法都要短数个数量级。 （3）频率分辨率极高 若时钟fs的频率不变，DDS的频率分辨率就是则相位累加器的位数N决定。只要增加相位累加器的 位数N即可获得任意小的频率分辨率。目前，大多数DDS的分辨率在1Hz数量级，许多小于1mHz甚 至更小。 （4）相位变化连续 改变DDS输出频率，实际上改变的每一个时钟周期的相位增量，相位函数的曲线是连续的，只是在 改变频率的瞬间其频率发生了突变，因而保持了信号相位的连续性。 （5）输出波形的灵活性 只要在DDS内部加上相应控制如调频控制FM、调相控制PM和调幅控制AM，即可以方便灵活地实 现调频、调相和调幅功能，产生FSK、PSK、ASK和MSK等信号。另外，只要在DDS的波形存储器 存放不同波形数据，就可以实现各种波形输出，如三角波、锯齿波和矩形波甚至是任意的波形。当 DDS的波形存储器分别存放正弦和余弦函数表时，既可得到正交的两路输出。
PLL的构成
在反馈环路中插入频率运算功能, 在反馈环路中插入频率运算功能, 即可改变PLL的输出频率. 改变PLL的输出频率 即可改变PLL的输出频率. 有三种频率运算方式: 有三种频率运算方式:
倍频 分频 混频 分别进行频率的
× ,÷, ± 运算
上述运算由模拟和数字电路混合实现, 上述运算由模拟和数字电路混合实现, 数字鉴相器,数字分频器,压控振荡器和 由数字鉴相器,数字分频器,压控振荡器和 模拟环路滤波器组成. 滤波器组成 模拟环路滤波器组成. 输出频率分别为参考频率的 N倍, 1/N, ±FL
AD9830
芯片特性 +5V电压供电 50MHz频率 片内正弦查询表 片内10位数模转换器 并行数据接口 掉电功能选择 250mW功耗 48引脚薄方扁封装 （TQFP）
DDS的信号质量分析 的信号质量分析
取样系统信号的频谱
镜像频率分量为－ 镜像频率分量为－60dB，而其他各种杂散分量 ， 分布在很宽的频带上，其幅值远小于镜像频率分量。 分布在很宽的频带上，其幅值远小于镜像频率分量。 D/A之后用的低通滤波器可用来滤去镜像频率分量， 之后用的低通滤波器可用来滤去镜像频率分量， 之后用的低通滤波器可用来滤去镜像频率分量 谐波分量和带外杂散分量。 谐波分量和带外杂散分量。第一个镜像频率分量 最靠近信号频率，且幅度最大，实际应用时， 最靠近信号频率，且幅度最大，实际应用时， 应尽量提高采样时钟频率， 应尽量提高采样时钟频率，使该分量远离低通 滤波器的带宽,以减少低通滤波器的制作难度 以减少低通滤波器的制作难度。 滤波器的带宽 以减少低通滤波器的制作难度。