DDS的原理及镜像频谱分析

合集下载

直接数字频率合成器(DDS)原理分析

直接数字频率合成器(DDS)原理分析

直接数字频率合成器(DDS)原理分析直接数字频率合成器DDS(Direct Digital Frequncy Synthesizer)是从相位概念出发直接合成所需波形的一种频率合成技术。

其组成包括相位累加器、加法器、波形存储ROM、D/A转换器和低通滤波器(LPF),原理框图如图1所示。

以正弦波形合成为例,DDS合成频率的具体流程描述如下。

相位累加器由N位加法器与N位寄存器级联组成。

在时钟脉冲fc控制下,加法器将频率控制字K与寄存器输出的累加相位数据相加,再把相加后的结果送至寄存器的数据输入端。

寄存器将加法器在上一个时钟作用后所产生的相位数据反馈到加法器的输入端;使加法器在下一时钟作用下继续与频率控制字进行相加。

这样相位累加器在时钟的作用下,进行相位的累加。

当相位累加器累加满时就会产生溢出,完成一个周期的动作。

通过改变相位控制字P可以控制输出信号的相位参数。

令相位加法器的字长为N,当相位控制字由0跃变到不为零的P时,波形存储器(ROM)的输入为相位累加器的输出与相位控制字P之和,所以输出的幅度编码相位增加。

波形的改变是通过改变W波形控制字实现的。

由于ROM中不同波形分块存储,所以当W改变时,ROM输入端为相移后的地址与W之和。

经过K、P、W设置后的相位累加器输出的数据作为ROM的取样地址,进行波形的相位—幅值转换,即可在给定时间上确定输出波形的抽样幅值。

N位的寻址ROM相当于把0o~360o的正弦波信号离散成具有2N个样值的序列,若波形ROM有D位数据位,则2N个取样点的幅值以D位二进制数值固化于ROM 中,按照地址的不同可以输出相应相位的正弦信号幅值。

幅度控制字能够控制ROM输出的正弦信号幅值的变化,乘法器(除法器)在DDS电路中相单于将每一个幅值量化值增大(缩小)了A倍。

由上面分析可以看出,DDS输出方程可表示为,f0为输出频率,fc为时钟频率。

当K=1时,DDS输出最低频率(即频率分辨率)为,而DDS的最大输出频率由Nyquist采样定理决定,即fc/2,也就是说K的理论最大值为2N-1。

一文看懂DDS原理、混叠、幅度调制

一文看懂DDS原理、混叠、幅度调制

一文看懂DDS原理、混叠、幅度调制DDS架构基本原理随着数字技术在仪器仪表和通信系统中的广泛使用,可从参考频率源产生多个频率的数字控制方法诞生了,即直接数字频率合成(DDS)。

其基本架构如图1所示。

该简化模型采用一个稳定时钟来驱动存储正弦波(或其它任意波形)一个或多个整数周期的可编程只读存储器(PROM)。

随着地址计数器逐步执行每个存储器位置,每个位置相应的信号数字幅度会驱动DAC,进而产生模拟输出信号。

最终模拟输出信号的频谱纯度主要取决于DAC。

相位噪声主要来自参考时钟。

DDS是一种采样数据系统,因此必须考虑所有与采样相关的问题,包括量化噪声、混叠、滤波等。

例如,DAC输出频率的高阶谐波会折回奈奎斯特带宽,因而不可滤波,而基于PLL的合成器的高阶谐波则可以滤波。

此外,还有其它几种因素需要考虑,稍后将会讨论。

图1:直接数字频率合成系统的基本原理这种简单DDS系统的基本问题在于,最终输出频率只能通过改变参考时钟频率或对PROM重新编程来实现,非常不灵活。

实际DDS系统采用更加灵活有效的方式来实现这一功能,即采用名为数控振荡器(NCO)的数字硬件。

图2所示为该系统的框图。

图2:灵活的DDS系统系统的核心是相位累加器,其内容会在每个时钟周期更新。

相位累加器每次更新时,存储在△相位寄存器中的数字字M就会累加至相位寄存器中的数字。

假设△相位寄存器中的数字为00...01,相位累加器中的初始内容为00...00。

相位累加器每个时钟周期都会按00...01更新。

如果累加器为32位宽,则在相位累加器返回至00 (00)前需要232(超过40亿)个时钟周期,周期会不断重复。

相位累加器的截断输出用作正弦(或余弦)查找表的地址。

查找表中的每个地址均对应正弦波的从0°到360°的一个相位点。

查找表包括一个完整正弦波周期的相应数字幅度信息。

(实际上,只需要90°的数据,因为两个MSB中包含了正交数据)。

DDS原理及仿真

DDS原理及仿真

DDS原理及仿真DDS(Direct Digital Synthesis)是一种基于数字信号处理(DSP)技术的频率合成技术。

其原理是通过数字方式生成一个精确的频率、相位可控的信号。

DDS技术在现代通信、雷达、无线电频率合成等领域得到广泛应用。

本文将就DDS的原理及仿真进行详细介绍。

DDS的工作原理主要包括数字频率控制器(NCO)、DDS核心、DAC等几个重要部分。

NCO是DDS的关键组件,它是一个数字寄存器,用于存储相位累加器的内容。

相位累加器是DDS核心的核心部件,用于生成一个连续的相位积累信号。

NCO中的数字寄存器不断递增,递增的步长为一个相位增量。

当寄存器值溢出时,相位累加器将重新计数。

通过改变相位增量的大小,可以实现不同频率的信号输出。

例如,如果相位增量为Δθ,则频率为f的信号输出的相位增量为Δθ=f/fs*2^N,其中fs为NCO时钟频率,N为寄存器位数。

因此,DDS可以以高精度、高稳定性地生成所需的频率信号。

DDS的核心部分是相位积累器和查找表(LUT)。

相位积累器通过累加相位增量,并通过查找表确定输出的幅度值。

查找表是一个存储了一个完整周期内的幅度值的表格。

通过对相位积累器进行递增操作,并通过查找表来获取对应相位的幅度值,DDS就可以精确地生成所需的信号。

DDS的精度主要取决于相位积累器的位数和查找表的大小,位数越大、查找表越大,频率的分辨率和精度就越高。

DDS的输出信号需要通过数字模拟转换器(DAC)转换为模拟信号,以便在实际电路和系统中使用。

DAC将DDS生成的数字信号转换为模拟信号,以用于驱动电路的输入。

DAC的分辨率和采样速率决定了DDS输出信号的精度和带宽。

DDS技术的仿真主要包括数模转换、相位累加器和查找表设计等方面。

首先,需要对相位累加器和查找表进行仿真验证。

可以通过调整相位增量,观察输出信号的频率变化情况,以验证DDS的频率控制精度。

同时,可以通过改变查找表的大小,来验证DDS的频率分辨率和波形稳定性。

DDS基本原理及技术指南

DDS基本原理及技术指南

DDS基本原理及技术指南DDS全称为Direct Digital Synthesis(直接数字合成),是一种数字信号处理技术,广泛应用于频率合成、载波信号生成和频率调制等领域。

本文将介绍DDS的基本原理以及一些技术指南。

一、DDS原理DDS技术利用数字信号处理器(DSP)和数字锁相环(PLL)的协同工作实现信号的合成。

其基本原理如下:1.参考信号生成:DDS系统首先需要一个参考信号作为频率和相位参考。

这个参考信号可以是一个精确的时钟信号或者一个外部输入信号。

参考信号经过A/D转换器(模数转换器)转换为数字信号。

2.累加器:DDS系统会将参考信号的数字表示输入到一个累加器中。

累加器根据输入的数字信号进行累加操作,并且通过加法操作可以改变每一步的累加值。

3.相位累加器:累加器的输出值作为相位累加器的输入。

相位累加器也是一个累加器,但是其输出值作为频率合成器的输入。

相位累加器的输出值会被用来计算输出信号的相位。

4.乘法器/其它运算器:DDS系统还可能包含一个乘法器或其它运算器。

乘法器可以用来改变输出信号的幅度,以及实现频率调制等功能。

5.数字控制端口:DDS系统通常还包括一个数字控制端口,用来接受用户输入的频率、相位和幅度等参数。

这可以通过软件或者硬件的方式进行设置。

二、DDS技术指南以下是一些关于使用DDS技术的指南:1.选择合适的DDS芯片:根据需要合成的信号频率范围、分辨率和精度等要求,选择合适的DDS芯片。

一些常用的DDS芯片有AD9850、AD9851等。

2.谐波抑制:DDS系统在生成频率时会产生一定的谐波。

为了保持输出信号的纯净性,需要采取一些方法来抑制谐波。

常见的方法有使用低通滤波器、改变采样率等。

3.防止相位突变:相位突变会引起频谱中出现额外的频谱成分,影响输出信号的质量。

为了避免相位突变,可以通过调整累加器的初始相位或者采用相位预置技术。

4.频率和相位调制:DDS技术可以很方便地实现频率和相位调制。

DDS是什么意思DDS结构DDS原理是什么

DDS是什么意思DDS结构DDS原理是什么

DDS是什么意思DDS结构DDS原理是什么DDS是Direct Digital Synthesis的英文缩写,意为直接数字合成。

DDS是一种利用数字信号处理技术来产生高精度的频率和相位可控的连续波形的操作。

DDS结构是一种基于数字技术的信号产生器的结构。

它由相位累加器、频率控制字(FTW)、相位控制字(PTW)和一个查找表等组成。

相位累加器作为时钟信号的计数器,根据频率控制字的步进大小进行相位值的累加,然后通过查找表获取相位对应的幅度值。

这个过程可以重复进行,从而得到连续的波形输出。

DDS原理是基于抽样定理和离散信号处理的原理。

抽样定理表明,如果一个连续时间信号的带宽不超过其信号的采样率的一半,那么可以通过对信号进行抽样并进行适当的处理,以恢复原始信号。

DDS利用这一原理,将待产生的波形离散化为一系列的采样点,然后通过合成器根据这些采样点的幅度和相位信息来产生对应的数字信号。

这样,通过对这些数字信号进行转换和滤波处理,最终可以得到与原始信号非常接近的连续波形。

DDS的工作原理大致如下:1.设置初始参数:包括振荡频率、幅度、相位等。

2.配置相位累加器:选择一个合适的时钟频率,将其作为相位累加器的输入,通过加法器对相位控制字进行累加,从而控制波形的相位。

3.设置频率控制字:根据需要的波形频率,确定相位累加器每次累加的步长。

频率控制字的大小决定了每次相位累加的步进大小。

4.查找表:DDS中常用的查找表是正弦、余弦函数的表。

根据相位控制字来索引查找表中的数值,得到对应的幅度。

5.数字-模拟转换:将查找表中的数字信号转换为模拟信号,可以通过数字模拟转换器(DAC)来实现。

6.输出滤波:为了去除由数字合成引起的数字噪音和谐波,可以通过低通滤波器对输出信号进行滤波处理,以得到平滑的连续波形。

DDS的优点包括高精度、高稳定性、高频率分辨率、快速频率跳变和灵活性等。

它广泛应用于通信、测量、广播、音频处理等领域,可以用于产生各种连续波形,如正弦波、方波、锯齿波等,也可以通过频率和相位的调整进行频率调制和相位调制。

DDS的原理及镜像频谱分析

DDS的原理及镜像频谱分析

DDS的原理及镜像频谱分析DDS(Direct Digital Synthesis)是一种数字式直接合成技术,可以用来产生任意频率、任意波形的信号。

它的原理和实现方法比较复杂,涉及到数字信号处理、时钟频率合成、数字滤波等多个领域。

下面将就DDS的原理及镜像频谱分析进行详细阐述。

DDS的核心是一种数字式的相位累加器,它以固定的时钟频率递增相位,从而实现产生信号的频率和相位控制。

它通过在一个周期内逐渐累加相位,再根据累加的相位值计算出对应的输出信号值,然后通过一定的数字滤波器对这些输出信号进行滤波,从而获得最终的合成信号。

具体的实现步骤如下:1.设定一个固定的时钟频率,称之为系统时钟。

2.设定一个需要合成的频率值,并根据系统时钟频率计算出相位递增的步进值。

3.设定一个相位累加器的初始值,一般为0。

4.在每个时钟周期内,相位累加器的值递增一个步进值,直到达到一个周期的结束。

5.根据累加器的值,通过查表或计算等方法得到对应的输出信号值。

6.重复步骤4~5,直到需要合成的波形周期结束。

DDS的镜像频谱分析:在DDS的原理中,由于相位累加器的值在一个周期内递增,因此会形成一直线性增长的相位轨迹,从而使得输出信号的频率呈现出一定的线性变化。

但是,由于相位累加器的值是有限的,当累加器的值超过一个周期的范围时,它会重新从0开始进行累加。

这种相位重置会导致频率的非线性变化,进而引入了一些频谱干扰。

为了解决这个问题,在DDS的设计中引入了镜像频率抑制的方法。

通过在相位累加器中设置额外的位数(称之为干扰位),并使用一个加法器将累加器的高位和低位进行相加,得到一个新的相位累加值。

这样,当相位累加器的值超过一个周期时,由于高位的干扰位的引入,累加值不再从0开始,而是从一个非零的值开始累加。

这种镜像方法可以抑制频谱的重复干扰,使合成信号的频率更加准确和稳定。

镜像频谱分析可以通过频谱分析仪或数字示波器等工具进行查看。

通常情况下,合成信号的频谱会呈现出一个主频成分,以及其它几个镜像频率成分。

dds工作原理

dds工作原理

dds工作原理
DDS(Direct Digital Synthesis,直接数字合成)是一种数字信
号处理技术,用于生成高精度和稳定的频率信号。

其工作原理如下:
1. 数字信号生成器(Digital Signal Generator)产生一个或多个
参考波形,例如正弦波、方波或锯齿波。

2. 参考波形经过一个数字相位累加器(Digital Phase Accumulator),用于控制信号的频率。

相位累加器接收一个
控制字(Control Word),该字定义了相位累加的步长。

较大
的步长将导致更高的频率。

3. 累加器的输出接入一个查找表(Look-up Table),用于产生离散的输出样本。

查找表包含一个周期的离散样本点,这些样本点代表了参考波形的电压值。

4. 查找表的输出连接到一个数字到模拟转换器(Digital-to-Analog Converter,DAC),将数字样本转换为模拟电压信号。

5. 模拟电压信号经过低通滤波器(Low-pass Filter),用于去
除高频噪音成分,保留期望的基频信号。

6. 输出的模拟信号可用于驱动各种应用,如通信系统、音频设备、医疗器械等。

DDS的优点包括频率稳定性高、可编程性强、频率分辨率高
等。

相比于传统的模拟信号合成方法,DDS技术更加灵活和精确。

它的主要应用领域包括频率合成、频谱分析、信号调制等。

DDS信号发生器原理(1)

DDS信号发生器原理(1)

2 基本原理2.1 直接数字频率合成器直接数字合成(Direct Digital Synthesis,简称DDS)技术是从相位概念出发,直接对参考正弦信号进行抽样,得到不同的相位,通过数字计算技术产生对应的电压幅度,最后滤波平滑输出所需频率。

2.1.1 DDS工作原理下面,通过从相位出发的正弦函数产生描述DDS的概念。

图1表示了半径R为1的单位圆,半径R绕圆心旋转与X轴的正方向形成夹角θ(t),即相位角。

图1 单位圆表示正弦函数S= R sinθ(t)DDS的原理框图如图2所示。

图中相位累加器可在每一个时钟周期来临时将频率控制字(FTW)所决定的相位增量M累加一次,如果记数大于2N,则自动溢出,而只保留后面的N位数字于累加器中[9]。

图2 DDS原理框图DDS的数学模型可归结为:在每一个时钟周期Tc内,频率控制字M与N比特相位累加器累加一次,并同时对2N取模运算,得到的和(以N位二进制数表示)作为相位值,以二进制代码的形式去查询正弦函数表ROM,将相位信息转变成相应的数字量化正弦幅度值,ROM输出的数字正弦波序列再经数模转换器转变为阶梯模拟信号,最后通过低通滤波器平滑后得到一个纯净的正弦模拟信号。

由于ROM表的规模有限,相位累加器一般仅取高位作为寻址地址送入正弦查询表获得波形幅度值。

正弦查询表中以二进制数形式存入用系统时钟对正弦信号进行采样所得的样值点,可见只需改变查询表内容就可实现不同的波形输出。

2.1.2 DDS的结构DDS的基本结构包括相位累加器、正弦查询表(ROM)、数模转换器(DAC)和低通滤波器(LPF),其中从频率控制字到波形查询表实现由数字频率值输入生成相应频率的数字波形,其工作过程为:⑴确定频率控制字M;⑵在时钟脉冲fc的控制下,该频率控制字累加至相位累加器生成实时数字相位值;⑶将相位值寻址ROM转换成正弦表中相应的数字幅码。

模块DAC实现将数字幅度值高速且线性地转变为模拟幅度值,DDS产生的混叠干扰由DAC之后的低通滤波器滤除]7[。

dds的基本原理

dds的基本原理

dds的基本原理DDS(Direct Digital Synthesis,直接数字合成)是一种基于数字信号处理技术的频率合成技术。

它可以通过数字信号产生高精度、高稳定度、低相噪声的正弦波信号,并且可以在一定程度上实现频率的连续可调。

DDS的基本原理是:将一个固定频率的参考时钟信号经过相位累加器和幅度控制器进行处理,生成一个与参考时钟频率不同但精确可控的输出信号。

具体来说,DDS主要由以下几个模块组成:1. 参考时钟模块:该模块产生一个固定频率和稳定度的时钟信号作为DDS系统的参考时钟。

通常采用晶振或TCXO等稳定性较好的振荡器作为参考时钟。

2. 相位累加器模块:该模块将参考时钟信号作为输入,在每个时钟周期内对一个初始相位值进行累加,并输出累加后的相位值。

累加器可以通过加法器或乘法器等方式实现。

3. 数字正弦波发生器模块:该模块根据累加后的相位值计算出对应正弦波周期中每个采样点上正弦波值,并输出数字正弦波序列。

通常采用查表法或Cordic算法等方式实现。

4. 数字滤波器模块:该模块对数字正弦波序列进行滤波,以去除高频噪声和杂散分量,并输出最终的DDS输出信号。

通常采用FIR或IIR等数字滤波器实现。

5. 幅度控制器模块:该模块可以对DDS输出信号进行幅度调节,以调整输出信号的幅度大小。

通常采用DAC等数字电路实现。

总体来说,DDS的基本原理就是通过参考时钟、相位累加器、数字正弦波发生器、数字滤波器和幅度控制器等模块的协同作用,产生精确可控的正弦波信号。

DDS技术具有频率可调范围广、频率稳定性高、相位噪声低等特点,在通信、雷达、测量仪器等领域得到了广泛应用。

DDS原理及仿真

DDS原理及仿真

DDS原理及仿真DDS是指直接数字式合成器(Direct Digital Synthesizer),是一种通过数字信号处理器(DSP)或者其他数字电路实现的信号产生器,用来产生各种频率的信号。

DDS的工作原理是基于相位累加器的原理,它通过不断累加一个固定的相位增量来产生连续的相位值,然后将相位值转换为相应的数字输出值。

通过调整相位增量的大小和输出的采样率,可以产生不同频率的信号。

DDS的核心部件包括相位累加器和查找表。

相位累加器用来累加相位增量,它的输出表示当前的相位角度。

查找表存储了对应相位角度的输出值,可以是正弦波、方波或者其他形式的信号。

通过不断更新相位累加器的值,可以实现不同频率信号的产生。

DDS的工作流程如下:1.初始化相位累加器的值和相位增量的大小。

2.根据相位累加器的值,在查找表中找到对应的输出值。

3.将输出值转换为模拟信号,比如通过数模转换器。

4.更新相位累加器的值,继续下一次的相位累加和查找表查询。

DDS的优点是频率分辨率高、频率稳定性好、调频调制灵活等。

同时可以通过编程来控制相位累加器的值,实现频率、幅度、相位等参数的调节。

DDS的仿真可以通过软件工具来实现,比如Matlab、Simulink等。

仿真可以包括相位累加器、查找表、数模转换器等各个模块的建模和验证。

通过改变相位增量的大小和输出采样率,可以模拟产生不同频率的信号,然后将输出信号与理论信号进行比较,验证DDS的准确性和稳定性。

DDS的仿真还可以用来研究不同的调制技术,比如频率调制、幅度调制、相位调制等。

通过改变调制参数,可以模拟产生不同调制方式的信号,并观察其在频谱、时域等方面的特性。

总之,DDS是一种基于相位累加器和查找表的信号合成技术,可以产生各种频率的信号。

通过仿真工具可以对DDS的原理和性能进行研究和验证,为相关应用提供支持。

DDS的频谱分析

DDS的频谱分析
对 S(t)做傅氏变换得到理想 DDS 的理想频谱函数:

S ( w) S a (
l
lf c f o lf f o ) exp( j c ) ( 2f o2lf c ) fc fc lf c f o lf f o ) e x p( j c ) ( 2f o 2lf c ) fc fc
Sa (
l
式中 f o
Kf c sin( x) , S a ( x) ,上式表明:理想 DDS 只在 f lf c f o 处存在离 N x 2
散谱线,当 l 0 时,得到的就是主谱频率 f o 。此外,理想 DAC 所完成的阶梯重 构只改变了输出频谱的幅度和相位而未增加新的频率点, 这样 S(n)的频谱结构就 代表了 DDS 输出频谱分布。 实际 DDS 将产生杂散信号,DDS 的杂散源有 4 种:参考时钟源,相位截断。 幅度量化和 DAC 非线性。 1.参考时钟性能会直接影响到 DDS 的输出性能,并且参考时钟频率越高,杂 散的抑制相对就越大; 2.相位截断是相位累加器在每个参考时钟周期内没有把所有的相位信息送给 波形存储器而引起的。舍去的位数越少,相位误差的最大杂波幅度越小; 3.幅度量化是波形存储器的存储能力有限引起的,也可以认为是 DAC 有限 字长引起的。幅度量化在频谱中没有引入新的杂散成分,而是表现为均匀的噪声 基底,DAC 的位数增加一位,信噪比就有 6dB 的改善。 4.DAC 非线性误差和非理想开关特性是造成最大杂散的原意, 二者都会产生 谐波失真。 为了改善 DDS 的频谱质量,除了采用高位定都的有源晶振作为参考时钟输 入和选用性能比较好的 DAC 外,还可以通过压缩存储数据来等效的增大存储器 的数据寻址位,也就意味着增大波形存储器的容量,改善了相位舍位和幅度量化 引起的杂散。

DDS电路设计

DDS电路设计

DDS 电路设计摘要本文介绍了DDS的原理,给出了用Altera Cyclone 1 EP1CQ240C8 FPGA芯片实现直接数字频率合成器的工作原理、设计思路、电路结构和仿真结果以及频谱纯度分析。

关键词:直接数字频率合成(DDS);现场可编程门阵列(FPGA);相位累加器一、DDS原理概述1、DDS在基本原理框图如图所示。

它主要由标准参考频率源、相位累加器、波形存储器、数/模转换器、低通平滑滤波器等构成。

其中,参考频率源一般是一个高稳定度的晶体振荡器,其输出信号用于DDS中各部件同步工作。

DDS的实质是对相位进行可控等间隔的采样。

为实现全数字化的频率可调的频率合成器,本系统基于FPGA采用Verilog HDL设计而成直接数字频率合成器(DDS)。

系统由加法器、累加寄存器、波形存储器、D/A转换器、低通滤波器构成。

在FPGA 里面做到的是D/A转换器之前的部分。

图一DDS原理图DDS系统的核心是相位累加器,它由一个N位累加器与N位相位寄存器构成。

时钟脉冲每触发一次,累加器便将频率控制数据与相位寄存器输出的累加相位数据相加,然后把相加后的结果送至相位寄存器的数据输入端。

相位寄存器将累加器在上一个时钟作用后所产生的新相位数据反馈到累加器的输入端,以使加法器在下一个时钟的作用下继续与频率控制数据相加。

这样,相位累加器在参考时钟的作用下将进行线性相位累加,当相位累加器累加满时,就会产生一次溢出,以完成一个周期性的动作,这个周期就是DDS合成信号的一个频率周期,相位累加器的溢出频率就是DDS输出的信号频率。

2、DDS参数计算相位寄存器每经过2N/M 个f c 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。

输出正弦波频率:2NC outff M •=本设计中,N=10,M 为位宽为32的频率控制字,fc=20Mhz二、DDS 电路结构设计1、电路描述接口信号名称 位宽 方向 描述 备注 freq 32 输入 输入频率字reset 1 输入 复位 高电平异步复位 clock 1 输入 时钟 上升沿有效 sinout 8输出输出波形2补码格式2、电路结构DDS 模块RTL Viewer累加器ACC模块RTL ViewerROM模块RTL Viewer三、DDS电路仿真结果1、Quartus时序仿真设定时序分析工具为Class timing analyzer tool,观察电路最大运行频率fMAX用二补码格式观察2、Modelsim时序仿真参考时钟fc=20Mhz(1)当freq =32'b0000_0001_0000_0000_0000_0000_0000_0000; Modelsim仿真波形如图fo = 78Khz(2)当freq =32'b0000_0010_0000_0000_0000_0000_0000_0000; Modelsim仿真波形如图fo = 156Khz(3)当freq =32'b0000_0100_0000_0000_0000_0000_0000_0000; Modelsim仿真波形如图fo =(4)当freq =32'b0000_1000_0000_0000_0000_0000_0000_0000; Modelsim仿真波形如图fo = 625Khz四、频谱纯度分析(原始信号)频率控制字为32'h08000000时间012345678910x 106X: 6.25e+005Y: 89.17(幅度-频率曲线)频率控制字为32'h08000000频率/Hz幅度/d B(原始信号)频率控制字为32'h04000000时间x 106(幅度-频率曲线)频率控制字为32'h04000000频率/Hz幅度/d B20040060080010001200(原始信号)频率控制字为32'h02000000时间x 106(幅度-频率曲线)频率控制字为32'h02000000频率/Hz幅度/d B(原始信号)频率控制字为32'h01000000时间012345678910x 106(幅度-频率曲线)频率控制字为32'h01000000频率/Hz幅度/d B可见,随着频率控制字的减小,频谱的杂散现象越来越严重。

DDS技术

DDS技术

N = log 2 107 = 23.25
107 f o = 24 K(Hz) 0.596 × K ( Hz ) = 2 K = 1.678 × f o
韶Hale Waihona Puke 学院电子系DDS技术原理 技术原理
DDS技术原理 技术原理
FPGA CPLD EPM7128S-15 EP1C3T144C8-15
7. DDS系统设计方案 系统设计方案
相位控 制字M Q[0..23] 单 片 机 数 据 接 24位加 收 器 频率控 法器 制字K
1024点的正 弦波波表 24位加 法器
Q[14..23]
A[0..9] Q[0..7] ROM
D[0..7] DA转 换器
I/V 转换
低通 滤波
时钟fc
韶关学院电子系
DDS技术原理 技术原理 8. DDS集成芯片 集成芯片
100
50
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1024点的正 弦波波表 时钟fc
DA转 换器
输出fo
fo =
fc K N 2
360 Φ= N K 2
韶关学院电子系
DDS技术原理 技术原理 5. DDS结构图 结构图
相位控制字M[0..23] Q[0..23]
DDS技术原理 技术原理
24位加 法器 频率控制字 K[0..23] 时钟fc
3.传统的频率合成技术 传统的频率合成技术
fs fI = M fs fo = M N
fO fV = N
N • fs fO = M
fV = f I
控制分频系数M,N 控制分频系数 控制输出的频率 韶关学院电子系

DDS信号发生器原理

DDS信号发生器原理

DDS信号发生器原理DDS(Direct Digital Synthesis)信号发生器是一种基于数字信号处理技术实现的信号发生器,其原理是利用数字信号处理器(DSP)或者现场可编程门阵列(FPGA)等硬件实现对信号频率的精确控制,从而实现高精度、高稳定性的信号发生。

相位累加器是DDS信号发生器的核心部分,它主要负责生成连续变化的相位信号。

相位累加器的输入是一个固定频率的时钟信号,输出是一个连续变化的相位信号。

相位累加器的输出相位信号通过一个幅度控制器以及一个正弦函数表查找器得到对应的幅度。

频率控制字是用于控制相位累加器的频率的参数。

频率控制字可以通过DSP或者FPGA实时计算得到,根据用户设置的频率以及系统时钟的频率,计算出相应的频率控制字发送给相位累加器。

频率控制字的改变会直接影响到相位累加器的输出,从而实现对信号频率的精确控制。

数模转换器负责将相位累加器的输出转换成模拟信号输出。

通常采用的是高速数字模拟转换器(DAC)来实现。

数模转换器将相位累加器的输出映射到一组固定幅度的数字代码,然后再通过滤波去除采样频率带来的混频等杂散分量,得到模拟输出信号。

在DDS信号发生器的实际应用中,还会加入一些附加功能来增强其输出信号的精度、稳定性等性能。

比如,引入自动幅度控制(AGC)功能,通过对输出信号进行反馈控制,保证输出信号的幅度在给定范围内稳定;引入相位调制(PM)或频率调制(FM)功能,实现对信号相位或频率的变化等。

总之,DDS信号发生器的工作原理是通过数字信号处理技术实现对信号频率的精确控制,从而实现高精度、高稳定性的信号发生。

它具有工作频率范围广、频率稳定度高、频率调节范围宽、信号质量好等优点,在通信、测量、仪器仪表等领域有着广泛的应用前景。

DDS信号发生器原理

DDS信号发生器原理

DDS信号发生器原理DDS(Direct Digital Synthesis,直接数字合成)信号发生器是一种基于数字技术的信号发生器,它将数字数据转换为模拟信号,并通过数字控制进行频率和相位调制。

下面将详细介绍DDS信号发生器的原理和工作过程。

1.DDS信号发生器的基本原理数字控制器:用于控制DDS信号发生器的各个参数,如频率、相位等。

相位累加器:累加器用于存储当前相位值,并在每个时钟周期更新相位值。

它根据设定的输入频率和时钟频率,累加相应的相位值。

频率累加器:累加器用于存储当前频率值,并在每个时钟周期更新频率值。

它根据设定的输入频率和时钟频率,累加相应的频率值。

数字到模拟转换器(DAC):将数字数据转换为模拟信号。

该模块接收相位累加器和频率累加器输出的数值,并输出相应的模拟信号。

低通滤波器(LPF):对DAC输出的模拟信号进行滤波,以去除高频噪音和杂散分量,得到平滑的模拟信号输出。

2.DDS信号发生器的工作过程当DDS信号发生器启动时,数字控制器初始化相位累加器和频率累加器的值。

然后,相位累加器开始累加相位值,频率累加器开始累加频率值。

在每个时钟周期内,相位累加器和频率累加器的值被读取,并传递给数字到模拟转换器进行转换。

DAC将相位累加器和频率累加器输出的数字值转换为模拟信号。

转换后的模拟信号经过低通滤波器滤波,去除高频噪音和杂散分量,得到平滑的模拟信号输出。

通过控制数字控制器的参数,可以调整信号的频率和相位。

当需要改变频率或相位时,数字控制器重新计算相位累加器和频率累加器的初值,以达到所需的调制效果。

3.DDS信号发生器的优点(1)频率和相位调制精度高:DDS信号发生器通过数字控制,可以实现对频率和相位的高精度调制,具有较小的频率和相位跳变。

(2)频率范围广:DDS信号发生器的频率范围通常可以达到几百兆赫兹,满足了大多数应用的需求。

(3)信号稳定性好:DDS信号发生器采用数字技术,减少了模拟电路的误差,信号稳定性较高。

dds工作原理

dds工作原理

dds工作原理
DDS全称为Direct Digital Synthesis(直接数字合成),是一
种用于产生频率可编程的模拟信号的技术。

其工作原理可以简单介绍如下:
1. 频率相乘器:DDS通过使用一个精确的参考时钟和一个可
编程的相乘器来产生所需频率的信号。

参考时钟的频率可以通过一个数字控制器来调节。

2. 数字控制器:DDS系统通过一个数字控制器来控制相乘器
的输出频率。

数字控制器是一个可以接受外部输入的控制器,并根据输入的指令对相乘器的工作进行编程。

它可以接受从CPU或用户界面发送的频率控制指令,并将其转换为相乘器
的控制信号。

3. 数字信号发生器:DDS系统通常包括一个数字信号发生器,用于产生一个高频的数字信号。

该数字信号发生器可以被具体的应用程序所控制,例如通过一个外部的CPU或计算机,它
可以产生不同频率、幅度和相位的数字信号。

4. 数字至模拟转换器:DDS系统中的数字信号通过一个数字
至模拟转换器(DAC)转换成模拟信号。

DAC将数字信号转
换为对应的模拟电压或电流输出。

5. 过滤器:由于DDS产生的数字信号是包含多个频率成分的,因此需要通过一个低通滤波器来去除不需要的高频噪声,以得到所需要的频率成分。

通过上述的工作原理,DDS系统可以根据用户的设定产生具有不同频率、幅度和相位的模拟信号。

它具有频率高、精度高和可调性强等优点,在许多应用领域中得到了广泛应用,如通信、测量仪器、声音合成等。

dds信号发生器原理

dds信号发生器原理

dds信号发生器原理DDS信号发生器原理DDS信号发生器,即直接数字频率合成技术(Direct Digital Synthesis),是一种用于产生高精度、高稳定度的周期性信号的设备。

它广泛应用于电子测试、通信、测量以及科学研究等领域。

本文将从原理的角度介绍DDS信号发生器的工作原理及其优势。

一、原理概述DDS信号发生器的原理基于数字频率合成技术,它通过数字方式产生信号,相比于传统的模拟方式,在频率和相位的精度、调制能力等方面具有更大的优势。

其基本原理如下:1. 频率控制器:DDS信号发生器内部有一个频率控制器,它用于确定输出信号的频率。

频率控制器通常由一个晶振或参考信号源提供参考频率,然后经过频率分频器、多路选择器等模块,最终生成所需的输出频率。

2. 数字信号发生器:DDS信号发生器内部还有一个数字信号发生器,它用于产生数字信号。

数字信号发生器通常由一个相位累加器和一个查表器组成。

相位累加器负责累加相位,查表器根据累加器的值查找对应的幅值,从而实现信号的产生。

3. 数模转换器:DDS信号发生器的输出通常是一个数字信号,为了将其转换为模拟信号,需要通过一个数模转换器。

数模转换器将数字信号转换为模拟信号,然后经过滤波器等模块进行进一步处理,最终得到所需的模拟输出信号。

二、工作原理DDS信号发生器的工作原理可以分为以下几个步骤:1. 设置频率:用户通过界面或命令设置所需的输出频率,这个频率会被输入到频率控制器中。

2. 相位累加:频率控制器接收到用户设置的频率后,将其转换为相位累加的速度。

相位累加器开始从初始相位开始逐渐累加,累加的速度由频率控制器控制。

3. 查表输出:相位累加器的输出值会作为查表器的输入,查表器根据输入值在查表表格中查找对应的幅值,并输出。

4. 数模转换:查表器的输出是一个数字信号,为了得到模拟输出信号,需要通过数模转换器进行转换。

数模转换器将数字信号转换为模拟信号,并经过滤波器等模块进行进一步处理。

直接数字式频率合成器(DDS)的基本原理

直接数字式频率合成器(DDS)的基本原理

直接数字式频率合成器(DDS)的基本原理雷达通信电⼦战相⽐于普通信号源,频率合成器通常频谱更纯、相位噪声更低、频率的切换更快,可分为直接式频率合成器、间接式频率合成器以及直接数字式频率合成器。

直接式频率合成器直接式频率合成器由混频器、倍频器和分频器等组成,对标准频率源进⾏加减乘除等必要的算术操作,再通过放⼤、滤波后分离选出需要的频率信号。

直接式频率合成器设计复杂、效率低下,输出的频率是离散调谐⽽不是连续调谐的,产⽣的虚假频率也可能很多。

它的频率选择速度取决于射频转换速度和在滤波器中的传播,⼀般为⼏⼗到⼏百纳秒级。

间接式频率合成器间接式频率合成器是利⽤锁相环(PLL)原理,⽤标准频率源来控制压控振荡器得到需要的频率。

它有模拟和数字之分,但是多采⽤数字式锁相环,从⽽实现特定场合的⾼性能频率源。

相⽐于直接式频率合成器,它的电路相对简单、体积⼩、重量轻、较省电等特定,但是其频率的切换速度较慢,达到⼏⼗微秒以上,并且环路还存在失锁的可能。

直接数字式频率合成器随着数字技术和MMIC技术的⾼速发展,直接数字式频率合成器(DDS)已⼴泛应⽤于信号产⽣器、电⼦战、数据数字传输等场合。

其关键部件包括:数模转换器、相位累加器、存储器等。

DDS的优点有:频率转换速度快、频率步长精确、相位连续、输出平衡⽆瞬变过程,同时它还具有结构简单、体积⼩、重量轻和成本低等优点。

基本原理DDS系统的核⼼是相位累加器,其内容会在每个时钟周期更新,存储在相位寄存器中的数字M就会累加⾄相位寄存器中,相位累加器的截断输出⽤作正弦(或余弦)查找表的地址,每个地址对应正弦波从0~360度的⼀个相位点,相位信息通过查找表映射⾄数字幅度字,进⽽驱动DAC。

对于n位的相位累加器,存在2的n次⽅个可能的相位点,如果时钟频率为fc,则输出正弦波的频率计算公式如上图中所⽰。

在实际DDS系统中,通常相位输出会被截断,这样可以⼤⼤减⼩查找表的⼤⼩,并且不会影响频率分辨率,但是会最终输出会增加相位噪声。

关于DDS的分析

关于DDS的分析

DDS 理论分析和实现方法(1) DDS 工作原理和理想DDS 的输出频谱DDS 工作原理如图1-2所示,用满足Nyquist 准则的一定频率对正弦信号(也可以是对任意周期信号)进行采样,控制采样周期t ∆之间的相位增量φ∆,每次累加到相位寄存器中,用得到的相位值来寻址ROM 查找表,实现相码和幅码的转换,得到输出波形的幅度值,经过D/A 转换为模拟信号,就得到了输出频率信号t ∆∆=/φω。

设相位累加器的位数为N ,频率控制字长为K ,那么得到的输出阶梯函数可以表示为采样序列和矩形序列的卷积)()()cos()(0t q nT t t t S n n c ⊗-=∑∞=-∞=δω 其中c N K ωω20=,c ω系统时钟频率,0ω 为输出波形的频率,c T 为采样序列周期。

矩形函数表示为)()()(c T t U t U t q --=,)(t U 是阶跃函数。

对)(t S 进行傅立叶变换,得到波形的频谱: ∑∑∞-∞=∞-∞=--+⋅⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+++--⋅⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=n c c c c c n c c c c c n n j n Sa n n j n Sa S )()(exp()()(exp()(000000ωωωδωωωωωωπωωωδωωωωωωπω式中x x x Sa sin )(=。

从上式可以看出,理想DDS 输出信号的谱线是以()Sa 函数为包络的离散谱线,谱线位于0ωω±c n 处,用截止频率位于2/c ω的低通滤波器滤除高阶谱部分,得到0ω的输出波形。

(2) 信号频率与频率控制字的关系设累加器按外接晶振频率信号c f ,把频率控制字K累加到相位累加器上,则此时相位累加器的值为c f *K;对于n 位地址的ROM 来说,在一个波形中有n 2个样点,信号输出的频率就应当为=o f c f ⨯K/n 2如果1=K ,每次累加结果的增量为1,则依次从数据ROM 中读取数据;如果2=K ,则每隔一个ROM 地址中读取一次数据;依次类推。

  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。

DDS的原理及镜像频谱分析
1.目的:
(1)了解DDS的原理。

(2)分析DDS的镜像频谱
2.DDS的原理
2.1.DDS的概述
直接数字式频率综合器DDS(Direct Digital Synthesizer),实际上是一种分频器:通过编程频率控制字对系统时钟进行分频以产生所需要的频率。

DDS 有两个突出的特点,一方面,DDS工作在数字域,一旦更新频率控制字,输出的频率就相应改变,其跳频速率高;另一方面,由于频率控制字的宽度宽(48bit或者更高),频率分辨率高。

图1是DDS的内部结构图,它主要分成3部分:相位累加器(PHASE_ACCMULATOR),相位幅度转换(AMPLITUDE/SINE_CONV.ALGORITHM),数模转换器(D/A_CONVERTER)
图1 DDS的结构框图
2.2.DDS的组成
1、相位累加器:一个正弦波,它的幅度不是线性的,但是它的相位却是线性增加的。

DDS就是
利用了这一特点来产生正弦信号。

如图 2,根据DDS的频率控制字的位数N,把
360°平均分成了2N等份。

假设系统时钟为Fc,输出频率为Fout。

每次转动一个
角度360°/2N,则可以产生一个频率为Fc/2N的正弦波的相位递增量。

那么只要
选择恰当的频率控制字M,使得Fout/Fc= M/2N,就可以得到所需要的输出频率
Fout=Fc*M /2N。

图2 相位累加器原理
2、相位幅度转换:通过相位累加器,我们已经得到了合成Fout频率所对应的相位信息,然后相
位幅度转换器把0°~360°的相位转换成相位相应的幅度值。

比如当DDS选
择为2Vp-p的输出时,45°对应的幅度值为 0.707V,这个数值则以二进制的
形式被送入DAC。

这个相位到幅度的转换是通过查表完成的。

3、数模转换器:的二进制数字信号被送入DAC中,并转换成为模拟信号输出。

★注意★DAC 的
位数并不影响输出频率的分辨率。

输出频率的分辨率是由频率控制字的位数决
定的。

3. DDS的镜像频谱分析:
我们已经知道DDS是一个分频器,在提供一个系统主频的情况下,能够输出低于系统主频,分辨率为2N的正弦波。

即每一个主频周期,DAC都会输出一个点,而2N/M个点形成输出频率的一个周期。

这就相当于以系统时钟的频率对输出时钟进行采样,根据奈奎斯特定律,这就是为什么输出频率要低于系统时钟的50%的原因。

下图3为DDS在300M主频,输出80M频率时的频谱。

图4为AD9954(主频为400M)输出80M 频率时的频谱(无参考时钟倍频器)。

图3 300M主频,80M输出DDS频谱
图4 AD9954,80M输出时的频谱
上图是理想情况下的DDS输出频谱,实际的DDS的输出还会有更多杂散,在图5可以看到,实际的频谱会有各种各样的杂散。

图5 4Bit和8Bit DAC输出频率杂散
输出杂散的来源主要来自以下六点:
1、参考时钟引入的噪声(REF_CLOCK_SPURS / NOISE)
参考时钟引入的噪声相对来说比较容易发现,它有三个特点:
第一:输入时钟的杂散会以同样的频偏出现在输出。

如图6输入的时钟400MHz,经过100KHz 的调制,不管DDS的调频码为多少,输出在频偏100KHz的位置上,都会有杂散。

图6 输入经过100KHz调制的400MHz时钟,DDS的输出频谱
第二:输入时钟的杂散在输出的相噪会随着调频码的变小而减小。

如图7,可以看到,参考时钟相同的情况下(300MHz),输出80MHz 和5MHz 时相噪不同,他们的差别是20 log
(80M/5M)= 24 dB(在较高频偏处,因为受到了噪底的影响,所以差别小于24dB)
图7 输出相噪和输出频率之间的关系
第三:输入时钟的杂散会被倍频功能而放大。

ADI的大多数DDS都集成了参考时钟倍频器,即锁相环,如果使用了PLL,参考时钟源中的任何噪声或者杂散都将在PLL 环路带宽内以
20 log(x)关系被放大。

x指PLL 的频率放大倍数。

如下图,当参考时钟倍频从5 x变
为20 x时,因参考引入的杂散也按照20 log(x)的关系被放大了。

2、相位截短杂散(PHASE_TRUNCATION_SPURS)
相位截短杂散也是可以计算出来的,可以从调频码,相位截断保留的位数和参考时钟频率,算出相位截短引入的杂散,下图是32位的相位累加器,舍弃了后18位,保留了前14位的示意图。

下图是上例的输出频谱图,输出频率旁边226KHz的杂散在预料之中,这个杂散的幅度也是可以被计算出来的,最坏情况为-6×N dB。

N为相位截短保留的位数,本例为14,所以可以看到,杂散的幅度大概为-6×14=-84dB。

3、相位幅度转换杂散(PHASE_TO_AMPLITUDE_SPURS)
下图是相位幅度转换的示意图,为了易于理解,这里使用的是3Bits的DAC和6Bits的相位累加器,图中的红色曲线,就是相位幅度转换引入的误差,也是引入杂散的原因。

相位幅度转换也是可以计算出来的,一般比DAC的输出量化噪声低10个dB,所以并不是杂散最主要的因素。

值得提出和注意的是,如果用DDS驱动一个锁相环(PLL),并且相位幅度转换杂散在锁相环的带内,那么这个杂散会被按比例放大,可能会成为输出时钟的一个重要的杂散来源。

4、DAC输出导致的杂散(DAC_HARMONIC_SPURS)
DAC非线性误差和非理想开关特性是造成最大杂散的原因,二者都会产生谐波失真。

大部分的谐波失真能量都集中在基频的低次谐波上,主要是2次和3次。

DAC通常是造成DDS输出中最大杂散的因素。

得到最大的SFDR的关键是,找到参考时钟频率和输出频率之间的最佳关系。

对于图我们使用的是100MHz的参考频率我们发现杂散很大,主要是输出频率的奇次谐波。

基频的奇次谐波混叠到第一奈奎斯特区内并且靠近基频。

请记住,DDS 输出的最大杂散是基频的低次谐波。

一旦它们超出了第一奈奎斯特区就会以可以预测的频率混叠回第一奈奎斯特区内。

从图中可以看到,这个DDS在4MHz带宽内的无杂散动态范围(SFDR)大概为-73 dBc,这个性能受到了较低的奇次谐波的限制
3nd谐波=100- 3×25.153M=24.541MHz
5nd谐波=5×25.153M-100M=25.765MHz
7nd谐波=2×100M-7×25.153M=23.929MHz
9nd谐波=9×25.153M-2×100M =26.377MHz
图参考频率100MHz,输出频率25.153MHz时的输出的杂散对于图,我们使用了400MHz的参考频率。

从图中可以发现,在第一奈奎斯特区内没有3次、5次和7次谐波的混叠频率,因为它们保留在第一奈奎斯特区内而且远离基频;9次、11次和13次谐波确实混叠回第一奈奎斯特区内,但在有用带宽4MHz之外;而且,返回的偶次谐波也在有用带宽之
外。

3nd谐波=3×25.153M=24.541MHz
5nd谐波=5×25.153M=125.765MHz
7nd谐波=7×25.153M=176.071MHz
9nd谐波=9×25.153M-200M=173.623MHz
11nd谐波=9×25.153M-200M=173.623MHz
图参考频率400MHz,输出频率25.153MHz时的输出的杂散
5、DDS内部数字信号引入的杂散(DIGITAL_SWITCHING SPURS)
DDS 内部的数字信号的高摆率能够产生瞬时噪声耦合到DAC的输出。

但是,这种噪声耦合是不能消除的,同样,来自外部噪声源的耦合也不能消除。

它们都会影响DDS输出的频谱,但是这些噪声通常可以通过改善PCB的布线来解决。

如下图,出现的杂散频率恰好与系统I/O的更新时钟相同,禁止了I/O的更新时钟时,这个杂散就会消失。

6.PCB 布线不当导致的杂散
不恰当的PCB布线也会导致输出相噪性能下降,比如说模拟地、数字地的分割;差分/单端的接入等等原因。

相关文档
最新文档