直接数字频率合成技术

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 m in
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
f0max
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。
– 通常将此视为第三代频率合成技术； – 它突破了前两种频率合成法的原理,从”相位”的概念
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
制波形的初始相位； – 还可以用DDS方法产生任意波形(AWG)。
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:
直接数字频率合成技术 (DDS)
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。
– 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
取样系统信号的频谱
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。 D/A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。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， 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。
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
To
Tc 2 N M
频率为
fout
M
fc 2N
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(fou•t2N) fc
0M2N1
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Байду номын сангаас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。
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，
DDS的信号质量分析
DDS信号源的性能指标： 1, 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，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：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： ⑴，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 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。 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，满量程时，对信号的信噪比影响可表 示为
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 领域的应用。
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
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
fout
fc 2N
若以M点为步长,产生的信号频率为
fout
M
fc 2N
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
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。 ⑶ 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 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。 ⑷ D/A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。 这些杂波分量的幅度较小。 ⑸，其他杂散分量，包括时钟泄漏，时钟相位噪声的影响等。
DDS
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D/A变换器的限制。利用正弦信号的 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。
DDS具有超宽的相对宽带，超高的捷变速率，超细 的分辨率以及相位的连续性，可编程全数字化，以及可 方便实现各种调制等优越性能。
(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