DDS简介

直接数字频率合成（Digital Direct Frequency Synthesis ，DDS）技术是DDS简介

一种新的频率合成技术。它将先进的数字处理理论和方法引入信号合成领域。随着电子工程领域的实际需要以及数字集成电路和微电子技术的发展，DDS技术日益显露出它的优势。利用DDS的办法可以产生点频、线性调频，FSK等各种形式信号，其幅度和相位一致性都很好，并且电路控制简单、方便灵活、可靠性高等优点。

DDS的工作原理是以数控振荡器的方式产生频率、相位可控制的正弦波。电路一般包括基准时钟、频率累加器、相位累加器、幅度/相位转换电路、D/A转换器和低通滤波器（LPF）。频率累加器对输入信号进行累加运算，产生频率控制数据X（frequency data或相位步进量）。相位累加器由N位全加器和N位累加寄存器级联而成，对代表频率的2进制码进行累加运算，是典型的反馈电路，产生累加结果Y。幅度/相位转换电路实质上是一个波形寄存器，以供查表使用。读出的数据送入D/A转换器和低通滤波器。下图所示是一个基于的DDS电路的工作原理框图：

累波步N 位全加器加寄存器形存储器D/A转换器基准时钟clkf地址值相位进量Y(频率数据)XLPFout'fdata地址计算单元相位累加器DDS电路的基本工作原理框图

工作过程如下：每来一个时钟脉冲Fclk，N位加法器将频率控制数据X与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果Y送至累加寄存器的输入端。累加寄存器一方面将在上一时钟周期作用后所产生的新的相位数据反馈到加法器的输入端，以使加法器在下一时钟的作用下继续与频率控制数据X相加；另一方面将这个值作为取样地址值送入幅度/相位转换电路，幅度/相位转换电路根据这个地址输出相应的波形数据。最后经D/A转换器和低通滤波器将波形数据转换成所需要的模拟波形。相位累加器在基准时钟的作用下，进行线性相位累加，当相位累加器加满量时就会产生一次溢出，这样就完成了一个周期，这个周期也就是DDS信号的频率周期。

3.2 指标分析

设相位累加器的位数为N，频率控制字内的相位增量为K，参考时钟频率为clkf，则：

DDS系统输出信号的频率outf为： NclkoutKff2

输出信号的频率分辨率f为： Nclkff2

信号波形的数据表包含以相位为地址的一个周期待产生信号数字幅度信息,每个地址对应于待产生信号中0°~360°范围内的一个相位点。数据表中的数字幅度信息量受DAC分辨率的限制，一般都低于相位累加器的位数，所以取相位累加器的高位输出做数据表的地址输入。

DDS是一种全数字化的频率合成器，由相位累加器、波形ROM、D/A转换器和低通滤波器构成。时钟频率给定后，输出信号的频率取决于频率控制字，频率分辨率取决于累加器位数，相位分辨率取决于ROM的地址线位数，幅度量化噪声取决于ROM的数据位字长和D/A转换器位数。

DDS有如下优点：⑴ 频率分辨率高，输出频点多，可达 个频点(N为相位累加器位数)；⑵频率切换速度快，可达us量级；⑶ 频率切换时相位连续；⑷ 可以输出宽带正交信号；⑸ 输出相位噪声低，对参考频率源的相位噪声有改善作用；⑹可以产生任意波形；⑺ 全数字化实现，便于集成，体积小，重量轻，因此八十年代以来各国都在研制和发展各自的DDS产品，如美国QUALCOMM公司的Q2334，Q2220；STANFORD公司的STEL-1175，STEL-1180；AD公司的AD7008，AD9850，AD9854等。这些DDS芯片的时钟频率从几十兆赫兹到几百兆赫兹不等，芯片从一般功能到集成有D/A转换器和正交调制器。

DDS问世之初，构成DDS元器件的速度的限制和数字化引起的噪声，这两个主要缺点阻碍了DDS的发展与实际应用。近几年超高速数字电路的发展以及对DDS的深入研究，DDS的最高工作频率以及噪声性能已接近并达到锁相频率合成器相当的水平。随着这种频率合成技术的发展，其已广泛应用于通讯、导航、雷达、遥控遥测、电子对抗以及现代化的仪器仪表工业等领域。

1.实时模拟仿真的高精密信号

在DDS的波形存储器中存入正弦波形及方波、三角波、锯齿波等大量非正弦波形数据，然后通过手控或用计算机编程对这些数据进行控制，就可以任意改变输出信号的波形。利用DDS具有的快速频率转换、连续相位变换、精确的细调步进的特点，将其与简单电路相结合就构成精确模拟仿真各种信号的的最佳方式和手段。这是其它频率合成方法不能与之相比的。例如它可以模拟各种各样的神经脉冲之类的波形，重现由数字存储示波器（DSO）捕获的波形。

2.实现各种复杂方式的信号调制

DDS也是一种理想的调制器，因为合成信号的三个参量：频率、相位和幅度均可由数字信号精确控制，因此DDS可以通过预置相位累加器的初始值来精确地控制合成信号的相位，从而达到调制的目的。

现代通信技术中调制方式越来越多，BPSK，QPSK，MSK都需要对载波进行精确的相位控制。而DDS的合成信号的相位精度由相位累加器的位数决定。一个32位的相位累加器可产生43亿个离散的相位电平，而相位精度可控制在8×10－3度的范围内，因此，在转换频率时，只要通过预置相位累加器的初始值，即可精确地控制合成信号的相位，很容易实现各种数字调制方式。

3.实现频率精调，作为理想的频率源

DDS能有效地实现频率精调，它可以在许多锁相环（PLL）设计中代替多重环路。在一个PLL中保持适当的分频比关系，可以将DDS的高频率分辨率及快速转换时间特性与锁相环路的输出频率高、寄生噪声和杂波低的特点有机地结合起来，从而实现更为理想的DDS＋PLL混合式频率合成技术。

在频率粗调时用PLL来覆盖所需工作频段，选择适当的分频比可获得较高的相位噪声，而DDS被用来覆盖那些粗调增量，在其内实现频率精调。这种方案以其优越的相位稳定性和极低的颤噪效应满足了各种系统对频率源苛刻的技术要求。这也是目前开发应用DDS技术最广泛的一种方法。采用这种方案组成的频率合成器已在很高的频率上得以实现。

当然，DDS的应用不仅限于这些，它还可用于核磁谐振频谱学及其成像、检测仪表等。随着DDS集成电路器件速度的飞速发展，它已成为一种可用于满足系统频率要求的重要而灵活的设计手段。

在频率合成（FS, Frequency Synthesis）领域中，常用的频率合成技术有模拟锁相环、数字锁相环、小数分频锁相环（fractional-N PLL Synthesis）等，直接数字合成(Direct Digital Synthesis－DDS)是近年来新的FS技术。单片集成的DDS产品是一种可代替锁相环的快速频率合成器件。DDS是产生高精度、快速变换频率、输出波形失真小的优先选用技术。DDS以稳定度高的参考时钟为参考源，通过精密的相位累加器和数字信号处理，通过高速D/A变换器产生所需的数字波形（通常是正弦波形），这个数字波经过一个模拟滤波器后，得到最终的模拟信号波形。如图１所示，通过高速DAC产生数字正弦数字波形，通过带通滤波器后得到一个对应的模拟正弦波信号，最后该模拟正弦波与一门限（例如０）进行比较得到方波时钟信号。 K8]c

DDS系统一个显著的特点就是在数字处理器的控制下能够精确而快速地处理频率和相位。除此之外，DDS的固有特性还包括：相当好的频率和相位分辨率（频率的可控范围达μHz级，相位控制小于0.09°）,能够进行快速的信号变换（输出DAC的转换速率300百万次/秒）。这些特性使DDS在军事雷达和通信系统中应用日益广泛。azm

其实，以前DDS价格昂贵、功耗大（以前的功耗达Watt级）、DAC器件转换速率不高，应用受到限制，因此只用于高端设备和军事上。随着数字技术和半导体工业的发展，DDS芯片能集成包括高速DAC器件在内的部件，其功耗降低到mW级（AD9850在3.3v时功耗为155mW），功能增加了，价格便宜。因此，DDS也获得广泛的应用：现代电子器件、通信技术、医学成像、无线、PCS/PCN系统、雷达、卫星通信。~[WMs

工作原理nZ8yc

下面以AD9850为例来谈一谈DDS的工作原理。DDS系统的核心是相位累加器，每来一个时钟脉冲，它的内容就更新一次。在每次更新时，相位增量寄存器的相位增量M就加到相位累加器中的相位累加值上。假设相位增量寄存器的M为00...01，相位累加器的初值为00...00。这时在每个时钟周期，相位累加器都要加上00...01。如果累加器位宽n是32位，相位累加器就需要232个时钟周期才能恢复初值。_}W?

相位累加器的输出作为正弦查找表的查找地址。查找表中的每个地址代表一个周期的正弦波的一个相位点，每个相位点对应一个量化振幅值。因此，这个查找表相当于一个相位／振幅变换器，它将相位累加器的相位信息映射成数字振幅信息，这个数字振幅值就作为D/A变换器的输入。5BD3

例如n=32, M=1, 这个相应的输出正弦波频率等于时钟频率除以232。如果M=2，输出频率就增加１倍。对于一个n-bit的相位累加器来说，就有2n个可能的相位点，相位增量寄存器中控制字M就是在每个时钟周期被加到相位累加器上的值。假设时钟频率为fc，那么输出正弦波的频率就为：2$

f0 = M*fc / 2n.H

这就是DDS的“tuning equation”。这个系统的分辨率达fc / 2n ，如果n =

32 ，分辨率比40亿分之一还要好，在一个实际应用的DDS系统里，相位累加器的所有输出位并没有全部送到查找表，一般只取高K位（AD9850就只取高13到15位），于是既减少了查找表的规模，又不影响系统的频率分辨率。这个相位输出给最后的输出只带来小到可以接受的相位噪声。相位噪声基本上来源于参考时钟。v}k!d

在DDS系统中，最重要的是对带宽和频率纯度之间的折中。如果时钟频率降低，则Nyquist频率下降，带宽减小，同时D/A变换器的分辨率提高，这样就可以得到更高的频率纯度。所以，对DDS输出频率分频就可以减小带宽并且提高频谱纯度。模拟信号频谱纯度主要取决于D/A变换器的性能。ci&ZKe

上述基本DDS系统是相当灵活的。而且拥有高分辨率。它可以通过相位累加器来 同时相位连续地改变频率。然而，实际DDS系统首先要在相位累加器之前加入一个内部缓冲寄存器（即图中的Data and control input register），通常这个缓存串行输入相位累积值，按顺序字节输入（Byte-load）相位控制字。由于相位增量寄存器和相位累加器是并行输入，加了缓存相当于串并转换，可以减少封装的管脚数。控制字载入缓存与相位增量寄存器以及相位累加器的并行输出是同步的，因此不影响DDS的速率。 IO

DDS比模拟PLL优越的特点No

输出分辨率小：只要相位累加器的位宽足够大，参考时钟频率足够小，则分辨率可以很小：AD9850（参考时钟频率fc=125MHz）的相位累加器为32位，分辨率0.03Hz；AD9830(参考时钟频率fc=50MHz)的相位累加器为32位，分辨率0.012Hz； AD9852（参考时钟频率fc=300MHz）的相位累加器为48位，分辨率1*10-6Hz。相反，模拟锁相环的合成器的分辨率为1KHz，它缺乏数字信号处理的固有特性。-3j