數字頻率合成精解：用DDS器件產生高質量波形

　　摘要

　　直接數字頻率合成（DDS）技術用于產生和調節高質量波形，廣泛用于醫學、工業、儀器儀表、通信、國防等眾多領域。本文將簡要介紹該技術，說明其優勢和不足，考察一些應用示例，同時介紹一些有助于該技術推廣的新產品。

　　簡介

　　許多行業中一個關鍵的需求是精確產生、輕松操作并快速更改不同頻率、不同類型的波形。無論是寬帶收發器要求具有低相位噪聲和出色的無雜散動態性能的捷變頻率源，還是工業測量和控制系統需要穩定的頻率激勵，快速、輕松、經濟地產生可調波形并同時維持相位連續性的能力都是至關重要的一項設計標準，而這正是直接數字頻率合成技術的優勢所在。

　　頻率合成的任務

　　不斷增多的頻譜擁堵，加上對功耗更低、質量更高的測量設備的永無止境的需求，這些因素都要求使用新的頻率范圍，要求更好地利用現有頻率范圍。結果，人們尋求對頻率產生進行更好的控制，多數情況下，均是借助于頻率合成器。 這些器件利用一個給定頻率， fC，來產生一個相關的目標頻率（和相位）， fOUT. 其一般關系可以簡單地表示為：

　　fOUT = εx× fC

　　其中，比例因子εx， 有時也被稱為歸一化頻率。

　　該等式通常利用實數逐步逼近的算法實現。當比例因子為有理數時，兩個相對質數（輸出頻率和基準頻率）之比將諧波相關。但在多數情況下， εx 可能屬于更廣泛的實數集，逼近過程一旦處于可接受的范圍之內即會被截斷

　　直接數字頻率合成

　　頻率合成器的一種實用型實現方式是直接數字頻率合成 （DDFS）， 通常簡稱為 直接數字合成 （DDS）。 這種技術利用數字數據處理來產生一個頻率和相位可調的輸出，該輸出與一個固定的頻率參考或時鐘源fC.相關。在DDS架構中，參考或系統時鐘頻率由一個比例因子分頻來產生所需頻率，該比例因子由二進制調諧字可編程控制。

　　簡言之，直接數字頻率合成器將一串時鐘脈沖轉換成一個模擬波形，通常為一個正弦波、三角波或方波。如圖1所示，其主要部分為：相位累加器（產生輸出波形相位角度的數據）， 相數轉換器，（將上述相位數據轉換為瞬時輸出幅度數據），以及數模轉換器（DAC）（將該幅度數據轉換成采樣模擬數據點）

　　圖1.DDS系統的功能框圖。

　　對于正弦波輸出，相數轉換器通常為一個正弦查找表（圖2）。相位累加器以N為單位計數，并根據以下等式產生一個相對于fC的頻率：

　　其中：

　　M為調諧字的分辨率（24至48位）

　　N為對應于相位累加器輸出字最小增量相位變化的fC的脈沖數。

　　圖2.典型的DDS架構和信號路徑（帶DAC）。

　　由于更改N會立即改變輸出相位和頻率，因此，系統自身具有相位連續，特點，這是許多應用的關鍵屬性之一。無需環路建立時間，這與模擬系統不同，如鎖相環 （PLL）。

　　DAC通常為一個高性能電路，專門針對DDS內核（相位累加器和相幅轉換器）而設計。多數情況下，結果形成的器件（通常為單芯片）一般稱為純DDS或C-DDS。

　　實際的DDS器件一般集成多個寄存器，以實現不同的頻率和相位調制方案。如相位寄存器，其存儲的相位內容被加在相位累加器的輸出相位上。這樣，可以對應于一個相位調諧字延遲輸出正弦波的相位。對于通信系統相位調制應用，這非常有用。加法器電路的分辨率決定著相位調諧字的位數，因此，也決定著延遲的分辨率。

　　在單個器件上集成一個DDS引擎和一個DAC既有優點也有缺點，但是，無論集成與否，都需要一個DAC來產生純度超高的高品質模擬信號。DAC將數字正弦輸出轉換為一個模擬正弦波，可能是單端，也可能是差分。一些關鍵要求是低相位噪聲、優秀的寬帶（WB）和窄帶（NB）無雜散動態范圍 （SFDR）以及低功耗。如果是外部器件，則DAC必須足夠快以處理信號，因此，內置并行端口的器件非常常見。