DDS直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的研究

摘要：直接數(shù)字頻率合成，也可簡稱為DDS，其主要應(yīng)用于頻率合成領(lǐng)域，并起著核心作用。直接數(shù)字頻率合成技術(shù)自誕生以來，一直備受人們關(guān)注，它提高了信號頻率合成的精度與效率，而且讓頻率合成的方法變得簡單，并且易于實(shí)現(xiàn)。DDS的原理是利用特定的頻率來控制寄存器，通過數(shù)字方法累加相位，得到的數(shù)值再用正弦函數(shù)表查詢，從而得到離散的數(shù)字量的數(shù)據(jù)值，最后經(jīng)過DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出模擬正弦波。隨著近幾年頻率合成技術(shù)方面的快速進(jìn)步，DDS技術(shù)如今被廣泛應(yīng)用于通訊技術(shù)、無線導(dǎo)航、信號傳輸和電子雷達(dá)等等技術(shù)領(lǐng)域，而且其已經(jīng)成為一種不可或缺的頻率合成方面的技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：直接數(shù)字頻率合成技術(shù)、控制寄存器、數(shù)模轉(zhuǎn)換、模擬正弦波

中圖分類號：TN741

1?DDS技術(shù)的基本原理與組成結(jié)構(gòu)

近些年來，集成電路技術(shù)在電子工業(yè)革命的帶動(dòng)下發(fā)展迅速，從而也誕生了許許多多新的技術(shù)方法，這些新的技術(shù)為人們的生活提供了很多的便利。在20世紀(jì)60年代末70年代初期，DDS直接數(shù)字頻率合成是由美國科學(xué)家創(chuàng)造出的與以前的頻率產(chǎn)生方式截然不同的全數(shù)字頻率合成方式。在當(dāng)今二十一世紀(jì)以來，由于電子通信技術(shù)的飛快進(jìn)步，人們對DDS技術(shù)進(jìn)行了全面的改進(jìn)與創(chuàng)新，因而一種全新的頻率合成技術(shù)應(yīng)用而生，它與其他的傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)相比，有很多的突出優(yōu)點(diǎn)，即：頻率分辨率高、頻率轉(zhuǎn)化率快和相位連續(xù)性好等等，正是由于這些優(yōu)點(diǎn)，DDS技術(shù)才被廣泛應(yīng)用。

1.1 DDS的理論基礎(chǔ)

DDS技術(shù)的理論基礎(chǔ)是利用數(shù)模轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號量轉(zhuǎn)化成特定的模擬信號量，并利用相位累加器對轉(zhuǎn)換的模擬量進(jìn)行累加，通過正弦查詢表對照數(shù)據(jù)，合成目標(biāo)頻率信號的一種頻率合成方法。DDS頻率合成技術(shù)有兩種合成頻率的方式：一種是以正弦函數(shù)關(guān)系式為理論基礎(chǔ)，按照設(shè)定的間隔，利用與DDS連接的電腦進(jìn)行數(shù)字遞推關(guān)系計(jì)算， 并將電腦計(jì)算得到的的數(shù)據(jù)送入數(shù)模轉(zhuǎn)換器中， 合成后輸出滿足目標(biāo)要求的正弦波信號， 這種合成方式具有電路結(jié)構(gòu)非常簡單、整體成本低的特點(diǎn)，而且合成信號的頻率分辨力也比較好，滿足大多數(shù)情況下頻率合成的相關(guān)要求，但由于受計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的限制，合成的信號頻率比較低， 合成信號的頻率最高只能達(dá)到1kHz左右;另一種就是設(shè)計(jì)硬件電路，通過搭建好的硬件電路，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)頻率信號的輸出，在硬件電路中，把高速存儲(chǔ)器作為頻率信號的查尋表，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC生成相應(yīng)的正弦波信號，這種合成目標(biāo)信號的方式也是目前使用較多的合成方式，效果也是相當(dāng)好。

1.2?DDS的原理框圖、方程與模型介紹

（1）DDS的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

從以上的原理圖中可以看出，輸入信號、時(shí)鐘信號進(jìn)來以后，首先，將取出保存在ROM中的數(shù)字波形數(shù)據(jù)，利用DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器將取出的數(shù)字信號量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成對應(yīng)目標(biāo)信號的模擬信號量的圖形。其次，通過連接DDS的計(jì)算機(jī)控制改變尋址步長，就能控制輸出頻率，按照輸出信號的要求增大或者變小。最后，數(shù)字信號通過DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的模擬信號量后輸出，由于此模擬信號的波形圖呈階梯變化的，因而必須讓其進(jìn)入低通濾波器，濾除信號中的高頻成分后再將其輸出。

1. DDS的方程 ???????????

以上是頻率合成中DDS輸出信號的頻率理論決定式，其中每個(gè)字母代表的含義：f_out代表最終需要的輸出信號頻率，單位是Hz，f_c代表系統(tǒng)中采樣時(shí)鐘的頻率，單位也是Hz，N代表硬件電路中相位累加器的位寬，沒有單位，M代表頻率控制字的大小，也沒有單位，根據(jù)整個(gè)DDS系統(tǒng)中各個(gè)參數(shù)的具體數(shù)值，就可以計(jì)算出輸出頻率的理論值。

（3）DDS的模型圖如圖2所示。

上圖中是以正弦波為例的，信號從相位累加器中出來以后，輸入到正弦查詢表中的數(shù)字信號量的采樣點(diǎn)在坐標(biāo)軸上都有對應(yīng)的縱坐標(biāo)數(shù)據(jù)，根據(jù)相互之間的關(guān)系，可以將其映射到相應(yīng)的單位圓上，然后，利用DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字量的信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的目標(biāo)信號的模擬量信號并輸出。

2 DDS各部分的作用

DDS硬件電路系統(tǒng)總體可以分為兩大模塊，如圖3所示：內(nèi)部模塊和外圍模塊，內(nèi)部模塊包括：①相位累加器，②正弦查詢表，其中相位累加器是由N位加法器和N位累加寄存器一起級聯(lián)構(gòu)成;外圍模塊包括：①DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器），②LPF（低通濾波器）。

它們每個(gè)單元的作用以及工作原理如下：

相位控制字和頻率控制字：它們是由于DDS系統(tǒng)相連的計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制的，通改變程序中的特定的數(shù)值，從而改變相位累加器的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)而改變最終輸出的目標(biāo)信號的頻率。

相位累加器：一個(gè)相位地址唯一只對應(yīng)一個(gè)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，波形存儲(chǔ)器和幅值之間的轉(zhuǎn)換的尋址地址就是由相位累加器輸出的序列數(shù)據(jù)。

正弦查詢表：DDS系統(tǒng)中的時(shí)鐘把輸入的連續(xù)的正弦信號進(jìn)行采樣，然后將這些采樣點(diǎn)打包儲(chǔ)存到正弦查詢表中，通過對連接DDS的計(jì)算機(jī)內(nèi)部程序進(jìn)行操作，進(jìn)而改變查詢表，使輸出各種不同的滿足要求的目標(biāo)波形。

DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器：它的核心作用是將合成波形的數(shù)字量直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量。正弦信號量經(jīng) DAC?轉(zhuǎn)換器后變成了具有一定規(guī)律的階梯波，并且此階梯波的包絡(luò)仍然是正弦波。特別強(qiáng)調(diào)的是，頻率合成器要合成相應(yīng)的目標(biāo)波形，必須對DAC轉(zhuǎn)換器中的分辨率有比較高的要求。要讓輸出的波形的精度提高，DAC轉(zhuǎn)換器的分辨率就必須提高，從而合成的正弦波出現(xiàn)的臺階數(shù)就越多，信號精度自然提高。

LPF（低通濾波器）：輸出的模擬信號是通過相位累加器輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換而來，而且這個(gè)數(shù)字信號是通過DDS系統(tǒng)內(nèi)部的相位累加器采樣得到的，因而其內(nèi)部帶有部分的高頻成分，所以必須通過低通濾波器，濾除高頻信號，最終輸出需要的目標(biāo)信號。

DDS開始工作時(shí)，每當(dāng)信號源送來一個(gè)時(shí)鐘信號f_s時(shí)，加法器就會(huì)把累加寄存器輸出的數(shù)據(jù)與頻率控制字k相加，從而得到一個(gè)數(shù)值，再將這個(gè)數(shù)值送入到累加寄存器中。然后累加寄存器又將產(chǎn)生的新相位數(shù)據(jù)輸送給加法器，從而方便讓加法器繼續(xù)和計(jì)算機(jī)控制的頻率控制字k相加，實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作，輸出連續(xù)的波形。從以上分析可看出，當(dāng)有新的時(shí)鐘信號輸入時(shí)，相位累加器都要需要把新產(chǎn)生的頻率控制字和以前的再累加一次，從而得到最終合成信號的相位，而最終DDS輸出的信號頻率也就是相位累加器的溢出頻率。

3 DDS輸出的信號特性

DDS系統(tǒng)的時(shí)鐘信號是否能達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，直接關(guān)系到DDS系統(tǒng)輸出信號的頻率能否達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，而時(shí)鐘信號是DDS的相位分辨率決定的，DDS硬件系統(tǒng)中具有很好的相位分辨率，所以合成的目標(biāo)信號的性能相當(dāng)好。

直接數(shù)字頻率合成技術(shù)是一種由計(jì)算機(jī)上的特定數(shù)字控制的頻率合成方式，它的輸出頻率一般情況下都是基準(zhǔn)頻率的整數(shù)倍，通過DDS系統(tǒng)中的設(shè)定頻率選擇開關(guān)來改變分頻比，進(jìn)而來控制輸出目標(biāo)信號的頻率。DDS也是一種新型的頻率合成技術(shù)，它的產(chǎn)生可以說是頻率合成技術(shù)方面的一次革命。它采用數(shù)字化技術(shù)，通過相位累加器來控制相位的變化速度，從而直接產(chǎn)生各種不同頻率信號的一種頻率合成方法。DDS?在輸出信號的相對帶寬、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間、高分辨力、相位的連續(xù)性、正交輸出以及集成化等相當(dāng)多的性能指標(biāo)方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)所能達(dá)到的水平，整體性能也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的頻率合成方式，因而為整個(gè)系統(tǒng)提供了優(yōu)于模擬信號源的性能，表現(xiàn)出了很大的優(yōu)越性。

3.1 DDS的優(yōu)點(diǎn)

（1）硬件電路比較簡單，容易搭建，價(jià)格相對便宜，輸出頻率性能好。

（2）頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間相對較短，相位變化連續(xù)，輸出波形的靈活性較好。

（3）功耗相對較低，而且控制簡單。

（4）在計(jì)算機(jī)的控制下，可以產(chǎn)生一定范圍內(nèi)的任意波形。

3.2 DDS也有局限性

（1）輸出頻帶范圍有限。

（2）輸出雜散大。

綜上所述，DDS技術(shù)與其它頻率合成方法相比，它優(yōu)點(diǎn)特別突出，雖然存在一定的局限性，DDS存在固有的雜散和噪聲，而這些雜散和噪聲中除了以邊帶形式出現(xiàn)的雜散外，還有 DDS 中器件的非理想特性造成的噪聲，但這些都是通過試驗(yàn)改進(jìn)，可以進(jìn)一步提高和改善的，例如，加入鎖相環(huán)技術(shù)可以很大程度上減少噪聲，這樣，既能保留 DDS 的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)性能也能得到很大的提高。而且其合成的時(shí)鐘相位連續(xù)，可以調(diào)節(jié)，頻率的分辨率比較好，并且可以任意切換。此外，DDS還具有良好的可再調(diào)制性。最后，DDS輸出信號也非常穩(wěn)定，方便頻率的合成。

4 結(jié)語

DDS直接數(shù)字頻率合成技術(shù)，作為頻率合成方式中的重要一員，在整個(gè)頻率合成過程中有著相當(dāng)重要的作用，并且在如今的電子通信領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。在本文中，首先介紹了DDS系統(tǒng)的合成頻率的基本原理與內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并且分析了它的模型圖，了解了DDS頻率合成的過程，從而對DDS的概況有了具體的認(rèn)知，然后以原理圖和方程式為基礎(chǔ)，從理論上分析DDS直接數(shù)字頻率合成的工作方式與基本工作原理，從而全面了解DDS的頻率合成過程;接著，具體介紹每個(gè)部分的作用和特性，掌握了其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與功能;最后，對DDS輸出合成信號的特性進(jìn)行分析，包括DDS的優(yōu)勢和它的局限性，以及其在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該注意的關(guān)鍵步驟，從而更好的利用DDS合成所需要的信號。

作者簡介：李鵬（1990-）男，漢，陜西寶雞，碩士，陜西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向：數(shù)字頻率合成、電子線路設(shè)計(jì)、電子通信。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉光輝.并行DDS線性調(diào)頻頻率源的研制[D].電子科技大學(xué)碩士論文，2015年.

[2] 趙宏飛.4～8GHz寬帶DDS鎖相掃頻源的研制[D].電子科技大學(xué)碩士論文，2012年.

[3] 臧蕓妍.VHF頻段DDS頻率合成器的雜散抑制策略[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2006年.

[4] 趙偉，黃秀節(jié).基于DDS技術(shù)的隨機(jī)頻率信號發(fā)生器[J].電子測量技術(shù)，2010年.

[5]?方坤鵬.直接數(shù)字頻率合成器的頻譜分析[J].電信快報(bào)，2008年.

[6] 薛文.DDS任意波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].吉林大學(xué)碩士論文，2004年.