直接數(shù)字合成（DDS）是一種用于生成任意頻率波形的技術(shù)，其輸出可以輕松地轉(zhuǎn)換或調(diào)諧到另一個(gè)頻率或相位，而不會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)，相移或其他偽影。它用于無線系統(tǒng)中的調(diào)諧和頻率控制，無線系統(tǒng)必須掃描各種頻率，或支持無線通信系統(tǒng)，頻率捷變雷達(dá)和時(shí)域反射計(jì)（TDR）等應(yīng)用中的許多離散信道。 DDS是其他合成技術(shù)（如鎖相環(huán)（PLL）和FPGA + DAC）的有吸引力的替代方案，因?yàn)樗谠S多應(yīng)用中具有更小的占位面積，更低的功耗和更低的成本，可提供卓越的性能。

DDS的原理

DDS是一種生成不使用任何傳統(tǒng)“振蕩器”方法的波形的技術(shù)。相反，它使用數(shù)字存儲(chǔ)器和緩沖器與數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器輸出級(jí)結(jié)合，合成或創(chuàng)建波形的幅度與時(shí)間點(diǎn)。此外，DDS輸出不必是正弦波;它可以是三角形，正方形或任何其他波形。請(qǐng)注意，盡管我們將其視為頻率合成器，但DDS的許多概念都以“相位”為中心。這不是問題，因?yàn)橄辔缓皖l率密切相關(guān);頻率是相位的時(shí)間變化率（微分），相反，相位是頻率的時(shí)間積分。

DDS系統(tǒng)中有三個(gè)主要功能模塊（圖1），一個(gè)累加器（由相位寄存器和求和點(diǎn)組成），一個(gè)相位數(shù)字轉(zhuǎn)換器（一個(gè)存儲(chǔ)器模塊也稱為相位到幅度）轉(zhuǎn)換器）和數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器（D/A轉(zhuǎn)換器）。它需要一個(gè)參考頻率輸入（通常來自精密或晶體時(shí)鐘），該參考頻率輸入由縮放因子分頻，縮放因子本身由二進(jìn)制調(diào)諧字建立，并且是累加器的輸入。

圖1：DDS使用由調(diào)諧字控制的累加器來從系統(tǒng)時(shí)鐘開發(fā)子速率時(shí)鐘;然后，該衍生時(shí)鐘逐步通過相位 - 幅度/數(shù)字轉(zhuǎn)換器存儲(chǔ)器，其輸出驅(qū)動(dòng)D/A轉(zhuǎn)換器。

相位累加器產(chǎn)生與所需輸出波形的相位角相對(duì)應(yīng)的數(shù)字，而相位 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生在該特定相位角處發(fā)生的輸出幅度的瞬時(shí)數(shù)字分?jǐn)?shù)。最后，D/A轉(zhuǎn)換器根據(jù)相角數(shù)據(jù)的值提供模擬輸出（圖2）。對(duì)于正弦波輸出，相位 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器只是正弦波值的查找表，但其他表格可用于其他波形。

圖2：DDS每個(gè)階段的數(shù)字和模擬波形顯示了它如何與大多數(shù)數(shù)字電路合成輸出模擬波形。

您可以將DDS操作視為遞增計(jì)數(shù)器，逐步通過相位 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器的查找表中的條目。要更改頻率，只需更改計(jì)數(shù)器增量的速率。考慮到DDS的核心是固定頻率參考時(shí)鐘fc，你怎么能這樣做？您可以使用固定頻率時(shí)鐘和數(shù)字控制振蕩器（NCO）來實(shí)現(xiàn)此目的。相位累加器按N計(jì)算，通過簡(jiǎn)單的公式產(chǎn)生與fc相關(guān)的頻率Fout：

其中M是調(diào)諧字的分辨率（24到48位，取決于DDS設(shè)計(jì)） ），N是fc的脈沖數(shù)，匹配相位累加器輸出字的最小增量相位變化。因此，調(diào)諧字將輸出頻率定義為參考時(shí)鐘頻率的一部分。

要改變相位或頻率，調(diào)諧字會(huì)發(fā)生變化，輸出會(huì)直接轉(zhuǎn)換到新的頻率/相位，而不會(huì)出現(xiàn)任何凸起，不連續(xù)或其他不希望的失真。因此，無論是在手機(jī)還是軍用雷達(dá)干擾器中，DDS都非常適合快速，靈活的跳頻。

雖然這是一種數(shù)字技術(shù)，但D/A轉(zhuǎn)換器的性能是輸出純度和整體性能的主要因素。它可能是與全數(shù)字元件分離的IC，也可能是單個(gè)更大的IC，具體取決于所需的性能，供應(yīng)商的設(shè)計(jì)和工藝能力，成本和測(cè)試問題。幾乎所有DDS應(yīng)用都需要高分辨率，高速，高性能的D/A轉(zhuǎn)換器。

性能參數(shù)

由于D/A轉(zhuǎn)換器是關(guān)鍵，其規(guī)格通常會(huì)限制DDS性能。幸運(yùn)的是，有許多獨(dú)立的D/A轉(zhuǎn)換器或單芯片DDS + D/A轉(zhuǎn)換器組件具有非常好的性能，因此該技術(shù)非常有用。

D/A轉(zhuǎn)換器輸出是一系列不同的振幅點(diǎn)，而不是平滑的正弦波（或其他波形）。對(duì)于最常見的情況，即正弦波，D/A轉(zhuǎn)換器輸出是一串具有正弦時(shí)間包絡(luò)的脈沖。在頻域中，這對(duì)應(yīng)于基頻和其別名（圖像），具有通常的sin x/x包絡(luò)（圖3）。

低通濾波器用于衰減這些圖像并提高基波（基帶）正弦輸出的純度。由于第一幅圖像的幅度僅比基波幅度低3 dB，因此該濾波器的設(shè)計(jì)及其抑制圖像的方式至關(guān)重要。遵循奈奎斯特采樣標(biāo)準(zhǔn)，最大輸出頻率是D/A轉(zhuǎn)換器輸出更新速率的一半。

圖3：D/A轉(zhuǎn)換器的輸出具有通常的sin x/x滾降，此處顯示300 MHz時(shí)鐘和80 MHz正弦波輸出。

關(guān)鍵DDS規(guī)范包括：

無雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）是基波信號(hào)與輸出中最強(qiáng)雜散信號(hào)的強(qiáng)度比。它是DAC輸出端的最大信號(hào)分量，載波或基波的RMS值與下一個(gè)最大雜散輸出（雜散）分量的RMS值之比;它通常以dBc（相對(duì)于載波的dB）來測(cè)量，通常具有60到100 dBc之間的值。

相位噪聲和抖動(dòng)（各種源）在很多方面對(duì)同一誤差源有兩種觀點(diǎn)，在頻域（相位）或時(shí)域（抖動(dòng)）。源包括參考時(shí)鐘中的抖動(dòng)，該抖動(dòng)位于實(shí)際DDS電路之外但仍會(huì)影響最終性能。

D/A轉(zhuǎn)換器本身的性能。與其他DDS元素?zé)o關(guān)，存在線性度，量化誤差和其他眾所周知的轉(zhuǎn)換器誤差動(dòng)態(tài)源的習(xí)慣問題。

雖然不直觀明顯，但相位寄存器輸出的任何截?cái)喽伎梢詫?dǎo)致代碼相關(guān)的錯(cuò)誤。雖然二進(jìn)制編碼的字不會(huì)導(dǎo)致這種截?cái)嗾`差，但非二進(jìn)制編碼字和隨后的相位噪聲截?cái)嗾`差將在頻譜中產(chǎn)生雜散。

帶寬影響DDS輸出可以轉(zhuǎn)換的速率新的頻率沒有失真。

可用的DDS組件和套件

供應(yīng)商提供可用于構(gòu)建DDS功能的組件，以及單IC解決方案。此外，它們還提供評(píng)估套件，簡(jiǎn)化測(cè)試和評(píng)估，同時(shí)消除與布局和PC板設(shè)計(jì)相關(guān)的問題。

Intersil的ISL5314是一個(gè)完整的DDS功能，采用48引腳封裝（圖4）。它包括一個(gè)14位D/A轉(zhuǎn)換器，可提供125 Msamples/s的樣本更新速率。 16位NCO（DAC向下舍入為14位）由48位中心頻率字，48位偏移頻率字和40位串行加載調(diào)諧字的總和控制。對(duì)于快速調(diào)諧，NCO通過并行接口加載，而串行接口用于整體IC控制，以減少引腳數(shù)和封裝尺寸。

圖4：Intersil的ISL5314包括一個(gè)14位D/A轉(zhuǎn)換器，用于輸出，采樣更新速率為125 Msamples/s;它由48位中心頻率字，48位偏移頻率字和40位串行調(diào)諧字的總和控制。

ADI公司的AD9952還包括一個(gè)14位D/A轉(zhuǎn)換器，但對(duì)于高達(dá)200 MHz的正弦波，最高可以達(dá)到400 Msamples/s（圖5）。相位噪聲在1 kHz時(shí)優(yōu)于?120dBc/Hz，SFDR至少為80 dB。低功耗1.8 V IC（用于數(shù)字接口兼容性的5 V I/O）使用串行格式進(jìn)行整體控制，并加載32位調(diào)諧字，以最大限度地減小封裝尺寸。

圖5：ADI公司的AD9952可以在高達(dá)200 MHz的正弦波下以高達(dá)400 MSsamples/s的速率進(jìn)行更新;相位噪聲低于?120dBc/Hz，而SFDR》 80 dB。

為了獲得完整的性能評(píng)估，ADI公司的AD9958/PCB支持AD9958，這是一款雙通道，500 Msample/s，10位DDS IC。電路板（圖6）包括用于控制和測(cè)量AD9958的PC評(píng)估軟件，用于連接到用于設(shè)置和評(píng)估的PC的USB接口，以及具有用于電路板控制和數(shù)據(jù)的頻率掃描功能的圖形用戶界面（GUI）軟件分析。

圖6：AD9958 DDS IC的AD9958/PCB評(píng)估板包括用戶的所有相關(guān)電路，電源連接，USB接口，設(shè)置/測(cè)試/評(píng)估軟件和GUI。