咨询应用工程师：关于直接数字合成的一切

Eva Murphy 和 Colm Slattery

        什么是直接数字合成？

直接数字频率合成 （DDS） 是一种通过生成数字形式的时变信号，然后执行数模转换来产生模拟波形（通常是正弦波）的方法。由于DDS设备内的操作主要是数字操作，因此它可以在输出频率、精细频率分辨率和宽频率范围内工作之间提供快速切换。随着设计和工艺技术的进步，当今的DDS设备非常紧凑，功耗低。

为什么要使用直接数字合成器（DDS）？难道没有其他方法可以轻松生成频率吗？

准确生成和控制各种频率和配置文件的波形的能力已成为许多行业共同的关键要求。无论是为通信提供具有良好杂散性能的低相位噪声可变频率的敏捷源，还是在工业或生物医学测试设备应用中简单地产生频率激励，便利性、紧凑性和低成本都是重要的设计考虑因素。

设计人员可以享受许多频率生成的可能性，从基于锁相环（PLL）的超高频合成技术，到数模转换器（DAC）输出的动态编程，以在较低频率下生成任意波形。但是，DDS技术在解决通信和工业应用中的频率（或波形）生成要求方面正在迅速获得认可，因为单芯片IC器件可以简单、高分辨率和高精度地生成可编程模拟输出波形。

此外，工艺技术和设计的不断改进导致了成本和功耗水平，这在以前是不可想象的低。例如，AD9833是一款基于DDS的可编程波形发生器（图1），工作电压为5.5 V，时钟频率为25 MHz，最大功耗为30 mwatt。

图1.AD9833—单芯片波形发生器。

使用 DDS 的主要好处是什么？

AD9833等DDS器件通过高速串行外设接口（SPI）进行编程，只需一个外部时钟即可产生简单的正弦波。DDS 设备现在可以生成从小于 1 Hz 到 400 MHz 的频率（基于 1 GHz 时钟）。DDS器件具有低功耗、低成本和单小型封装的优势，加上其固有的出色性能和对输出波形进行数字编程（和重新编程）的能力，使DDS器件成为极具吸引力的解决方案，比由分立元件聚合组成的不太灵活的解决方案更可取。

使用典型的 DDS 设备可以生成哪种输出？

DDS器件不限于纯正弦输出。图2显示了AD9833提供的方波、三角和正弦输出。

图2.DDS 的方波、三角形和正弦输出。

DDS 设备如何产生正弦波？

以下是DDS器件内部电路的细分：其主要组件是相位累加器、相位幅度转换装置（通常是正弦查找表）和DAC。这些块如图 3 所示。

图3.直接数字合成器的组件。

DDS在给定频率下产生正弦波。频率取决于两个变量，参考时钟频率和编程到频率寄存器（调谐字）中的二进制数。

频率寄存器中的二进制数为相位累加器提供主输入。如果使用正弦查找表，相位累加器将计算查找表的相位（角度）地址，该地址将幅度的数字值（对应于该相位角的正弦）输出到DAC。反过来，DAC将该数字转换为相应的模拟电压或电流值。为了产生固定频率的正弦波，每个时钟周期都会向相位累加器添加一个常量值（相位增量，由二进制数确定）。如果相位增量很大，相位累加器将快速步进正弦查找表，从而产生高频正弦波。如果相位增量很小，相位累加器将采取更多步骤，从而产生较慢的波形。

完整的DDS是什么意思？

将数模转换器和DDS集成到单个芯片上通常称为完整的DDS解决方案，这是ADI公司所有DDS器件的共同特性。

让我们再谈谈相位累加器。它是如何工作的？

连续时间正弦信号具有0至2π的重复角相位范围。数字化实施也不例外。计数器的进位功能允许相位累加器在DDS实现中充当相位轮。

要理解这一基本功能，请将正弦波振荡可视化为围绕相圆旋转的矢量（见图4）。相轮上的每个指定点对应于正弦波周期上的等效点。当矢量绕轮旋转时，可视化角度的正弦产生相应的输出正弦波。矢量以恒定速度绕相轮旋转一圈，产生输出正弦波的一个完整周期。相位累加器提供等间距的角度值，伴随着矢量围绕相位轮的线性旋转。相位累加器的内容对应于输出正弦波周期上的点。

图4.数字相位轮。

相位累加器实际上是一个模M计数器，每次接收到时钟脉冲时都会增加其存储的数量。增量的大小由二进制编码输入字 （M） 确定。这个词构成了参考时钟更新之间的相位步长;它有效地设置了在相位轮周围跳过的点数。跳跃尺寸越大，相位累加器溢出并完成相当于正弦波周期的速度就越快。轮中包含的离散相位点的数量由相位累加器的分辨率（n）决定，这决定了DDS的调谐分辨率。对于 n = 28 位相位累加器，M 值 0000...0001 将导致相位累加器在 2 后溢出28参考时钟周期（增量）。如果将M值更改为0111...1111，则相位累加器仅在2个参考时钟周期（奈奎斯特要求的最小值）后溢出。这种关系可以在 DDS 架构的基本调优公式中找到：

其中：

fOUT = DDS 的输出频率

M = 二进制调谐字

fC = 内部参考时钟频率（系统时钟）

n = 相位累加器的长度，以位为单位

M值的变化会导致输出频率的即时和相位连续变化。不会像锁相环那样产生环路建立时间。

随着输出频率的增加，每个周期的采样数减少。由于采样理论规定每个周期至少需要两个样本来重建输出波形，因此DDS的最大基波输出频率为fC/2.然而，对于实际应用，输出频率被限制在略低于该频率，从而提高了重建波形的质量并允许对输出进行滤波。

当产生恒定频率时，相位累加器的输出呈线性增加，因此它产生的模拟波形本质上是一个斜坡。

那么线性输出是如何转化为正弦波的呢？

相位幅度查找表用于将相位累加器的瞬时输出值（AD28为9833位）——截断消除了不需要的不太重要的位）转换为提供给（10位）数模转换器的正弦波幅度信息。DDS架构利用正弦波的对称特性，并利用映射逻辑从相位累加器的四分之一周期数据中合成完整的正弦波。相位幅度查找表通过向前读取然后通过查找表返回来生成剩余数据。如图 5 所示。

图5.信号流经 DDS 架构。

DDS的流行用途是什么？

目前使用基于DDS的波形生成的应用分为两大类： 需要具有出色相位噪声和低杂散性能的敏捷（即立即响应）频率源的通信系统设计人员通常选择DDS，因为它结合了频谱性能和频率调谐分辨率。此类应用包括使用 DDS 进行调制、作为 PLL 的参考以增强整体频率可调性、用作本振 （LO） 甚至用于直接 RF 传输。

或者，许多工业和生物医学应用使用DDS作为可编程波形发生器。由于DDS是数字可编程的，因此可以轻松调整波形的相位和频率，而无需更改使用传统模拟编程波形发生器时通常需要更改的外部组件。DDS允许实时简单调整频率，以定位谐振频率或补偿温度漂移。此类应用包括在可调频率源中使用DDS来测量阻抗（例如在基于阻抗的传感器中），生成用于微致动的脉冲波调制信号，或检查LAN或电话电缆中的衰减。

您认为DDS对实际设备和系统设计人员的主要优势是什么？

如今，具有成本竞争力、高性能、功能集成的DDS IC在通信系统和传感器应用中变得越来越普遍。使它们对设计工程师具有吸引力的优势包括：

数字控制微赫兹频率调谐和亚度相位调谐能力，

调谐输出频率（或相位）时跳频速度极快;相位连续跳频，无过冲/下冲或模拟相关环路建立时间异常，

DDS的数字架构消除了与模拟频率合成器解决方案中的组件老化和温度漂移相关的手动调谐和调整的需要，并且

DDS架构的数字控制接口有助于在处理器控制下以高分辨率远程控制和优化系统。

如何使用 DDS 设备进行 FSK 编码？

二进制频移键控（通常简称为 FSK）是最简单的数据编码形式之一。通过将连续载波的频率移动到两个离散频率之一（因此是二进制）来传输数据。一个频率，f1，（也许更高）被指定为标记频率（二进制一个），另一个，f0，作为空间频率（二进制零）。图6显示了标记空间数据和传输信号之间关系的示例。

图6.FSK 调制。

这种编码方案可以使用DDS轻松实现。将代表输出频率的DDS频率调谐字设置为适当的值以产生f0和 f1因为它们以要传输的 0 和 1 的模式出现。用户在传输之前将所需的两个调谐字编程到设备中。AD9834提供两个频率寄存器，便于FSK编码。器件上的专用引脚 （FSELECT） 接受调制信号并选择适当的调谐字（或频率寄存器）。图 7 中的框图演示了 FSK 编码的简单实现。

图7.基于 DDS 的 FSK 编码器。

那么 PSK 编码呢？

相移键控（PSK）是另一种简单的数据编码形式。在PSK中，载波的频率保持恒定，并且传输信号的相位变化以传达信息。

在完成PSK的方案中，最简单的二进制PSK（BPSK）仅使用两个信号相位：0度和180度。BPSK 对逻辑 0 输入编码 1° 相移，对逻辑 180 输入编码 0° 相移。每个位的状态根据前一个位的状态确定。如果波的相位没有改变，则信号状态保持不变（低或高）。如果波的相位反转（变化 180 度），则信号状态发生变化（从低到高，或从高到低）。

PSK 编码可通过 DDS IC 轻松实现。大多数器件都有一个单独的输入寄存器（相位寄存器），可以加载相位值。该值直接添加到载波的相位中，而不改变其频率。更改该寄存器的内容会调制载波的相位，从而产生PSK输出信号。对于需要高速调制的应用，AD9834允许使用专用切换输入引脚（PSELECT）选择预加载相位寄存器，该引脚在寄存器之间交替，并根据需要调制载波。

更复杂的PSK形式采用四波或八波相位。这允许二进制数据以比BPSK调制更快的每次相变速率传输。在四相调制（正交PSK或QPSK）中，可能的相位角为0、+90、–90和180度;每个相移可以代表两个信号元素。AD9830、AD9831、AD9832和AD9835提供四相寄存器，可通过不断更新寄存器的不同相位偏移来实现复杂的相位调制方案。

是否可以同步多个DDS设备以实现I-Q功能？

可以使用两个在同一个主时钟上运行的单个DDS器件来输出两个信号，然后可以直接控制其相位关系。在图8中，两个AD9834使用一个参考时钟进行编程，使用相同的复位引脚来更新两个器件。使用这种设置，可以进行I-Q调制。

图8.同步模式下的多个DDS IC。

必须在上电后和将任何数据传输到 DDS 之前置位复位。这会将 DDS 输出设置为已知相位，该相位用作允许同步多个 DDS 设备的通用参考点。当新数据同时发送到多个DDS单元时，可以保持相干相位关系，并且可以通过相位偏移寄存器预测它们的相对相位偏移。AD9833和AD9834具有12位相位分辨率，有效分辨率为0.1度。[有关同步多个DDS单元的更多详细信息，请参见应用笔记AN-605。]

基于 DDS 的系统的关键性能规格是什么？

相位噪声、抖动和无杂散动态范围 （SFDR）。

相位噪声是振荡器短期频率不稳定性的量度（dBc/Hz）。它被测量为在振荡器工作频率的两个或多个频率位移下的频率变化（使用1 Hz带宽，低于振荡器工作频率的幅度的分贝）引起的单边带噪声。这种测量在模拟通信行业具有特殊的应用。

DDS 器件是否具有良好的相位噪声？

采样系统中的噪声取决于许多因素。参考时钟抖动可视为DDS系统中基波信号的相位噪声;相位截断可能会在系统中引入错误级别，具体取决于所选的代码字。对于可以用截断的二进制编码字精确表示的比率，不存在截断错误。对于需要比可用位数更多的比率，由此产生的相位噪声截断误差会导致频谱图中出现杂散。它们的幅度和分布取决于所选的代码字。DAC也会增加系统中的噪声。DAC量化或线性误差将导致噪声和谐波。图9显示了典型DDS器件（在本例中为AD9834）的相位噪声图。

图9.AD9834的典型输出相位噪声图。输出频率为2 MHz，M时钟为50 MHz。

抖动呢？

抖动是数字信号边沿与其长期平均位置的动态位移，以均方根度为单位。一个完美的振荡器将有上升沿和下降沿发生在精确的规则时刻，并且永远不会改变。当然，这是不可能的，因为即使是最好的振荡器也是由具有噪声源和其他缺陷的真实组件构成的。高质量、低相位噪声晶体振荡器的抖动将小于35皮秒（ps）的周期抖动，累积在数百万个时钟边沿上

振荡器中的抖动是由热噪声、振荡器电子器件的不稳定性、通过电源轨、接地甚至输出连接的外部干扰引起的。其他影响包括外部磁场或电场，例如来自附近发射器的RF干扰，这可能会导致抖动，影响振荡器的输出。即使是简单的放大器、逆变器或缓冲器也会给信号带来抖动。

因此，DDS设备的输出会增加一定量的抖动。由于每个时钟都已经具有固有的抖动水平，因此选择具有低抖动的振荡器至关重要。降低高频时钟的频率是减少抖动的一种方法。使用频分时，在较长时间内发生相同数量的抖动，从而降低其系统时间的百分比。

一般来说，为了减少基本的抖动源并避免引入额外的源，应使用稳定的参考时钟，避免使用缓慢转换的信号和电路，并使用最高可行参考频率以允许增加过采样。

无杂散动态范围 （SFDR） 是指频谱中基波信号的最高电平与任何杂散信号（包括混叠和谐波相关频率分量）的最高电平之间的比率（以分贝为单位）。为了获得最佳的SFDR，必须从高质量的振荡器开始。

图 10.具有9834 MHz主时钟和（a）的AD50的输出f外 = 16.667兆赫（即MCLK/3）;（二）f外 = 4.8 兆赫。

SFDR是与其他通信信道和应用共享频谱的应用的重要规范。如果发射器的输出将杂散信号发送到其他频段，它们可能会损坏或中断相邻信号。

采用9834 MHz主时钟的AD10（50位DDS）的典型输出图如图10所示。在（a）中，输出频率正好是主时钟频率（MCLK）的1/3。由于明智地选择频率，25 MHz窗口中没有谐波频率，混叠最小化，杂散行为看起来非常好，所有杂散至少低于信号80 dB（SFDR = 80 dB）。（b）中的较低频率设置有更多的点来塑造波形（但对于真正干净的波形来说还不够），并提供更逼真的图像;在二次谐波频率处，最大的杂散比信号低约50 dB（SFDR = 50 dB）。

您是否有可以更轻松地编程和预测 DDS 性能的工具？

在线交互式设计工具是选择调谐字的助手，给定参考时钟和所需的输出频率和/或相位。选择所需的频率，并在施加外部重建滤波器后显示理想化的输出谐波。示例如图 11 所示。还提供了主要图像和谐波的表格数据。

图 11.交互式设计工具提供的屏幕演示。典型设备输出的 sinx/x 表示形式。

这些工具将如何帮助我对 DDS 进行编程？

所需要的只是所需的频率输出和系统的参考时钟频率。设计工具将输出对零件进行编程所需的完整编程序列。在图12的示例中，MCLK设置为25 MHz，所需输出频率设置为10 MHz。按下更新按钮后，用于对器件进行编程的完整编程序列将包含在初始化序列寄存器中。

图 12.编程序列的典型显示。

如何评估你们的 DDS 设备？

所有 DDS 器件均提供可供购买的评估板。它们配有专用软件，允许用户在收到电路板后的几分钟内轻松测试/评估器件。每个评估板随附的技术说明包含原理图信息，并显示推荐的最佳电路板设计和布局实践。

审核编辑：郭婷