DDS是一种从相位概念出发，直接合成所需波形的全数字频率合成技术，与传统的频率合成方法（如锁相环PLL）相比，DDS具有频率切换速度快、频率分辨率高、相位连续、相位噪声低、输出波形灵活等显著优点，因此在现代电子系统，尤其是通信、雷达、仪器仪表和测试测量领域得到了广泛应用。
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DDS技术的核心思想
DDS的核心思想是：利用采样定理，在时域上通过对一个周期的正弦信号进行采样、量化，形成一张幅度-时间查找表，然后通过改变采样（或读取）这张查找表的速度，来生成不同频率的波形。
可以把它想象成一个唱片机（DDS）和一张唱片（波形查找表）：
- 唱片：存储了一个完整周期的正弦波信号（数字形式）。
- 唱针：从唱片的起点开始,以恒定的速度读取信号。
- 转速控制：这是DDS的关键，通过改变唱机的转速（即读取速度），唱针在单位时间内扫过的唱片弧长就不同,从而输出的信号频率也不同。
DDS系统的基本组成框图
一个典型的DDS系统主要由以下几个部分组成：
下面我们逐一解释每个模块的功能：
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相累加器
这是DDS系统的核心,它决定了输出信号的频率和相位。
- 功能：它是一个N位的加法器和一个N位的寄存器组成的累加器。
- 工作原理：
- 在每个时钟周期
fc的驱动下，频率控制字K会与寄存器当前的值相加,结果再存回寄存器。 - 这样，累加器的输出值在每个时钟周期都会增加
K。 - 累加器的输出是一个线性递增的数字斜坡信号。
- 在每个时钟周期
- 关键作用：
- 频率控制：
K值的大小直接决定了斜坡信号的斜率，从而决定了最终输出信号的频率。K越大，斜率越陡，累加器溢出得越快,输出频率越高。 - 相位累加：累加器的输出值代表了当前波形的相位信息。
- 频率控制：
波形存储器
- 功能：存储一个或多个周期的波形幅度量化数据，通常是一个只读存储器。
- 工作原理：
- 它将相累加器输出的高
M位（作为地址）进行译码,查找出该地址对应的波形幅度值。 - 这个ROM中预先存储了一个完整周期的正弦波（或其他波形，如方波、三角波、锯齿波）的数字采样值。
- 对于一个10位的ROM，它存储了 2^10 = 1024 个点的正弦波幅度值。
- 它将相累加器输出的高
数模转换器
- 功能：将波形存储器输出的数字幅度信号转换成模拟信号。
- 工作原理：它接收来自ROM的数字字，并按照其位数（如10位、12位、14位等）将其转换成对应的模拟电压或电流值。
- 关键指标：DAC的转换速度和分辨率直接影响DDS系统的输出带宽和信号质量（如信噪比SNR）。
低通滤波器
- 功能：滤除DAC输出信号中的高频杂散分量和镜像频率。
- 工作原理：
- 根据奈奎斯特采样定理，以频率
fc采样一个信号，会在fc - fout,fc + fout,2fc - fout,2fc + fout... 等位置产生镜像频率。 - LPF的作用就是保留所需的基带信号
fout，滤除这些不需要的高频镜像和杂散，得到一个“干净”的正弦波。
- 根据奈奎斯特采样定理，以频率
参考时钟
- 功能：为整个DDS系统提供稳定、精确的同步时钟信号
fc。 - 重要性：时钟
fc的稳定性和纯净度直接决定了DDS输出频率的精度、稳定度和相位噪声性能,通常由一个高稳定度的晶体振荡器提供。
DDS的关键性能指标
-
频率分辨率
- 定义：DDS能够产生的最小频率变化量。
- 计算公式：
Δf = fc / 2^N - 说明：
fc是参考时钟频率，N是相累加器的位数。N越大，分辨率越高，可以产生更精细的频率步进。fc=100MHz,N=32，则Δf约为 0.023 Hz。
-
输出频率范围
- 定义：DDS能够有效输出的频率范围。
- 理论上限：根据采样定理，最大输出频率
fout_max应小于fc / 2。 - 实际限制：由于DAC的非理想特性（如转换速率限制、非线性），实际可用的最高频率通常为
fout_max ≈ 0.4 * fc，超过这个范围,信号质量会急剧下降。
-
频率切换速度
（图片来源网络，侵删）- 定义：改变输出频率所需的时间。
- 特点：DDS的切换速度极快，通常在纳秒级别，因为它只需改变频率控制字
K，下一个时钟周期就会按新的频率累加,无需锁相环那样的锁定过程。
-
相位噪声
- 定义：信号相位的随机波动,表现为频谱主带旁边的噪声边带。
- 特点：DDS的相位噪声主要取决于参考时钟的质量，由于它是全数字结构，本身引入的相位噪声较低,性能接近参考时钟。
-
杂散抑制
- 定义：衡量输出信号中除主频外，其他频率成分的抑制能力，杂散主要来源于相位截断、幅度量化和DAC的非线性。
- 特点：通过增加ROM的地址位数（减少相位截断）和数据位数（减少幅度量化误差），以及使用高性能的DAC,可以有效提高杂散抑制比。
DDS技术的优缺点
优点
- 极高的频率分辨率：只需增加累加器位数,即可轻松实现非常精细的频率步进。
- 极快的频率切换速度：几乎是瞬时切换,没有锁定时间。
- 相位连续性：在频率切换时，可以保证相位连续，这对于许多现代通信系统（如跳频系统）至关重要。
- 输出波形灵活：通过修改ROM中的数据，可以方便地生成正弦波、方波、三角波、锯齿波,甚至是任意波形。
- 低相位噪声：性能主要取决于高质量的参考时钟。
缺点
- 输出频率上限有限：受限于参考时钟频率和DAC的性能。
- 存在杂散信号：相位截断、幅度量化和DAC的非线性会引入杂散,需要仔细设计和滤波。
- 功耗相对较高：尤其是在高频工作时,DAC和时钟驱动电路的功耗较大。
典型应用领域
- 通信系统：现代收发信本振、频率捷变雷达、软件定义无线电。
- 仪器仪表：任意波形发生器、函数发生器、频率合成器、信号源。
- 测试与测量：作为激励源或本振,用于各种电子设备的测试。
- 时钟发生器：为数字系统提供多频点的精确时钟。
- 消费电子：在高端音响、视频设备中用于信号处理。
DDS技术是一种强大而灵活的频率合成方案，它通过数字控制的方式，将一个高稳定度的参考时钟转换成频率、相位和幅度都可编程的输出信号，尽管其在高频输出和杂散抑制方面存在挑战，但其无与伦比的频率分辨率、切换速度和相位连续性，使其成为现代电子系统中不可或缺的关键技术，随着半导体工艺（如高速、高分辨率DAC）和数字技术的发展,DDS的性能和应用范围仍在不断提升和扩大。
