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作者：武汉邮电科学研究院 刘爱珊
在频率合成（FS, Frequency Synthesis）领域中，常用的频率合成技术有模拟锁相环、数字锁相环、小数分频锁相环（fractional-N PLL Synthesis）等，直接数字合成(Direct Digital Synthesis－DDS)是近年来新的FS技术。单片集成的DDS产品是一种可代替锁相环的快速频率合成器件。DDS是产生高精度、快速变换频率、输出波形失真小的优先选用技术。DDS以稳定度高的参考时钟为参考源，通过精密的相位累加器和数字信号处理，通过高速D/A变换器产生所需的数字波形（通常是正弦波形），这个数字波经过一个模拟滤波器后，得到最终的模拟信号波形。如图１所示，通过高速DAC产生数字正弦数字波形，通过带通滤波器后得到一个对应的模拟正弦波信号，最后该模拟正弦波与一门限（例如０）进行比较得到方波时钟信号。
DDS系统一个显著的特点就是在数字处理器的控制下能够精确而快速地处理频率和相位。除此之外，DDS的固有特性还包括：相当好的频率和相位分辨率（频率的可控范围达μHz级，相位控制小于0.09°）,能够进行快速的信号变换（输出DAC的转换速率300百万次/秒）。这些特性使DDS在军事雷达和通信系统中应用日益广泛。
其实，以前DDS价格昂贵、功耗大（以前的功耗达Watt级）、DAC器件转换速率不高，应用受到限制，因此只用于高端设备和军事上。随着数字技术和半导体工业的发展，DDS芯片能集成包括高速DAC器件在内的部件，其功耗降低到mW级（AD9850在3.3v时功耗为155mW），功能增加了，价格便宜。因此，DDS也获得广泛的应用：现代电子器件、通信技术、医学成像、无线、PCS/PCN系统、雷达、卫星通信。
工作原理
下面以AD9850为例来谈一谈DDS的工作原理。DDS系统的核心是相位累加器，每来一个时钟脉冲，它的内容就更新一次。在每次更新时，相位增量寄存器的相位增量M就加到相位累加器中的相位累加值上。假设相位增量寄存器的M为00...01，相位累加器的初值为00...00。这时在每个时钟周期，相位累加器都要加上00...01。如果累加器位宽n是32位，相位累加器就需要232个时钟周期才能恢复初值（见图２）。
相位累加器的输出作为正弦查找表的查找地址。查找表中的每个地址代表一个周期的正弦波的一个相位点，每个相位点对应一个量化振幅值。因此，这个查找表相当于一个相位／振幅变换器，它将相位累加器的相位信息映射成数字振幅信息，这个数字振幅值就作为D/A变换器的输入。
例如n=32, M=1, 这个相应的输出正弦波频率等于时钟频率除以232。如果M=2，输出频率就增加１倍。对于一个n-bit的相位累加器来说，就有2n个可能的相位点，相位增量寄存器中控制字M就是在每个时钟周期被加到相位累加器上的值。假设时钟频率为fc，那么输出正弦波的频率就为：
f0 = M*fc / 2n
这就是DDS的“tuning equation”。这个系统的分辨率达fc / 2n ，如果n = 32 ，分辨率比40亿分之一还要好，在一个实际应用的DDS系统里，相位累加器的所有输出位并没有全部送到查找表，一般只取高K位（AD9850就只取高13到15位），于是既减少了查找表的规模，又不影响系统的频率分辨率。这个相位输出给最后的输出只带来小到可以接受的相位噪声。相位噪声基本上来源于参考时钟。
在DDS系统中，最重要的是对带宽和频率纯度之间的折中。如果时钟频率降低，则Nyquist频率下降，带宽减小，同时D/A变换器的分辨率提高，这样就可以得到更高的频率纯度。所以，对DDS输出频率分频就可以减小带宽并且提高频谱纯度。模拟信号频谱纯度主要取决于D/A变换器的性能。
上述基本DDS系统是相当灵活的。而且拥有高分辨率。它可以通过相位累加器来同时相位连续地改变频率。然而，实际DDS系统首先要在相位累加器之前加入一个内部缓冲寄存器（即图中的Data and control input register），通常这个缓存串行输入相位累积值，按顺序字节输入（Byte-load）相位控制字。由于相位增量寄存器和相位累加器是并行输入，加了缓存相当于串并转换，可以减少封装的管脚数。控制字载入缓存与相位增量寄存器以及相位累加器的并行输出是同步的，因此不影响DDS的速率。 |
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