【正文】 主要由參考頻率源相位累加器正弦ＲＯＭ表Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器Digital Analog Converter 簡(jiǎn)稱(chēng) DAC 和濾波器等組成 umeric Controlled Oscillator 簡(jiǎn)稱(chēng) NCO 它是 DDS 的核心ＤＤＳ的結(jié)構(gòu)原理圖如圖１所示的高低及其相位大小 NCO K 輸出 參考頻率源 圖 11 DDS 結(jié)構(gòu)原理圖 相位累加器由Ｎ位加法器與Ｎ位累加寄存器級(jí)聯(lián)構(gòu)成每來(lái)一個(gè)時(shí)鐘脈沖加法器將頻率控制字ｋ與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加把相加后的結(jié)果送至累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端累加寄存器將加法器在上一個(gè)時(shí)鐘脈沖作用后所產(chǎn)生的新相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端以使加法器在下一個(gè)時(shí)鐘脈沖的作用下繼續(xù)與頻率控制字相加這樣相位累加器在時(shí)鐘作用下不斷對(duì)頻率控制字進(jìn)行線性相位累加由此可以看出相位累加器在每一個(gè)時(shí)鐘脈沖輸入時(shí)把頻率控制字累加一次相位累加 器輸出的數(shù)據(jù)就是合成信號(hào)的相位相位累加器的溢出頻率就是ＤＤＳ輸出的信號(hào)頻率 用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲(chǔ)器ＲＯＭ的相位取樣地址這樣就可把存儲(chǔ)在波形存儲(chǔ)器內(nèi)的波形抽樣值二進(jìn)制編碼經(jīng)查找表查出完成相位到幅值轉(zhuǎn)換波形存儲(chǔ)器的輸出送到Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量形式的波形幅值轉(zhuǎn)換成所要求合成頻率的模擬量形式信號(hào)低通濾波器用于濾除不需要的取樣分量以便輸出頻譜純凈的正弦波信號(hào) ＤＤＳ在相對(duì)帶寬頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間高分辨力相位連續(xù)性正交輸出以及集成化等一系列性能指標(biāo)方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)所能達(dá)到的水平為系統(tǒng)提供 了優(yōu)于模擬信號(hào)源的性能 下面我們討論 DDS 輸出頻率的推導(dǎo) 一個(gè)頻譜純凈的單頻信號(hào)可表示為 11 只要幅度 U 和初始相位不隨時(shí)間變化是常數(shù)它的頻譜就是位于的一條譜線這里為說(shuō)明問(wèn)題方便起見(jiàn)我們令 U 1 0 即 12 這種單頻信號(hào)的主要特性是它的相位是時(shí)間的線形函數(shù)即 13 相位函數(shù)對(duì)時(shí)間的倒數(shù)就常數(shù) 14 這就是信號(hào)的頻率由式 1314 可知相位函數(shù)是一條直線它的斜 率就是信號(hào)的頻率 如果對(duì)式 12 信號(hào)進(jìn)行采樣采樣周期為即采樣頻率則可得到離散的波形序列 n 012 15 相應(yīng)的離散相位序列 n 012 16 式中 17 是連續(xù)兩次采樣之間的相位增量 若采樣值在采樣間隔內(nèi)進(jìn)行保持則可得到階梯狀的相位和信號(hào)波形根據(jù)采樣定理只要 18 從式 15的離散序列即可唯一地恢復(fù)出式 12的模擬信號(hào)保持的作用則是可使得所需模擬信號(hào)的分量加大且將采樣形成的高次諧波分量受到很大的抑制因此為合成 12 的模擬信號(hào)可先生成與其相對(duì)應(yīng)的階梯信號(hào)再經(jīng)濾波而得到 從式 13 已經(jīng)知道是相位函數(shù)的斜率決定了信號(hào)的頻率從式 15 和 16 可見(jiàn)決定相位函數(shù)斜率的則是兩次連續(xù)采樣之間的相位增量因此只要控制這個(gè)相位增量即可控制合成信號(hào)的頻率 綜上所述為合成所需頻率的模擬信號(hào)必須解決以下一些技術(shù)問(wèn)題 需控制每次采樣的相位增量并輸出模的累加相位這可以用相位累加器來(lái)完成 將模的累加 相位變換成相應(yīng)的正弦函數(shù)值的幅度這里幅度可先用代碼表示這可以用一只讀存儲(chǔ)器 ROM 來(lái)存儲(chǔ)一個(gè)正弦函數(shù)表的幅值代碼 將幅度代碼變換成模擬電壓這可由數(shù)模變換器 DAC 來(lái)完成 相位累加器輸出的累加相位在量詞采樣的間隔時(shí)間內(nèi)是保持的因而最終從DAC 輸出的電壓也是經(jīng)保持的階梯波需經(jīng)低通濾波器之后才能得到所需的模擬電壓輸出因此就有了如圖 11 所示的 DDS 基本原理框圖 DDS 的工作實(shí)質(zhì)是以參考頻率源用作一個(gè)穩(wěn)定時(shí)鐘對(duì)相位進(jìn)行等可控間隔的采樣其工作過(guò)程為 以輸入數(shù)字信號(hào) K 確定一個(gè)頻率值 該頻率值以數(shù)字信號(hào)累加至相位累加 器以生成實(shí)時(shí)數(shù)字相位信息 數(shù)字相位字轉(zhuǎn)換成正弦表中相應(yīng)的數(shù)字幅度值字 DAC 將數(shù)字幅度值轉(zhuǎn)換成模擬幅度值 DDS 產(chǎn)生的混疊于干擾由抗混疊濾波器處理后輸出 由于其中為一個(gè)采樣間隔之間的相位增量采樣周期則 19 通過(guò)改變的大小就可以獲得不同的頻率輸出 設(shè)相位累加器的字長(zhǎng)為 N 控制 ROM 產(chǎn)生一整周正弦波輸出是 L 位則相當(dāng)于 rad而 L位中的 MSB最高有效位相當(dāng)于 radL位中的 LSB最低有效位相當(dāng)于 rad同樣相位累加器 N 位中的 LSB 相當(dāng)于 rad 即為最小 相位增量因此頻率控制字 K值對(duì)應(yīng)的相位增量為 110 將 110 式代入 19 式得 111 即通過(guò)改變 K 可以得到不同的頻率輸出 由式 13 可知 DDS 的頻率分辨率也是最小的頻率間隔為當(dāng) K 1 時(shí)的輸出頻率 112 可見(jiàn)參考輸入時(shí)鐘頻率一定時(shí)其頻率分辨率由相位累加器的位數(shù) N 決定若取 100MHzN 32則 0024Hz即頻率分辨率高達(dá) 0024Hz這也是最低的合成頻率輸 出頻率精度高是 DDS 的一大特點(diǎn) DDS 中輸出濾波器采用 LPF 這是因?yàn)?DDS 合成信號(hào)是正弦波時(shí) DA 輸出擔(dān)心好中有許多不需要的寄生譜分量只有基波分量才是所需的因此在 DA 之后需跟一個(gè)低通濾波器 由 Nyquist 準(zhǔn)則可知允許輸出最高頻率為 2 即 K 但實(shí)際應(yīng)用中受 LPF 的限制小于 2 以便濾除鏡像頻率一般 113 由此可見(jiàn) DDS的工作頻帶較寬可以合成從直流到 04的頻率信號(hào)同時(shí)它的輸出相位連續(xù)頻率穩(wěn)定度高 在 DDS 中輸出信號(hào) 波形的三個(gè)參數(shù)頻率相位和振幅 A 都可以用輸入數(shù)據(jù)控制字來(lái)定義因而可以完成數(shù)字調(diào)制其頻率調(diào)制可以由改變頻率控制字來(lái)實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制可以由改變瞬時(shí)相位字來(lái)實(shí)現(xiàn)振幅調(diào)制可以用在 ROM的 DAC之間加數(shù)字乘法器來(lái)實(shí)現(xiàn)因此許多廠商在生產(chǎn) DDS ASIC 芯片時(shí)就考慮了調(diào)制性能可直接利用這些 DDS ASIC 芯片完成所需的調(diào)制功能這無(wú)疑為實(shí)現(xiàn)各種調(diào)制方式增添了更多的選擇而且用 DDS 完成調(diào)制所帶來(lái)的好處是以前粗多完成相同調(diào)制任務(wù)的調(diào)制方案所難以比擬的 一般的窄帶帶通信號(hào)調(diào)制輸出可表示為 114 式中是載波頻率 u t 是基帶信號(hào)的等效低通信號(hào)波形 115 式中分別為兩路正交符號(hào)序列是相應(yīng)符號(hào)的幅度和相角是基本脈沖波形當(dāng)是約束在中傳輸時(shí) 當(dāng) 116 調(diào)制輸出為 117 此調(diào)制波形 s t 可由基于 DDS 的通用數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)產(chǎn)生輸入數(shù)據(jù)首先轉(zhuǎn)化成極坐標(biāo)形式其中的幅值經(jīng)過(guò)成形和內(nèi)插濾波器得到幅度調(diào)制值相角為相位調(diào)制值為調(diào)制中心頻率 DDS 的 頻率調(diào)制高速可變性使其非常適合于進(jìn)行頻率調(diào)制如多級(jí)頻移鍵控 MFSK 調(diào)制 118 式中是載波頻率為相鄰頻率間隔為輸入數(shù)據(jù) [ ]顯然只需將作為頻率值就可以實(shí)現(xiàn) MFSK 調(diào)制若進(jìn)一步隨時(shí)間跳變則可以實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)制 119 式中 T 為符號(hào)時(shí)間為輸入數(shù)據(jù) g t 為高斯低通濾波器的矩形脈沖響應(yīng)是載波中心頻率可以推出 GMSK 信號(hào)的實(shí)時(shí)頻率為 120 輸入數(shù)據(jù)經(jīng) g t 的成形濾波再加上載波頻率就生 成頻率調(diào)制值這種方式實(shí)現(xiàn) GMSK 調(diào)制比正交調(diào)制簡(jiǎn)單而且直接準(zhǔn)確地生成波形兼實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便和精度高的特點(diǎn) 由于 DDS中 NCO的相位幅度都是數(shù)字的所以用 DDS非常易于實(shí)現(xiàn)靈活的高精度的數(shù)字調(diào)制如 FSKMFSKASKPSKQPSKQAMGMSK 等其調(diào)制方式非常方便調(diào)制質(zhì)量非常好基于 DDS 的調(diào)制系統(tǒng)可將頻率合成和數(shù)字合成合二為一系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化成本復(fù)雜度也大大降低 正因?yàn)?DDS 的這些特點(diǎn)在通信系統(tǒng)跳頻和擴(kuò)頻系統(tǒng)電子戰(zhàn)和干擾系統(tǒng)多譜勒和線形調(diào)頻雷達(dá)無(wú)線電和電視廣播設(shè)備 HDTV 以及測(cè)試設(shè)備等系統(tǒng)中必將會(huì)有非常廣泛的用途 尤其是它很適宜用于數(shù)控多譜勒加到達(dá)角探測(cè)系統(tǒng)中 12 DDS 性能 相對(duì)于傳統(tǒng)的合成技術(shù)而言直接數(shù)字頻率 DDS 由于采用了數(shù)字處理技術(shù)因而能夠避免許多傳統(tǒng)技術(shù)的不足相對(duì)于直接模擬合成和鎖相環(huán)而言直接數(shù)字頻率 DDS 主要就有以下特點(diǎn) 1 輸出頻率相對(duì)帶寬較寬 輸出頻率帶寬為５０％ｆ s 理論值但考慮到低通濾波器的特性和設(shè)計(jì)難度以及對(duì)輸出信號(hào)雜散的抑制實(shí)際的輸出頻率帶寬仍能達(dá)到４０％ｆ s 2 頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短 ＤＤＳ是一個(gè)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)無(wú)任何反饋環(huán)節(jié)這種結(jié)構(gòu)使得ＤＤＳ的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間極短事實(shí)上在ＤＤＳ的頻率控 制字改變之后需