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直接数字式频率合成器

DDS同DSP(数字信号处理)一样,也是一项关键的数字化技术。DDS是直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer)的英文缩写。DDS是从相位概念出发直接合成所需要波形的一种新的频率合成技术。与传统的频率合成器相比,DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点,广泛使用在电信与电子仪器领域,是实现设备全数字化的一个关键技术。

1.按照现在的定义,直接数字式频率合成是指产生系列数字信号并经数模转换器转换为模拟信号的技术。图1显示了直接数字式频率合成器的功能模块框图。如图所示,实现这种技术需要5个基本单元模块。

2.简要工作原理:直接数字式频率合成器(DDS)是将先进的数字处理理论与方法引入频率合成的一项新技术,DDS把一系列数字量形式的信号通过数/模转换器转换成模拟量形式的信号。在本系统中,DDS的具体工作过程是由N位相位累加器、N位加法器和N位累加寄存器组成。每来一个时钟脉冲,N位加法器将频率控制字K与N位累加寄存器输出的累加相位数据相加,并把相加后的结果送至累加寄存器的输入端。累加寄存器一方面将上一时钟周期作用后所产生的新的相位数据反馈到加法器的输入端,使加法器在下一时钟的作用下继续与频率控制字K相加;另一方面将这个值作为取样地址送入幅度/相位转换电路,幅度/相位转换电路根据这个地址输出相应的波形数据。最后经D/A转换器和 LPF将波形数据转换成所需要的模拟波形。下图(图2)详细描述了直接数字频率合成技术的基本构成模块。

3.基本技术实现方案:

(1)采用高性能的 DDS 单片电路解决方案

随着 DDS 技术和 VLSI 的发展,DDS 单片化在九十年代就已经完成。由于 DDS芯片性能日渐完善,促成了许多 DDS 芯片生产厂家出现,它们推出了许多性能优越的 DDS 芯片,为电路设计者提供了多种选择。其中 AD 公司的 DDS 系列产品性价比较高,目前取得了极为广泛的应用。

(2)自行设计基于可编程器件的解决方案

由于可编程逻辑器件的规模大、速度快、可编程,以及有强大的 EDA 软件支持等特性,十分适合实现 DDS 系统的数字部分。在高可靠性的应用领域,如果设计合理得当,将不会存在类似 MCU 的复位不可靠等问题。而且由于它的高度集成,完全可以将整个系统下载到同一个芯片当中,实现所谓的片上系统,从而大大缩小产品的体积,提高了系统的可靠性。

(3)基于 FPGA 的 DDS 系统合成方案

通过 FPGA 控制 DDS 产生线性调频信号及跳频信号。基于 FPGA 的 DDS 系统技术可以产生多种调制方式以及多种组合方式,并且可以实现多个 DDS 芯片的功能,更加集成。

事实上,除了这三种基础合成方案外,还可考虑这三种方案的优势组合,形成新的方案。

4.DDS集成芯片

国外生产DDS芯片的公司较多,目前国内主要使用美国Qualcom公司(如,Q2220、Q3216I、Q2334、Q2230C等)和A/D公司(如AD7008等)的产品。

一块DDS芯片中主要包括频率控制寄存器、高速相位累加器和正弦计算器三个部分(如Q2220)。频率控制寄存器可以串行或并行的方式装载并寄存用户输入的频率控制码;而相位累加器根据频率控制码在每个时钟周期内进行相位累加,得到一个相位值;正弦计算器则对该相位值计算数字化正弦波幅度(芯片一般通过查表得到)。DDS芯片输出的一般是数字化的正弦波,因此还需经过高速D/A转换器和低通滤波器才能得到一个可用的模拟频率信号。

另外,有些DDS芯片还具有调幅、调频和调相等调制功能及片内D/A变换器(如AD7008)。

频率合成原理与设计(中文第三版) [美]Vadim Manassewitsch 著 何松柏 宋亚梅 鲍景富 等译。

王静,基于 FPGA的 直接数字频率合成器DDS的设计 ,西安邮电大学,《科技信息》2012第23期。

1971年,美国学者J.Tierney等人撰写的《A Digital Frequency Synthesizer》一文首次提出了以全数字技术,从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成原理。限于当时的技术和器件水平,它的性能指标尚不能与已有的技术相比,故未受到重视。近10年间,随着微电子技术的迅速发展,直接数字频率合成器(Direct Digital Frequency Synthesis简称DDS或DDFS)得到了飞速的发展,它以有别于其它频率合成方法的优越性能和特点成为现代频率合成技术中的佼佼者。具体体现在相对带宽宽、频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、可产生宽带正交信号及其他多种调制信号、可编程和全数字化、控制灵活方便等方面,并具有极高的性价比。

目前,DDS技术已经在雷达、通信、电子对抗和仪器仪表等领域得到了十分广泛的应用。

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