直接數字頻率合成知識點匯總(原理_組成_優缺點_實現)

　　直接數字頻率合概述

　　DDS同DSP（數位訊號處理）一樣，也是一項關鍵的數位化技術。DDS是直接數字式頻率合成器（Direct Digital Synthesizer）的英文縮寫。DDS是從相位概念出發直接合成所需要波形的一種新的頻率合成技術。

　　直接數字頻率合成是一種新的頻率合成技術和信號產生的方法，具有超高速的頻率轉換時間、極高的頻率解析度解析度和較低的相位噪聲，在頻率改變與調頻時，DDS能夠保持相位的連續，因此很容易實現頻率、相位和幅度調製。此外，DDS技術大部分是基於數字電路技術的，具有可編程控制的突出優點。因此，這種信號產生技術得到了越來越廣泛的應用，很多廠家已經生產出了DDS專用晶片，這種器件成為當今電子系統及設各中頻率源的首選器件。

　　直接數字頻率合成原理

　　工作過程為：

　　1、將存於數表中的數字波形，經數模轉換器D/A，形成模擬量波形。

　　2、兩種方法可以改變輸出信號的頻率：

　　（1）改變查表尋址的時鐘CLOCK的頻率，可以改變輸出波形的頻率。

　　（2）、改變尋址的步長來改變輸出信號的頻率.DDS即採用此法。步長即為對數字波形查表的相位增量。由累加器對相位增量進行累加，累加器的值作為查表地址。

　　3、D/A輸出的階梯形波形，經低通（帶通）濾波，成為質量符合需要的模擬波形。

　　直接數字頻率合成系統的構成

　　直接數字頻率合成主要由標準參考頻率源、相位累加器、波形存儲器、數/模轉換器、低通平滑濾波器等構成。其中，參考頻率源一般是一個高穩定度的晶體振蕩器，其輸出信號用於DDS中各部件同步工作。DDS的實質是對相位進行可控等間隔的採樣。

　　直接數字頻率合成優缺點

　　優點：

　　（1）輸出頻率相對帶寬較寬

　　輸出頻率帶寬為50%fs（理論值）。但考慮到低通濾波器的特性和設計難度以及對輸出信號雜散的 抑制，實際的輸出頻率帶寬仍能達到40%fs。

　　（2）頻率轉換時間短

　　DDS是一個開環系統，無任何反饋環節，這種結構使得DDS的頻率轉換時間極短。事實上，在 DDS的頻率控制字改變之後，需經過一個時鐘周期之後按照新的相位增量累加，才能實現頻率的轉 換。因此，頻率時間等於頻率控制字的傳輸，也就是一個時鐘周期的時間。時鐘頻率越高，轉換時 間越短。DDS的頻率轉換時間可達納秒數量級，比使用其它的頻率合成方法都要短數個數量級。

　　（3）頻率解析度極高

　　若時鐘fs的頻率不變，DDS的頻率解析度就是則相位累加器的位數N決定。只要增加相位累加器的 位數N即可獲得任意小的頻率解析度。目前，大多數DDS的解析度在1Hz數量級，許多小於1mHz甚 至更小。

　　（4）相位變化連續

　　改變DDS輸出頻率，實際上改變的每一個時鐘周期的相位增量，相位函數的曲線是連續的，只是在 改變頻率的瞬間其頻率發生了突變，因而保持了信號相位的連續性。

　　（5）輸出波形的靈活性

　　只要在DDS內部加上相應控制如調頻控制FM、調相控制PM和調幅控制AM，即可以方便靈活地實 現調頻、調相和調幅功能，產生FSK、PSK、ASK和MSK等信號。另外，只要在DDS的波形存儲器 存放不同波形數據，就可以實現各種波形輸出，如三角波、鋸齒波和矩形波甚至是任意的波形。當 DDS的波形存儲器分別存放正弦和餘弦函數表時，既可得到正交的兩路輸出。

　　（6）其他優點

　　由於DDS中幾乎所有部件都屬於數字電路，易於集成，功耗低、 體積小、重量輕、可靠性高，且易於程控，使用相當靈活，因此性價 比極高。

　　缺點：

　　DDS也有局限性，主要表現在：

　　（1）輸出頻帶範圍有限

　　由於DDS內部DAC和波形存儲器（ROM）的工作速度限 制，使得DDS輸出的最高頻有限。目前市場上採用CMOS、 TTL、ECL工藝製作的DDS工習片，工作頻率一般在幾十 MHz至400MHz左右。採用GaAs工藝的DDS晶片工作頻 率可達2GHz左右。

　　（2）輸出雜散大

　　由於DDS採用全數字結構，不可避免地引入了雜散。其來 源主要有三個：相位累加器相位舍位誤差造成的雜散；幅 度量化誤差（由存儲器有限字長引起）造成的雜散和DAC 非理想特性造成的雜散。

　　直接數字式頻率合成器基本技術實現方案

　　（1）採用高性能的DDS單片電路解決方案

　　隨著DDS技術和VLSI的發展，DDS單片化在九十年代就已經完成。由於DDS晶片性能日漸完善，促成了許多DDS晶片生產廠家出現，它們推出了許多性能優越的DDS晶片，為電路設計者提供了多種選擇。其中AD公司的DDS系列產品性價比較高，目前取得了極為廣泛的應用。

　　（2）自行設計基於可編程器件的解決方案

　　由於可編程邏輯器件的規模大、速度快、可編程，以及有強大的EDA軟體支持等特性，十分適合實現DDS系統的數字部分。在高可靠性的應用領域，如果設計合理得當，將不會存在類似MCU的復位不可靠等問題。而且由於它的高度集成，完全可以將整個系統下載到同一個晶片當中，實現所謂的片上系統，從而大大縮小產品的體積，提高了系統的可靠性。

　　（3）基於FPGA的DDS系統合成方案

　　通過FPGA控制DDS產生線性調頻信號及跳頻信號。基於FPGA的DDS系統技術可以產生多種調製方式以及多種組合方式，並且可以實現多個DDS晶片的功能，更加集成。

　　事實上，除了這三種基礎合成方案外，還可考慮這三種方案的優勢組合，形成新的方案。

　　直接數字頻率合成系統實現

　　1、DSP及DDS晶片介紹

　　本次設計採用DSP控制DDS實現頻率合成器。使用TI公司生產的DSP處理器TMS320VC5402和ADI公司生產的DDS晶片AD9835，下面分別對這兩個晶片做簡單介紹。

　　數位訊號處理器（DSP）是在模擬信號變換成數位訊號以後進行高速實時處理的專用處理器，其處理速度比最快的通用CPU還快1O一50倍。在當今的數位化時代，DSP己成為通信、計算機、消費類電子產品等領域的基礎器件，被稱為信息社會革命的旗手。

　　VC5402是TI公司1999年10月推出性價比較高的定點數位訊號處理器，VC5402具有先進的改進型哈佛結構，操作速率可達100MIPS；多總線結構。VC5402的存儲器的配置比較靈活，主要由模式寄存器PMST裡的OVLY、DROM和MP／MC位進行配置。其中，OVLY和DROM上電復位均為0，而MP／MC決定配置DSP為微處理器／微機模式。上電後採樣MP／MC引腳信號，保存在MP／MC位，可以在DSP運行中由軟體配置該位。

　　AD9835是AD公司生產的一款CMOS工藝完備的DDS晶片，5V供電。它的最高時鐘頻率可達50MHZ。AD9835主要由數控振蕩器（NCO）和相位調製器、正弦查詢表以及一個10位數模轉換器（DAC）組成。其中數控振蕩器和相位調製器部分包含兩個32位的頻率寄存器、一個32位的相位累加器和四個12位的相位寄存器。

　　2、系統硬體實現

　　系統硬體框圖如圖2所示：

　　選用的FLASH存儲器為AM29LV160D。由DSP晶片通過CPLD對FLASH進行邏輯控制。這樣可以使系統的存儲器配置更加靈活。由於外擴了FLASH，DSP要對FLASH進行正常讀寫的邏輯時序控制就由CPLD來實現，由於CPLD可在線編程，使得日後系統的邏輯的修改也非常方便，這比用傳統的組合邏輯電路設計要靈活方便，只需要的是將DSP對FLASH讀寫時序分析清楚。在此採用的是Altera公司的EPM7064S來完成以上功能。

　　電源晶片採用rI』I公司生產的TPS767D318，該晶片是雙電源輸出，每個電源輸出都有單獨的復位和輸出使能控制。它採用TSSOP封裝，固定兩路電壓輸出，第一路輸出1．8V，第二路輸出電壓為3．3V。該晶片同時還提供）兩路復位信號，該系統中只使用了第二路復位信號，晶片的22引腳輸出低電平復位信號，復位後需為高電平，上拉為3．3V。

　　數字解調實驗時採用的信號是已調模擬信號，模擬信號不能直接送人DSP中，要先由模數轉換器（AD）轉換為數位訊號後，再送入DSP中進行數字解調和基帶處理。模數轉換器選用了AD公司的AD轉換晶片AD7822。AD7822是20腳的8位模數轉換晶片，最大採樣率可以達到2MSPS。AI）7822以並行的方式和DSP相連。數模轉換（DA）模塊的功能就是完成數位訊號的模擬化，在進行數字調製實驗時通過DA模塊把DSP輸出的已調數位訊號轉換為模擬信號，可以為解調實驗提供一個已調的模擬信號，也可以通過示波器觀測調製信號波形。該模塊選用了AD公司的晶片AD7303。

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