現代ＤＤＳ的研究進展與概述

摘要：本文簡要地闡述了DDS發展歷程以及其基本原理，對幾種常用的頻率合成器的性能作了比較，其中著重講述了DDS的優缺點。概述了DDS的具體應用領域，并論述了國內外的DDS的發展現狀。

關鍵詞：直接數字頻率合成器；鎖相環；研究現狀與展望未來；DDS

引言

1971年，美國學者提出了以全數字技術，從相位概念出發直接合成所需波形的一種新的頻率合成原理，稱之為直接數字頻率合成器(DDS)。這是頻率合成技術的一次重大革命，但限于當時微電子技術和數字信號處理技術的限制，DDS并沒有得到足夠的重視。隨著現代超大規模集成電路集成工藝的高速發展，使得數字頻率合成技術得到了質的飛躍，它在相對帶寬、頻率轉換時間、相位連續性、正交輸出、高分辨率以及集成化等一系列性能指標方面，已遠遠超過了傳統頻率合成技術所能達到的水平。但是由于DDS數字化實現的固有特點，決定了其輸出頻譜雜散較大，從20世紀80年代末開始通過深入的研究認識了DDS雜散成因及其分布規律后，對DDS相位累加器進行了改進，ROM數據進行了壓縮，使用了抖動注入技術以及對DDS工藝結構和系統結構進行了改進。但工藝的完善并沒有徹底解決DDS中DAC的瞬態毛刺和非線性這些固有缺陷，而這些問題還會隨著溫度變化和電路工藝引入的數字噪聲等發生隨機變化，它們所帶來的輸出信號頻譜質量劣化很難改善。近幾年來，隨著DDS技術的不斷完善和發展，其輸出頻率、雜散、相位噪聲、功耗、集成化等各項性能指標較早期產品已有大大提高，出現了一系列的優秀產品。由于其在頻率合成以及信號調制等方面出色的性能，應用范圍已擴展到通信、宇航、遙控遙測、儀器儀表等各項電子領域。

DDS基本原理

直接數字頻率合成的理論依據是時域抽樣定理，即一個頻帶限制在(0，fc/2)Hz范圍內的時間信號f(t)，如果以Tg=1/fc秒的間隔對它進行等間隔抽樣，則信號將被所得到的抽樣值完全確定。也就是說，此信號f(t)可以由其采樣值完全恢復過來。DDS正是基于這樣一個原理而形成的，它將一個階梯化的信號(即采樣信號)通過一個理想的低通濾波器，就得到原始的連續信號f(t)。

DDS的工作原理框圖如圖1所示，DDS系統由頻率控制字、相位累加器、正弦查詢表、D/A轉換器和低通濾波器組成。參考時鐘為高穩定度的晶體振蕩器，其輸出用于同步DDS各組成部分的工作。DDS系統的核心是相位累加器，它由N位加法器與N位相位寄存器構成，類似一個簡單的計數器。加法器將頻率控制字與累加寄存器輸出的累加相位數據相加，把相加后的結果送至累加寄存器的數據輸入端。累加寄存器將加法器在上一個時鐘脈沖作用后所產生的新相位數據反饋到加法器的輸入端，以使加法器在下一個時鐘脈沖的作用下繼續與頻率控制字相加。這樣，相位累加器在時鐘作用下，不斷對頻率控制字進行線性相位累加。由此可以看出，相位累加器在每一個時鐘脈沖輸入時，把頻率控制字累加一次，相位累加器輸出的數據就是合成信號的相位，相位累加器的溢出頻率就是DDS輸出的信號頻率。正弦查詢表是一個可編程只讀存儲器(PROM)，存儲的是以相位為地址的一個周期正弦信號的采樣編碼值，包含一個周期正弦波的數字幅度信息，每個地址對應于正弦波中0～360度范圍的一個相位點。將相位寄存器的輸出與相位控制字相加得到的數據作為一個地址對正弦查詢表進行尋址，查詢表把輸入的地址相位信息映射成正弦波幅度信號，通過D/A變換器把數字量變成模擬量，再經過低通濾波器平滑并濾除不需要的取樣分量，以便輸出頻譜純凈的正弦波信號。

DDS性能分析

DDS優缺點綜述

正由于DDS采用全數字技術，從概念到結構都有很大的突破，所以它具有其他頻率合成所無法比擬的優越性。

頻率分辨率高。若時鐘頻率不變，DDS頻率分辨率僅由相位累加器位數來決定，也就是理論上的值越大，就可以得到足夠高的頻率分辨率。目前，大多數DDS的分辨率在1Hz數量級，許多都小于1mHz甚至更小，這是其他頻率合成器很難做到的。

工作頻帶較寬。根據Nyquist定律，只要輸出信號的最高頻率分辨率分量小于或等于fclk/2就可以實現。而實際當中由于受到低通濾波器設計以及雜散分布的影響限制，僅能做到40％fclk左右。

超高速頻率轉換時間。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。DDS的頻率轉換時間可達到納秒數量級，比使用其它的頻率合成方法都要小幾個數量級。

相位變化連續。改變DDS輸出頻率，實際上改變的是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。

具有任意輸出波形的能力。只要ROM中所存的幅值滿足并且嚴格遵守Nyquist定律，即可得到輸出波形。例如三角波、鋸齒波和矩形波。

具有調制能力。由于DDS是相位控制系統，這樣也就有利于各種調制功能。

DDS的不足之處主要有如下兩點：

散分量豐富。這些雜散分量主要由相位舍位、幅度量化和DAC的非理想特性所引起。因為在實際的DDS電路中，為了達到足夠小的頻率分辨率，通常將相位累加器的位數取大。但受體積和成本的限制，即使采用先進的存儲方法，ROM的容量都遠小于此，因此在對ROM尋址時，只是用相位累加器的高位去尋址，這樣不可避免地引起誤差，即相位舍位誤差。另外，一個幅值在理論上只能用一個無限長的二進制代碼才能精確表示，由于ROM的存儲能力，只采用了有限比特代碼來表示這一幅值，這必然會引起幅度量化誤差。另外，DAC的有限分辨率以及非線性也會引起誤差。所以對雜散的分析和抑制，一直是國內外研究的特點，因為它從很大程度上決定了DDS的性能。

·頻帶受限。由于DDS內部DAC和ROM的工作速度限制，使得DDS輸出的最高頻率有限。目前市場上采用CMOS、TTL等工藝制作的DDS芯片工作頻率一般在幾十MHz至幾百MHz左右。但隨著高速GaAs器件的出現，頻帶限制已明顯改善，芯片工作頻率可達到2GHz范圍左右。

三種頻率合成方式的性能比較

通過回顧頻率合成技術的發展，我們可以簡要地總結出各自的性能特點。

鎖相環頻率合成運用了相位反饋控制原理來穩定頻率，在頻率切換速度要求方面不高，但對相噪、雜散有較高要求時，PLL頻率合成有特殊的優勢。PLL式頻率合成輸出的頻率分辨率越高時，其頻率切換速度就越慢。如果要提高切換速度，就必須犧牲分辨率，這是PLL的工作機理所致，無法通過性能優化來解決。所以在選擇鎖相式頻率合成除了考慮頻譜純度外，還要考查其它性能是否能滿足要求。DDS的全數字結構給頻率合成領域注入了新的活力，但也正是全數字結構使DDS有明顯的缺陷。表1是按照頻率合成器的主要性能指標對三種頻率合成器的性能進行比較。

各類電子系統對信號源的要求越來越高，需要同時滿足相位噪聲、快捷變頻、高頻率分辨率、寬帶、小體積、低功耗等指標。雖然這三種頻率合成方式都可以在某些指標上獲得理想的效果，但沒有一種方式可以滿足所有的技術要求。實際上，由于三種方式各有優劣，完全可以利用各自優勢互補，所以產生了混合式頻率合成技術。其中DDS與PLL頻率合成混合應用最為廣泛。

DDS的實際應用

·DDS作為分頻器在PLL中的應用

PLL電路對輸入信號相當于一個窄帶跟蹤濾波器，因此將DDS輸出信號作為參考信號驅動一個PLL后，不但可以大大抑制雜散信號，還可以方便地將頻率信號倍頻提高，但采取該方法會使輸出信號的相位噪聲惡化。而如果在環路中將壓控振蕩器的輸出信號作為DDS的輸入信號，DDS在電路中就成為一個分辨率極高的分頻器，不僅能利用環路實現雜散抑制，同時也可使輸出信號的相位噪聲降低，而且由于不必采用高頻晶體振蕩器，系統成本也會大大降低，并很容易使整個電路采用混合電路工藝進行系統集成。其原理如下圖2所示。

·寬帶跳頻頻率合成器設計方案

采用DDS+DS組合方式，可實現寬帶DDS頻率合成器。它由晶體振蕩器、控制電路、DDS、倍頻器、帶通濾波器、功率放大器等電路組成，具體實現框圖如圖3.

DDS可選用AD9854作為頻率合成器核心器件，它的系統時鐘高達300MHz，頻率分辨率為1uHz，100M并口編程速率以及較高雜散抑制度。AD9854的優良性能使超高速頻率合成器實現成為可能。晶體振蕩器輸出經AD9854內置的倍頻器七倍頻后，DDS以七倍晶體振蕩頻率作為系統時鐘。為了簡化電路、提高頻率切換時間，DDS輸出信號經過一個帶通濾波器后，驅動九倍頻器鏈作為頻率合成器的輸出。帶通濾波器BPF1后插入的放大器的作用是增加DDS輸出信號幅度，提高倍頻器的效率，同時在兩級倍頻器后加入兩個五階通濾波器來抑制帶外雜散，頻率合成器輸出信號f₀為9×_DDS。

·DDS在雷達和電子對抗中的應用

頻率捷變雷達是指脈沖載頻(脈沖內，脈沖間或脈沖組間)快速有規律或隨機變化的雷達，它比普通雷達具有更強的抗干擾能力，并有增加雷達探測距離、提高跟蹤精度、改善角度和距離分辨力以及避免雷達之間相互干擾等優點，近年來得到了廣泛重視。頻率捷變雷達包括兩大類：相參頻率捷變雷達和非相參頻率捷變雷達。在頻率捷變雷達中，由于每次發射出去的脈沖載頻在快速變化，為了使混頻后的信號為一個固定中頻，就要求有一個隨磁控管頻率快速變化的本振源，由于DDS具有精度高、轉換快、穩定性好等優點，使得本振源具有較高的穩定性和跟蹤精度。可以廣泛應用于相參頻率捷變雷達、非相參頻率捷變雷達和自適應頻率捷變雷達系統中。圖4為一個較簡單的全相參頻率捷變雷達發射機的框圖。DDS經過倍頻，一路送至接收機，經過混頻后作為本振信號。另一路則加至二極管調制器進行脈沖調制，然后加至行波管放大，再加到由增幅管構成的末級放大器放大到所需要的功率，送到天線發射出去。

在電子對抗中，對雷達施放有源干擾，是對雷達進行考驗的主要手段之一，這就要求現代干擾機必須性能優良，不斷地提高自動化和自適應能力，來達到最佳的目的。將DDS應用到干擾機中，可以有效地提高其干擾樣式的控制能力，使干擾機具有足夠快的引導時間等優點。

由于DDS采用數字結構，可以靈活地實現頻移鍵控、相移鍵控和幅度調制等功能，使其在數字通信中得到了廣泛應用。DDS作為一種先進的信號產生技術也已經廣泛應用于各個方面：信號源儀器，測量分析儀器，數字信號處理，工業控制，通信、軟件無線電等等，這里不在一一詳細介紹。

展望

近年來隨著GSM、GPRS、3G、BlueTooth乃至已經提出標準的4G等移動通信以及LMDS、無線本地環路等無線接入的發展，同時加上合成孔徑雷達、多普勒沖雷達等現代軍事、國防、航空航天等在科技上的不斷創新與進步，世界各國非常重視頻率合成器的發展。所有的這些社會需求以及微電子技術、計算機技術、信號處理技術等本身的不斷進步都極大刺激了頻率合成器技術的發展。可以預料，隨著低價格、高時鐘頻率、高性能的新一代DDS芯片的問世，DDS的應用前景將不可估量!