直接數字合成(DDS),直接數字合成(DDS)是什么意思

直接數字合成（DDS)的概念

1971年，美國學者J．Tierncy，C．M．Rader和B．Gold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。限于當時的技術和器件水平，它的性能指標尚不能與已有的技術相比，故未受到重視。近20年間，隨著技術和器件水平的提高，一種新的頻率合成技術——直接數字頻率合成（DDS）得到了飛速的發展，它以有別于其它頻率合成方法的優越性能和特點成為現代頻率合成技術中的姣姣者。DDS是直接數字式頻率合成器（Direct Digital Synthesizer）的英文縮寫。與傳統的頻率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速轉換時間等優點，廣泛使用在電信與電子儀器領域，是實現設備全數字化的一個關鍵技術。DDS是現今一種重要的設計手段，高速集成電路的發展進一步改善了DDS的性能，它與傳統技術相結合，組成的各種混合方案將頻率源的性能提高到一個新的水平，因而未來的DDS不僅應用于傳統上需要使用信號源的領域，而且必將開拓許多新的應用領域。

基本原理

DDS技術是一種把一系列數字量形式的信號通過DAC轉換成模擬量形式的信號的合成技術。目前使用最廣泛的一種DDS方式是利用高速存儲器作查尋表，然后通過高速DAC產生已經用數字形式存入的正弦波。

1．1　相位累加器部分

相位累加器由N位加法器與N位累加寄存器級聯構成。每來一個時鐘脈沖，加法器將頻率控制數據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的作用下繼續與頻率控制數據相加。這樣，相位累加器在參考時鐘的作用下，進行線性相位累加，當相位累加器累加滿量時就會產生一次溢出，完成一個周期性的動作，這個周期就是DDS合成信號的一個頻率周期，累加器的溢出頻率就是DDS輸出的信號頻率。

1．2　相位—幅值轉換部分

用相位累加器輸出的數據作為取樣地址，對正弦波波形存儲器進行相位—幅值轉換，即可在給定的時間上確定輸出的波形幅值。

1．3　數模轉換部分

DAC將數字量形式的波形幅值轉換成所要求合成頻率的模擬量形式信號，低通濾波器用于衰減和濾除不需要的取樣分量以便輸出頻譜純凈的正弦波信號。

對于計數容量為2N的相位累加器和具有M個相位取樣的正弦波波形存儲器，若頻率控制字為K，則DDS系統輸出信號的頻率為fo＝fc×K/2N，而頻率分辨率為Δf＝fomin＝fc/2N。

DDS的性能特點

DDS在相對帶寬、頻率轉換時間、相位連續性、正交輸出、高分辨力以及集成化等一系列性能指標方面遠遠超過了傳統頻率合成技術所能達到的水平，為系統提供了優于模擬信號源的性能。

2．1　極快的頻率切換速度

DDS是一個開環系統，無任何反饋環節，頻率轉換時間主要由LPF附加的時延來決定。如fc＝10MHz，轉換時間即為100ns，若時鐘頻率升高，轉換時間將縮短，但不可能少于數字門電路的延遲時間。目前，DDS的調諧時間一般在ns級，比使用其它的頻率合成方法都要短數個數量級。

2．2　極高的頻率分辨率

由Δf＝fomin＝fc/2N可知，只要增加相位累加器的位數N即可獲得任意小的頻率調諧步進。大多數DDS的分辨率在Hz，mHz甚至μHz的數量級。

2．3　低相位噪聲和低漂移

DDS系統中合成信號的頻率穩定度直接由參考源的頻率穩定度決定，合成信號的相位噪聲與參考源的相位噪聲相同。而在大多數DDS系統應用中，一般由固定的晶振來產生基準頻率，所以其相位噪聲和漂移特性是極為優異的。

2．4　連續的相位變化

同樣因DDS是一個開環系統，故當一個轉換頻率的指令加在DDS的數據輸入端時，它會迅速合成所要求的頻率信號，在輸出信號上沒有疊加任何電流脈沖，輸出變化是一個平穩的過渡過程，而且相位是連續變化的，這個特點也是DDS獨有的。

2．5　在極寬的頻帶范圍內輸出幅度平坦的信號

DDS的最低輸出頻率是所用的時鐘頻率的最小分辨率或相位累加器的分辨率。奈奎斯特采樣定理保證了在直到該時鐘頻率一半的所有頻率下，DAC都可以再現信號，即DDS頻率的上限fomax由合成器的最大時鐘頻率fc決定（fomax＝fc/2）。

2．6　易于集成、易于調整

DDS中幾乎所有的部件都屬于數字信號處理器件，除DAC和濾波器外，無需任何調整，從而降低了成本，簡化了生產設備。

DDS的應用

DDS問世之初，構成DDS元器件的速度的限制和數字化引起的噪聲，這兩個主要缺點阻礙了DDS的發展與實際應用。近幾年超高速數字電路的發展以及對DDS的深入研究，DDS的最高工作頻率以及噪聲性能已接近并達到鎖相頻率合成器相當的水平。隨著這種頻率合成技術的發展，其已廣泛應用于通訊、導航、雷達、遙控遙測、電子對抗以及現代化的儀器儀表工業等領域。

3．1　實時模擬仿真的高精密信號

在DDS的波形存儲器中存入正弦波形及方波、三角波、鋸齒波等大量非正弦波形數據，然后通過手控或用計算機編程對這些數據進行控制，就可以任意改變輸出信號的波形。利用DDS具有的快速頻率轉換、連續相位變換、精確的細調步進的特點，將其與簡單電路相結合就構成精確模擬仿真各種信號的的最佳方式和手段。這是其它頻率合成方法不能與之相比的。例如它可以模擬各種各樣的神經脈沖之類的波形，重現由數字存儲示波器（DSO）捕獲的波形。

3．2　實現各種復雜方式的信號調制

DDS也是一種理想的調制器，因為合成信號的三個參量：頻率、相位和幅度均可由數字信號精確控制，因此DDS可以通過預置相位累加器的初始值來精確地控制合成信號的相位，從而達到調制的目的。

現代通信技術中調制方式越來越多，BPSK，QPSK，MSK都需要對載波進行精確的相位控制。而DDS的合成信號的相位精度由相位累加器的位數決定。一個32位的相位累加器可產生43億個離散的相位電平，而相位精度可控制在8×10－3度的范圍內，因此，在轉換頻率時，只要通過預置相位累加器的初始值，即可精確地控制合成信號的相位，很容易實現各種數字調制方式。

3．3　實現頻率精調，作為理想的頻率源

DDS能有效地實現頻率精調，它可以在許多鎖相環（PLL）設計中代替多重環路。在一個PLL中保持適當的分頻比關系，可以將DDS的高頻率分辨率及快速轉換時間特性與鎖相環路的輸出頻率高、寄生噪聲和雜波低的特點有機地結合起來，從而實現更為理想的DDS＋PLL混合式頻率合成技術。

在頻率粗調時用PLL來覆蓋所需工作頻段，選擇適當的分頻比可獲得較高的相位噪聲，而DDS被用來覆蓋那些粗調增量，在其內實現頻率精調。這種方案以其優越的相位穩定性和極低的顫噪效應滿足了各種系統對頻率源苛刻的技術要求。這也是目前開發應用DDS技術最廣泛的一種方法。采用這種方案組成的頻率合成器已在很高的頻率上得以實現。

當然，DDS的應用不僅限于這些，它還可用于核磁諧振頻譜學及其成像、檢測儀表等。隨著DDS集成電路器件速度的飛速發展，它已成為一種可用于滿足系統頻率要求的重要而靈活的設計手段。