直接數(shù)字頻率合概述

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

　　直接數(shù)字頻率合成是一種新的頻率合成技術(shù)和信號產(chǎn)生的方法，具有超高速的頻率轉(zhuǎn)換時間、極高的頻率分辨率分辨率和較低的相位噪聲，在頻率改變與調(diào)頻時，DDS能夠保持相位的連續(xù)，因此很容易實現(xiàn)頻率、相位和幅度調(diào)制。此外，DDS技術(shù)大部分是基于數(shù)字電路技術(shù)的，具有可編程控制的突出優(yōu)點。因此，這種信號產(chǎn)生技術(shù)得到了越來越廣泛的應用，很多廠家已經(jīng)生產(chǎn)出了DDS專用芯片，這種器件成為當今電子系統(tǒng)及設各中頻率源的首選器件。

　　直接數(shù)字頻率合成原理

　　工作過程為：

　　1、將存于數(shù)表中的數(shù)字波形，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)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：

　?。?）改變查表尋址的時鐘CLOCK的頻率，可以改變輸出波形的頻率。

　?。?）、改變尋址的步長來改變輸出信號的頻率.DDS即采用此法。步長即為對數(shù)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(jīng)低通（帶通）濾波，成為質(zhì)量符合需要的模擬波形。

　　直接數(shù)字頻率合成系統(tǒng)的構(gòu)成

　　直接數(shù)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(shù)/模轉(zhuǎn)換器、低通平滑濾波器等構(gòu)成。其中，參考頻率源一般是一個高穩(wěn)定度的晶體振蕩器，其輸出信號用于DDS中各部件同步工作。DDS的實質(zhì)是對相位進行可控等間隔的采樣。

　　直接數(shù)字頻率合成優(yōu)缺點

　　優(yōu)點：

　?。?）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(zhuǎn)換時間短

　　DDS是一個開環(huán)系統(tǒng)，無任何反饋環(huán)節(jié)，這種結(jié)構(gòu)使得DDS的頻率轉(zhuǎn)換時間極短。事實上，在 DDS的頻率控制字改變之后，需經(jīng)過一個時鐘周期之后按照新的相位增量累加，才能實現(xiàn)頻率的轉(zhuǎn) 換。因此，頻率時間等于頻率控制字的傳輸，也就是一個時鐘周期的時間。時鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換時 間越短。DDS的頻率轉(zhuǎn)換時間可達納秒數(shù)量級，比使用其它的頻率合成方法都要短數(shù)個數(shù)量級。

　?。?）頻率分辨率極高

　　若時鐘fs的頻率不變，DDS的頻率分辨率就是則相位累加器的位數(shù)N決定。只要增加相位累加器的 位數(shù)N即可獲得任意小的頻率分辨率。目前，大多數(shù)DDS的分辨率在1Hz數(shù)量級，許多小于1mHz甚 至更小。

　　（4）相位變化連續(xù)

　　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(shù)的曲線是連續(xù)的，只是在 改變頻率的瞬間其頻率發(fā)生了突變，因而保持了信號相位的連續(xù)性。

　?。?）輸出波形的靈活性

　　只要在DDS內(nèi)部加上相應控制如調(diào)頻控制FM、調(diào)相控制PM和調(diào)幅控制AM，即可以方便靈活地實 現(xiàn)調(diào)頻、調(diào)相和調(diào)幅功能，產(chǎn)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(shù)據(jù)，就可以實現(xiàn)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余弦函數(shù)表時，既可得到正交的兩路輸出。

　　（6）其他優(yōu)點

　　由于DDS中幾乎所有部件都屬于數(shù)字電路，易于集成，功耗低、 體積小、重量輕、可靠性高，且易于程控，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(xiàn)在：

　　（1）輸出頻帶范圍有限

　　由于DDS內(nèi)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。目前市場上采用CMOS、 TTL、ECL工藝制作的DDS工習片，工作頻率一般在幾十 MHz至400MHz左右。采用GaAs工藝的DDS芯片工作頻 率可達2GHz左右。

　　（2）輸出雜散大

　　由于DDS采用全數(shù)字結(jié)構(gòu)，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(shù)字式頻率合成器基本技術(shù)實現(xiàn)方案

　?。?）采用高性能的DDS單片電路解決方案

　　隨著DDS技術(shù)和VLSI的發(fā)展，DDS單片化在九十年代就已經(jīng)完成。由于DDS芯片性能日漸完善，促成了許多DDS芯片生產(chǎn)廠家出現(xiàn)，它們推出了許多性能優(yōu)越的DDS芯片，為電路設計者提供了多種選擇。其中AD公司的DDS系列產(chǎn)品性價比較高，目前取得了極為廣泛的應用。

　　（2）自行設計基于可編程器件的解決方案

　　由于可編程邏輯器件的規(guī)模大、速度快、可編程，以及有強大的EDA軟件支持等特性，十分適合實現(xiàn)DDS系統(tǒng)的數(shù)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。而且由于它的高度集成，完全可以將整個系統(tǒng)下載到同一個芯片當中，實現(xiàn)所謂的片上系統(tǒng)，從而大大縮小產(chǎn)品的體積，提高了系統(tǒng)的可靠性。

　?。?）基于FPGA的DDS系統(tǒng)合成方案

　　通過FPGA控制DDS產(chǎn)生線性調(diào)頻信號及跳頻信號?；贔PGA的DDS系統(tǒng)技術(shù)可以產(chǎn)生多種調(diào)制方式以及多種組合方式，并且可以實現(xiàn)多個DDS芯片的功能，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(yōu)勢組合，形成新的方案。

　　直接數(shù)字頻率合成系統(tǒng)實現(xiàn)

　　1、DSP及DDS芯片介紹

　　本次設計采用DSP控制DDS實現(xiàn)頻率合成器。使用TI公司生產(chǎn)的DSP處理器TMS320VC5402和ADI公司生產(chǎn)的DDS芯片AD9835，下面分別對這兩個芯片做簡單介紹。

　　數(shù)字信號處理器（DSP）是在模擬信號變換成數(shù)字信號以后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(shù)字化時代，DSP己成為通信、計算機、消費類電子產(chǎn)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(shù)字信號處理器，VC5402具有先進的改進型哈佛結(jié)構(gòu)，操作速率可達100MIPS；多總線結(jié)構(gòu)。VC5402的存儲器的配置比較靈活，主要由模式寄存器PMST里的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。上電后采樣MP／MC引腳信號，保存在MP／MC位，可以在DSP運行中由軟件配置該位。

　　AD9835是AD公司生產(chǎn)的一款CMOS工藝完備的DDS芯片，5V供電。它的最高時鐘頻率可達50MHZ。AD9835主要由數(shù)控振蕩器（NCO）和相位調(diào)制器、正弦查詢表以及一個10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）組成。其中數(shù)控振蕩器和相位調(diào)制器部分包含兩個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(tǒng)硬件實現(xiàn)

　　系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示：

　　選用的FLASH存儲器為AM29LV160D。由DSP芯片通過CPLD對FLASH進行邏輯控制。這樣可以使系統(tǒng)的存儲器配置更加靈活。由于外擴了FLASH，DSP要對FLASH進行正常讀寫的邏輯時序控制就由CPLD來實現(xiàn)，由于CPLD可在線編程，使得日后系統(tǒng)的邏輯的修改也非常方便，這比用傳統(tǒng)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。在此采用的是Altera公司的EPM7064S來完成以上功能。

　　電源芯片采用rI’I公司生產(chǎn)的TPS767D318，該芯片是雙電源輸出，每個電源輸出都有單獨的復位和輸出使能控制。它采用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。該芯片同時還提供）兩路復位信號，該系統(tǒng)中只使用了第二路復位信號，芯片的22引腳輸出低電平復位信號，復位后需為高電平，上拉為3．3V。

　　數(shù)字解調(diào)實驗時采用的信號是已調(diào)模擬信號，模擬信號不能直接送人DSP中，要先由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（AD）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，再送入DSP中進行數(shù)字解調(diào)和基帶處理。模數(shù)轉(zhuǎn)換器選用了AD公司的AD轉(zhuǎn)換芯片AD7822。AD7822是20腳的8位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，最大采樣率可以達到2MSPS。AI）7822以并行的方式和DSP相連。數(shù)模轉(zhuǎn)換（DA）模塊的功能就是完成數(shù)字信號的模擬化，在進行數(shù)字調(diào)制實驗時通過DA模塊把DSP輸出的已調(diào)數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，可以為解調(diào)實驗提供一個已調(diào)的模擬信號，也可以通過示波器觀測調(diào)制信號波形。該模塊選用了AD公司的芯片AD7303。