关于DDS技术的高精度频率综合器

关于DDS技术的高精度频率综合器

王小燕

陕西黄河集团有限公司陕西西安

频率源是雷达、通信、电子对抗与电子系统实现高性能指标的关键，很多现代电子设备和系统的功能都直接依赖于所用频率源的性能，因此频率源被人们喻为众多电子系统的"心脏"。而当今高性能的频率源均通过频率合成技术来实现。传统的频率合成器有直接频率合成器和锁相环两种。直接频率合成方法具有频率转换时间短、近载频相位噪声性能好等优点，但由于采用大量的倍频、分频、混频和滤波环节，导致直接频率合成器结构复杂、体积庞大、成本高，而且容易产生过多的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。锁相环式频率合成器具有很好的窄带跟踪特性，可以很好地选择所需频率的信号，抑制杂散分量，并且避免了大量的滤波器，有利于集成化和小型化。但由于锁相环本身是1个惰性环节，锁定时间较长，故频率转换时间较长。除此之外，由模拟方法合成的正弦波的参数，如幅度、频率和相位都很难控制。

一：直接数字式频率合成（DirectDigitalFrequencySynthesis，简称DDS或DDFS）是近年来发展起来的1种新的频率合成技术。它将先进的数字处理理论与方法引入信号合成领域，标志着第三代频率合成技术的出现。其主要优点是相对带宽很宽、频率转换时间极短（可小于20ns）、频率分辨率很高（典型值为0.001Hz）、全数字化结构便于集成、输出相位连续、频率、相位和幅度均可实现程控。因此，能够与计算机紧密结合在一起，充分发挥软件的作用。DDS技术的实现完全是高速数字电路D/A变换器集合的产物。由于集成电路速度的限制，目前DDS的上限频率还不能做得很高。但GaAs（砷化镓）材料在集成电路中的应用，使得DDS上限频率不够高的缺陷正在不断地被克服。作为应用，现在已有DDS产品用于接收机本振、信号发生器、通信系统、雷达系统等，特别是跳频通信系统。

在上世纪中期对于传统的模拟电路而言这几乎是很难实现的，因为三者之间存在无法克服的矛盾。但是到上世纪末本世纪初，随着数字电路的发展，直接数字频率合成技术（DirectDigitalSynthesis）应运而生，为实现这一目标带来希望。由于DDS技术采用全数字技术，使它具有极高的频率分辨率、输出频率相对带宽较宽。频率转换时间极短。任意波形输出能力和可以程控等优点。

上世纪末由于受到集成电路工艺和微电子技术发展的限制，DDS输出最大只能为50MHz，所以并没有得到大范围的应用。而本世纪由于技术的成熟和新材料的使用，使得DDS技术也更加成熟。目前国内市场上可以获得DDS芯片的时钟速率可以达到1GHz，但是据资料显示，采用GaAs（砷化镓）的DDS部件其时钟速率可以达到4GHz。二：DDS输出信号的三个参量（频率、相位和幅度）都是由数据控制字来决定的，即通过改变相位累加器输入端的频率控制字来实现频率控制、改变相位累计器输出端的相位来实现相位控制、改变RAM输出的幅度来实现幅度控制。从而合成各种调幅、调频和调相波形，以满足过去模拟技术无法实现的需求。

相位噪声作为频率合成器的一项重要技术指标，其性能好坏直接影响了电子系统的性能。用这种信号不论做发射激励信号，还是接收机本振信号以及各种频率基准时，这些相位噪声将在解调过程中都会和信号一样出现在解调终端，引起基带信噪比下降，影响电子系统目标的分辨能力，即改善因子。接收机本振的相位噪声，当遇到强干扰信号时，会产生"倒混频"使接收机有效噪声系数增加。所以随着电子技术的发展，对频率合成器的相位噪声要求就越来越高，因此研究低相位噪声、高可靠性频率合成器成为系统发展的重要方向。

三：DDS的工作原理

首先考虑1个周期的正弦波连续信号，以等量的时间间隔T对其采样，并进行量化，则可得到1个周期的正弦波数字信号。将该数字信号存入存储器中，即构成了正弦函数查找表。存储器的地址代表了时间取样的序号。对正弦波而言，当频率一定时，正弦信号的相位与时间成线性关系。因而不同的取样序号也就代表了正弦波信号的不同相位，存储器中所存数值则是量化后的正弦信号幅度。假设正弦波波形存储器存储了1个周期的M个相位取样值，当以频率fC的时钟信号反复读取波形存储器时，读出一个周期的正弦波数据所需的时间是T=M/fC，即输出合成信号的频率为fO=1/T=fC/M。显然，当改变时钟fC时，合成信号的频率也随之改变。

工程实现上，合成信号频率的改变是通过保持时钟不变，而对波形进行1次时域再抽样来实现的。基本DDS主要由参考频率源、相位累加器、正弦波采样ROM、数模转换器（DAC）及低通滤波器构成。

四：相位累加器

相位累加器由N位加法器与N位累加寄存器级联构成。每来1个时钟脉冲，加法器将频率控制数据与累加寄存器输出的累积相位数据相加，把相加后的结果送至累加寄存器的数据输入端。累加寄存器将加法器在上1个时钟作用后所产生的新相位数据反馈到加法器的输入端，以使加法器在下1个时钟的作用下继续与频率控制数据相加。这样，相位累加器在参考时钟的作用下，进行线性相位累加，当相位累加器累积满量时就会产生1次溢出，完成1个周期性的动作，这个周期就是DDS合成信号的1个频率周期，累加器的溢出频率就是DDS输出的信号频率。

对于计数容量为2N的相位累加器和具有M个相位取样的正弦波波形存储器，若频率控制字为K，则DDS系统输出信号的频率为fO=fC×K/2N，而频率分辨率为Δf=fOmin=fC/2N。（1）相位－幅值转换，用相位累加器输出的数据作为取样地址，对正弦波波形存储器进行相位－幅值转换，即可在给定的时间上确定输出的波形幅值。（2）数模转换及低通滤波器DAC将数字量形式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟量形式信号，低通滤波器用于滤除不需要的取样分量，以便输出频谱纯净的正弦波信号。

总结：目前DDS技术以其独特的优点正在世界范围内正越来越多的被应用于军事领域。目前美军已在许多系统中用其代替传统的VCO，产生高精度、高稳定度的频率源。目前国内市场上可以得到的数据显示DDS的时钟速率可以达到1GHz，但是据资料显示，采用GaAs（砷化镓）的DDS部件其时钟速率可以达到4GHz。