作者：Eva Murphy and Colm Slattery

在許多類型的設(shè)備中，生成并輕松控制各種頻率和輪廓的精確波形非常重要。示例包括用于通信的具有低相位噪聲和低雜散信號成分的敏捷頻率源，以及用于工業(yè)和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的簡單生成頻率激勵。在此類應(yīng)用中，能夠方便且經(jīng)濟(jì)高效地生成可調(diào)波形是一個關(guān)鍵的設(shè)計考慮因素。

已經(jīng)使用了各種方法，但最靈活的一種是直接數(shù)字合成器（DDS）。DDS芯片或直接數(shù)字頻率合成器通過以數(shù)字形式生成時變信號，然后執(zhí)行數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換來產(chǎn)生模擬波形（通常是正弦波，但三角波和方波是固有的）。DDS 器件主要是數(shù)字器件，因此它們可以在輸出頻率、精細(xì)頻率分辨率和寬頻率范圍內(nèi)運(yùn)行之間提供快速切換。

隨著設(shè)計和工藝技術(shù)的進(jìn)步，當(dāng)今的DDS設(shè)備非常緊湊，功耗低。目前可用的DDS設(shè)備可以產(chǎn)生遠(yuǎn)低于1 Hz至400 MHz的頻率（基于1 GHz時鐘），時間分辨率為48位。使用新工藝技術(shù)的器件成本低，加上DDS固有的卓越性能和對輸出波形進(jìn)行數(shù)字（重新）編程的能力，使得DDS方法與更離散和不太靈活的傳統(tǒng)解決方案相比極具吸引力。多通道DDS器件，如2通道AD9958和4通道AD9959，允許在空間受限的系統(tǒng)（例如相控陣?yán)走_(dá)/聲納、ATE、醫(yī)學(xué)成像和光通信）中獨(dú)立編程多達(dá)四個固有同步輸出。

我們在這里的目標(biāo)是讓讀者了解DDS在現(xiàn)有應(yīng)用程序中的一些重要用途，并深入了解DDS設(shè)備為這些應(yīng)用和其他潛在應(yīng)用帶來的主要好處。目前，使用DDS的兩種主要應(yīng)用形式是通信中的波形生成以及工業(yè)和生物醫(yī)學(xué)中的信號分析。典型的其他用途包括電子物品監(jiān)控（EAS）和聲納浮標(biāo)系統(tǒng)中的海事應(yīng)用。

通信系統(tǒng)中存在重要應(yīng)用，這些系統(tǒng)需要具有低相位噪聲和雜散的敏捷頻率源，與DDS一樣，具有出色的頻率調(diào)諧分辨率和頻譜性能。通信中其他典型的DDS用途包括生成用于WDM光信道識別的導(dǎo)頻信號，用于鎖相環(huán)（PLL）的增強(qiáng)可調(diào)性參考頻率，作為本地振蕩器，甚至用于直接傳輸。

在信號分析類別中，許多工業(yè)和生物醫(yī)學(xué)設(shè)計使用DDS以數(shù)字方式生成頻率和相位可調(diào)的可編程波形，而無需更改任何外部組件，傳統(tǒng)波形發(fā)生器通常就是這種情況。簡單的頻率調(diào)整可用于定位諧振或補(bǔ)償溫度漂移。DDS可用作測量傳感器阻抗的靈活頻率激勵，或?yàn)槲⒅聞悠魃擅}寬調(diào)制信號，或檢查LAN或電話電纜中的衰減。

在工業(yè)和醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

信號發(fā)生器網(wǎng)絡(luò)分析：當(dāng)今電子產(chǎn)品中的許多應(yīng)用都涉及收集和解碼數(shù)據(jù)，用于數(shù)字信號處理、模擬測量、光纖和高頻通信。

這類應(yīng)用涉及用已知幅度和相位的頻率激勵電路或系統(tǒng)，并分析響應(yīng)特性以提供關(guān)鍵系統(tǒng)信息。“被分析網(wǎng)絡(luò)”（圖1）可以是從電纜長度到測量/傳感器系統(tǒng)的任何內(nèi)容。典型要求是將響應(yīng)信號與輸入信號的相位、頻率和幅度進(jìn)行比較。

圖1.響應(yīng)測試。

在需要一系列頻率進(jìn)行激勵的情況下，DDS芯片恰到好處，因?yàn)榧铑l率、相位和幅度可以通過軟件以非常嚴(yán)格的分辨率進(jìn)行控制。

該系統(tǒng)的工作原理是將具有已知頻率、幅度和相位的信號施加到圖1中的網(wǎng)絡(luò)V2點(diǎn)（為簡單起見，顯示為無源電路）。V2點(diǎn)信號的幅度和相位將根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的特性而變化。信號V2和V1之間的時間差允許用戶計算相移，幅度的變化將給出相對幅度偏移。它們的頻譜差異可以提供失真的度量。知道被測系統(tǒng)的相位和幅度響應(yīng)后，就可以計算其傳遞函數(shù)。

圖2.系統(tǒng)框圖。

這些應(yīng)用中使用的典型頻率往往為0 kHz至200 kHz，處于DDS頻率處理范圍的低端。對于某些應(yīng)用，一個已知頻率的突發(fā)可提供足夠的信息;但對于大多數(shù)人來說，需要掃描網(wǎng)絡(luò)中的一系列已知頻率，并分析多個頻率的相位/幅度數(shù)據(jù)。單個DDS芯片提供整個頻率生成功能，使用戶在數(shù)字控制網(wǎng)絡(luò)控制所需的頻率方面具有極大的靈活性。無需外部組件，用戶只需能夠通過其SPI接口寫入DDS。DDS的輸出相位通常以10位至14位分辨率進(jìn)行控制，可編程相位分辨率可達(dá)<0.1度。

在圖2所示的系統(tǒng)中，AD9834 DDS芯片用作系統(tǒng)的模擬激勵。它由 50MHz 晶體振蕩器驅(qū)動。AD9834的頻率分辨率為28位，可將頻率控制在0.2 Hz左右。DDS 輸出幅度由外部接地電阻控制;外部增益級驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)。

輸出由電阻RL加載，驅(qū)動低通RC濾波器，該濾波器對信號進(jìn)行頻帶限制，并濾除時鐘頻率、鏡像和更高頻率。緩沖放大器驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)，此處由LRC電路表示。參考信號連接到雙通道同步采樣ADC（例如1位、7866 MSPS、雙通道ADC的AD12）的通道1;響應(yīng)信號施加到ADC的通道2。

用作系統(tǒng)控制器的數(shù)字信號處理器控制DDS和ADC采樣。DSP通過簡單的算法或通過FFT、DFT或?qū)Ｓ兴惴ㄌ幚硐到y(tǒng)的處理要求，還可以控制系統(tǒng)的任何必要的幅度和相位校準(zhǔn)。

其他應(yīng)用

類似的方法可用于許多其他應(yīng)用，其變化取決于所使用的物理場和電路。示例包括提供用于測試LVDT（線性可變差動變壓器）的頻率掃描;使用電容式傳感器進(jìn)行接近感應(yīng);使用平衡線圈進(jìn)行金屬檢測;使用化學(xué)傳感器進(jìn)行血液測量;使用超聲波傳感器進(jìn)行流量測量;以及使用射頻響應(yīng)標(biāo)簽的電子物品監(jiān)控 （EAS） 以防止入店行竊。

通信中的DDS

傳統(tǒng)上，在考慮設(shè)計新的頻率合成器時，有兩種常見的基本方法：鎖相環(huán)（PLL）和直接數(shù)字頻率合成。選擇并不總是明確的;通常，設(shè)計人員必須做出權(quán)衡或設(shè)計額外的電路，以彌補(bǔ)所選技術(shù)的弱點(diǎn)。

然而，現(xiàn)在PLL和DDS電路都可以作為低成本元件使用，考慮設(shè)計一種結(jié)合這兩種技術(shù)的混合電路變得切實(shí)可行，從而消除了權(quán)衡取舍。設(shè)計人員可以利用這兩種方法獲得優(yōu)于單個PLL或DDS設(shè)計的整體解決方案。我們將討論具有以下優(yōu)點(diǎn)的方法：

精細(xì)的頻率分辨率

快速切換動作

快速建立時間

寬帶

功耗極低

低相位噪聲和雜散噪聲

本文將討論兩種不同的PLL/DDS混合頻率合成器：DDS為PLL提供精細(xì)可調(diào)基準(zhǔn)，以及具有DDS產(chǎn)生的本振（LO）頻率內(nèi)部偏移的PLL。

PLL的微調(diào)基準(zhǔn)：圖3顯示了一個鎖相環(huán)頻率合成器，其參考頻率由DDS的濾波輸出產(chǎn)生。通過使用混合解決方案，DDS的調(diào)諧分辨率可以將整個系統(tǒng)的可調(diào)諧性提高到單獨(dú)使用PLL無法實(shí)現(xiàn)的水平。

在本例中，PLL由一個整數(shù)N分頻ADF4106頻率合成器、一個外部環(huán)路濾波器和VCO組成。這種配置允許設(shè)計人員選擇滿足頻率條件的VCO和滿足應(yīng)用需求的環(huán)路濾波器。基準(zhǔn)電壓源由AD9834 DDS產(chǎn)生，后接濾波器和可選的匹配分壓器，以降低噪聲和雜散。

DDS具有28位調(diào)諧字，允許對參考頻率進(jìn)行非常窄的調(diào)諧，從而比使用小數(shù)N分頻PLL更方便地微調(diào)輸出頻率。

例如，如果VCO的頻率范圍為100 MHz至500 MHz，并且DDS輸出在5 MHz附近，則N的范圍為20至100。N 的每一步產(chǎn)生 5 MHz 步長的輸出頻率（100 MHz、105 MHz、110 MHz 等）但是，只需調(diào)整寫入頻率寄存器的十六進(jìn)制數(shù)，AD9834的輸出就可以以較小的增量進(jìn)行設(shè)置。AD9834可以以小至0.2 Hz的增量調(diào)諧，時鐘速率為50 MHz。這導(dǎo)致對混合 PLL/DDS 進(jìn)行非常精細(xì)的調(diào)整。

理想情況下，基準(zhǔn)電壓源應(yīng)具有低相位噪聲和雜散音。DDS輸出確實(shí)具有低相位噪聲，但其雜散成分可能需要在某些頻率下解決。雜散是由于相位累加器之后的截斷，導(dǎo)致特定采樣/輸出頻率組合下的雜散成分增加。通過額外的濾波和仔細(xì)選擇采樣計劃，可以將這些雜散降至最低。

如果開關(guān)速度不重要，則可以使PLL帶寬極窄，以排除基準(zhǔn)雜散;然后相位噪聲和雜散僅限于VCO的相位噪聲和雜散。如果VCO是干凈的，這可能是獲得具有寬帶寬、精細(xì)分辨率、良好雜散噪聲、小尺寸和極低功耗（盡管頻率之間切換緩慢）的合成器的最簡單方法。

為了利用DDS的快速開關(guān)能力和高分辨率，需要更寬的PLL環(huán)路帶寬，這使得濾波器和可選分頻器對于低噪聲和雜散非常重要。請注意，PLL會增加雜散音的幅度，但不會增加它們與基準(zhǔn)的頻率偏移。因此，圖3中的濾波器需要將DDS產(chǎn)生的雜散音和噪聲限制在窄帶寬內(nèi)。倍頻N后，噪聲和雜散音將增加20 log（N），但僅在濾波器帶寬內(nèi)。最終，濾波器帶寬和中心頻率的選擇是在開關(guān)速度、噪聲性能和連續(xù)頻率覆蓋需求之間進(jìn)行權(quán)衡。

圖3.DDS作為PLL的參考頻率發(fā)生器。

具有由DDS產(chǎn)生的內(nèi)部失調(diào)頻率的PLL：圖4所示為鎖相環(huán)頻率合成器，其內(nèi)部失調(diào)頻率由DDS產(chǎn)生。

圖4.AD9834 DDS為ADF41xx PLL產(chǎn)生頻率失調(diào)。

該電路使用精細(xì)設(shè)置的DDS頻率來調(diào)制本振頻率，產(chǎn)生和/差頻率，當(dāng)濾波時，該頻率調(diào)制參考頻率，產(chǎn)生輸出頻率，

這類似于多環(huán)路頻率合成器設(shè)計，不同之處在于細(xì)頻步進(jìn)PLL環(huán)路被單個DDS取代。這種混合頻率合成器中DDS的精細(xì)頻率分辨率可以提供比具有許多環(huán)路的PLL更好的頻率分辨率。

PLL提供粗略的步進(jìn)，和以前一樣，PLL輸出頻率（使用本地振蕩器）與輸入?yún)⒖碱l率具有相同的基本分辨率，f裁判.DDS 在每個粗略步驟之間提供精細(xì)步長，因此最終輸出步長是 DDS 的步長。使用具有9834 MHz主時鐘的AD50時，步長可達(dá)0.2 Hz。

數(shù)據(jù)編碼中的 DDS

由于DDS器件使頻率和相位的調(diào)整變得容易，因此它們在將相位和頻率調(diào)制數(shù)據(jù)編碼到載波上時特別有用。這里有兩個相關(guān)的應(yīng)用，可以追溯到無線電報的早期。

FSK 編碼：二進(jìn)制頻移鍵控 （FSK） 是最簡單的數(shù)據(jù)編碼形式之一。通過將連續(xù)載波的頻率移動到兩個離散頻率中的一個或另一個（二進(jìn)制操作）來傳輸數(shù)據(jù)。一個頻率（f1）被指定為“標(biāo)記”頻率（二進(jìn)制一）和另一個（f0） 作為“空間”頻率（二進(jìn)制零）。圖5顯示了數(shù)據(jù)和傳輸信號之間的關(guān)系。

圖5.FSK 調(diào)制。

這種編碼方案可以使用DDS輕松實(shí)現(xiàn)。表示輸出頻率變化的DDS頻率調(diào)諧字以產(chǎn)生f0和 f1與要傳輸?shù)?1 和 0 模式同步。用戶在傳輸之前將對應(yīng)于所選頻率的調(diào)諧字編程到設(shè)備中。對于AD9834，兩個頻率寄存器可用于FSK編碼。器件上的專用引腳 （FSELECT） 用于選擇與相應(yīng)調(diào)諧字相對應(yīng)的頻率寄存器。圖 6 中的框圖演示了 FSK 編碼的實(shí)現(xiàn)。

圖6.基于 DDS 的 FSK 編碼器。

PSK 編碼：相移鍵控 （PSK） 是另一種簡單的數(shù)據(jù)編碼形式。在PSK中，當(dāng)載波的頻率保持恒定時，傳輸信號的相位會發(fā)生變化以傳達(dá)信息。

有多種方案可用于完成 PSK。僅使用兩個信號相位（0°和180°）的最簡單方法通常稱為二進(jìn)制PSK（BPSK）。0° 對應(yīng)于邏輯 1，180° 對應(yīng)于邏輯 0。接收到的每個位的狀態(tài)根據(jù)前一個位的狀態(tài)確定。如果波的相位沒有改變，則信號狀態(tài)保持不變（低或高）。如果波的相位反轉(zhuǎn)，即變化180°，則信號狀態(tài)發(fā)生變化（從低到高，或從高到低）。

使用 DDS 產(chǎn)品可輕松實(shí)現(xiàn) PSK 編碼。大多數(shù)器件都有一個單獨(dú)的輸入寄存器（相位寄存器），可以加載相位值。該值直接添加到載波的相位中，而不改變其頻率。更改此寄存器的內(nèi)容會調(diào)制載波的相位（從而產(chǎn)生PSK輸出信號）。對于需要高速調(diào)制的應(yīng)用，AD9834允許使用專用輸入引腳（PSELECT）選擇預(yù)加載相位寄存器;切換此引腳可根據(jù)需要調(diào)制載波。

可以使用其他相位角。更復(fù)雜的PSK形式采用四個或八個不同的階段。這允許二進(jìn)制數(shù)據(jù)以比BPSK調(diào)制更快的每次相變速率傳輸。例如，在四相調(diào)制正交PSK（QPSK）中，可能的相位角為0°、+90°、–90°和180°;每個相移可以代表兩個數(shù)據(jù)位。AD9830、AD9831、AD9832和AD9835提供四相寄存器，可通過不斷更新寄存器的不同相位偏移來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的相位調(diào)制方案。

聲浮標(biāo)應(yīng)用：DDS在聲納浮標(biāo)通信中很有用。聲納浮標(biāo)是一種位于水中并捕獲海洋中環(huán)境聲音的設(shè)備。聲納浮標(biāo)的常見應(yīng)用是探測、定位、識別和跟蹤地震事件和水下目標(biāo)，如潛艇和鯨魚。聲納浮標(biāo)陣列可用于確定目標(biāo)位置、速度和方向。

聲納浮標(biāo)有四個主要組件：浮子、無線電收發(fā)器、電池和水聽器。水聽器是一種水下傳感器，可將聲壓波轉(zhuǎn)換為電壓，這些電壓被放大并發(fā)送到水面浮子。無線電信號由天線和無線電接收器拾取，通常在飛機(jī)或船上。

主動聲納浮標(biāo)傳輸聲波，聲波從物體上反彈。到物體的距離和方向可以從反射信號確定。換能器用于將聲波引入水中并操縱回波，然后將其放大以進(jìn)行VHF無線電傳輸。被動聲納浮標(biāo)不發(fā)出任何聲音;他們只是坐下來聽傳入的聲音。在這兩種情況下，數(shù)據(jù)都傳輸回船舶或飛機(jī)，通常使用擴(kuò)頻通信，其中頻率被快速跳躍以類似于隨機(jī)噪聲。DDS通常用于在發(fā)射和接收部分提供跳頻。

AD9834非常適合用作聲納浮標(biāo)發(fā)射器部分的捷變頻率源（圖7）。傳輸?shù)牡湫皖l率為 136 MHz 至 174 MHz。

圖7.聲納浮標(biāo)發(fā)射部分的DDS。

用于GPS位置定位的典型接收器框圖如圖8所示。

圖8.DDS在聲納浮標(biāo)的接收部分。

聲納浮標(biāo)的接收部分由GPS天線、低噪聲放大器和下變頻前端級組成。下變頻由DDS驅(qū)動。來自前端的信號被采樣和數(shù)字化，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流（包含天線范圍內(nèi)所有GPS衛(wèi)星的擴(kuò)頻數(shù)據(jù)）被傳遞給相關(guān)器進(jìn)行擴(kuò)頻處理。相關(guān)過程的輸出由 CPU 轉(zhuǎn)換以提供聲納浮標(biāo)的坐標(biāo)。

DDS因其微調(diào)功能而為發(fā)射器和接收器提供了優(yōu)勢。AD25/AD9833的低功耗（9834 mW）和低成本使其成為電池供電一次性應(yīng)用（如聲納浮標(biāo)）的理想解決方案。

光纖通道識別： 與銅芯技術(shù)相比，通過光纖電纜使用光波進(jìn)行通信大大增加了帶寬和容量。通過使用波分復(fù)用（WDM）能夠以相對較低的成本提供的多通道，容量進(jìn)一步增加。

WDM涉及從各種同步輸入數(shù)據(jù)流中組合單獨(dú)的光波長（顏色），并通過單根光纖傳輸這些通道的總和（“白光”）。不同的協(xié)議可以在同一鏈路中混合使用。在接收端，光被分離成其組件，并進(jìn)行解調(diào)。

盡管所有信號同時傳輸，但希望確定信號來自哪個通道。區(qū)分通道的一種方法是在每個通道的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)中添加具有可識別參數(shù)（例如幅度、頻率、相位等）的導(dǎo)頻信號。在光發(fā)射器中，通過改變流過激光二極管的電流來添加導(dǎo)頻信號。圖 9 顯示了如何完成此操作。

圖9.光纖通信應(yīng)用中的DDS。

ADN2847半導(dǎo)體激光管驅(qū)動器的工作速率在50 Mbps至3.3 Gbps之間。IDTONE上的外部灌電流用于WDM中的光纖識別，可在最小Imod的2%至最大Imod的10%的可能范圍內(nèi)調(diào)制光一電平。AD9834產(chǎn)生調(diào)制波形，并通過控制500歐姆電阻兩端的電壓來控制IDTONE的電流吸收。IMMON上的直流電流反射調(diào)制電流，用于反饋環(huán)路，通過其R控制AD9834輸出電平設(shè)置針。

結(jié)論

直接數(shù)字合成可生成具有數(shù)字可調(diào)高分辨率相位和頻率的模擬波形，可用于測試、測量和通信中的各種應(yīng)用。集成電路DDS器件結(jié)構(gòu)緊湊，需要很少的功率和空間，成本低，易于應(yīng)用。

審核編輯：郭婷