直接數字合成（DDS）是一種用于生成任意頻率波形的技術，其輸出可以輕松地轉換或調諧到另一個頻率或相位，而不會出現不連續，相移或其他偽影。它用于無線系統中的調諧和頻率控制，無線系統必須掃描各種頻率，或支持無線通信系統，頻率捷變雷達和時域反射計（TDR）等應用中的許多離散信道。 DDS是其他合成技術（如鎖相環（PLL）和FPGA + DAC）的有吸引力的替代方案，因為它在許多應用中具有更小的占位面積，更低的功耗和更低的成本，可提供卓越的性能。

DDS的原理

DDS是一種生成不使用任何傳統“振蕩器”方法的波形的技術。相反，它使用數字存儲器和緩沖器與數字/模擬轉換器輸出級結合，合成或創建波形的幅度與時間點。此外，DDS輸出不必是正弦波;它可以是三角形，正方形或任何其他波形。請注意，盡管我們將其視為頻率合成器，但DDS的許多概念都以“相位”為中心。這不是問題，因為相位和頻率密切相關;頻率是相位的時間變化率（微分），相反，相位是頻率的時間積分。

DDS系統中有三個主要功能模塊（圖1），一個累加器（由相位寄存器和求和點組成），一個相位數字轉換器（一個存儲器模塊也稱為相位到幅度）轉換器）和數字/模擬轉換器（D/A轉換器）。它需要一個參考頻率輸入（通常來自精密或晶體時鐘），該參考頻率輸入由縮放因子分頻，縮放因子本身由二進制調諧字建立，并且是累加器的輸入。

圖1：DDS使用由調諧字控制的累加器來從系統時鐘開發子速率時鐘;然后，該衍生時鐘逐步通過相位 - 幅度/數字轉換器存儲器，其輸出驅動D/A轉換器。

相位累加器產生與所需輸出波形的相位角相對應的數字，而相位 - 數字轉換器產生在該特定相位角處發生的輸出幅度的瞬時數字分數。最后，D/A轉換器根據相角數據的值提供模擬輸出（圖2）。對于正弦波輸出，相位 - 數字轉換器只是正弦波值的查找表，但其他表格可用于其他波形。

圖2：DDS每個階段的數字和模擬波形顯示了它如何與大多數數字電路合成輸出模擬波形。

您可以將DDS操作視為遞增計數器，逐步通過相位 - 數字轉換器的查找表中的條目。要更改頻率，只需更改計數器增量的速率。考慮到DDS的核心是固定頻率參考時鐘fc，你怎么能這樣做？您可以使用固定頻率時鐘和數字控制振蕩器（NCO）來實現此目的。相位累加器按N計算，通過簡單的公式產生與fc相關的頻率Fout：

其中M是調諧字的分辨率（24到48位，取決于DDS設計） ），N是fc的脈沖數，匹配相位累加器輸出字的最小增量相位變化。因此，調諧字將輸出頻率定義為參考時鐘頻率的一部分。

要改變相位或頻率，調諧字會發生變化，輸出會直接轉換到新的頻率/相位，而不會出現任何凸起，不連續或其他不希望的失真。因此，無論是在手機還是軍用雷達干擾器中，DDS都非常適合快速，靈活的跳頻。

雖然這是一種數字技術，但D/A轉換器的性能是輸出純度和整體性能的主要因素。它可能是與全數字元件分離的IC，也可能是單個更大的IC，具體取決于所需的性能，供應商的設計和工藝能力，成本和測試問題。幾乎所有DDS應用都需要高分辨率，高速，高性能的D/A轉換器。

性能參數

由于D/A轉換器是關鍵，其規格通常會限制DDS性能。幸運的是，有許多獨立的D/A轉換器或單芯片DDS + D/A轉換器組件具有非常好的性能，因此該技術非常有用。

D/A轉換器輸出是一系列不同的振幅點，而不是平滑的正弦波（或其他波形）。對于最常見的情況，即正弦波，D/A轉換器輸出是一串具有正弦時間包絡的脈沖。在頻域中，這對應于基頻和其別名（圖像），具有通常的sin x/x包絡（圖3）。

低通濾波器用于衰減這些圖像并提高基波（基帶）正弦輸出的純度。由于第一幅圖像的幅度僅比基波幅度低3 dB，因此該濾波器的設計及其抑制圖像的方式至關重要。遵循奈奎斯特采樣標準，最大輸出頻率是D/A轉換器輸出更新速率的一半。

圖3：D/A轉換器的輸出具有通常的sin x/x滾降，此處顯示300 MHz時鐘和80 MHz正弦波輸出。

關鍵DDS規范包括：

無雜散動態范圍（SFDR）是基波信號與輸出中最強雜散信號的強度比。它是DAC輸出端的最大信號分量，載波或基波的RMS值與下一個最大雜散輸出（雜散）分量的RMS值之比;它通常以dBc（相對于載波的dB）來測量，通常具有60到100 dBc之間的值。

相位噪聲和抖動（各種源）在很多方面對同一誤差源有兩種觀點，在頻域（相位）或時域（抖動）。源包括參考時鐘中的抖動，該抖動位于實際DDS電路之外但仍會影響最終性能。

D/A轉換器本身的性能。與其他DDS元素無關，存在線性度，量化誤差和其他眾所周知的轉換器誤差動態源的習慣問題。

雖然不直觀明顯，但相位寄存器輸出的任何截斷都可以導致代碼相關的錯誤。雖然二進制編碼的字不會導致這種截斷誤差，但非二進制編碼字和隨后的相位噪聲截斷誤差將在頻譜中產生雜散。

帶寬影響DDS輸出可以轉換的速率新的頻率沒有失真。

可用的DDS組件和套件

供應商提供可用于構建DDS功能的組件，以及單IC解決方案。此外，它們還提供評估套件，簡化測試和評估，同時消除與布局和PC板設計相關的問題。

Intersil的ISL5314是一個完整的DDS功能，采用48引腳封裝（圖4）。它包括一個14位D/A轉換器，可提供125 Msamples/s的樣本更新速率。 16位NCO（DAC向下舍入為14位）由48位中心頻率字，48位偏移頻率字和40位串行加載調諧字的總和控制。對于快速調諧，NCO通過并行接口加載，而串行接口用于整體IC控制，以減少引腳數和封裝尺寸。

圖4：Intersil的ISL5314包括一個14位D/A轉換器，用于輸出，采樣更新速率為125 Msamples/s;它由48位中心頻率字，48位偏移頻率字和40位串行調諧字的總和控制。

ADI公司的AD9952還包括一個14位D/A轉換器，但對于高達200 MHz的正弦波，最高可以達到400 Msamples/s（圖5）。相位噪聲在1 kHz時優于?120dBc/Hz，SFDR至少為80 dB。低功耗1.8 V IC（用于數字接口兼容性的5 V I/O）使用串行格式進行整體控制，并加載32位調諧字，以最大限度地減小封裝尺寸。

圖5：ADI公司的AD9952可以在高達200 MHz的正弦波下以高達400 MSsamples/s的速率進行更新;相位噪聲低于?120dBc/Hz，而SFDR》 80 dB。

為了獲得完整的性能評估，ADI公司的AD9958/PCB支持AD9958，這是一款雙通道，500 Msample/s，10位DDS IC。電路板（圖6）包括用于控制和測量AD9958的PC評估軟件，用于連接到用于設置和評估的PC的USB接口，以及具有用于電路板控制和數據的頻率掃描功能的圖形用戶界面（GUI）軟件分析。

圖6：AD9958 DDS IC的AD9958/PCB評估板包括用戶的所有相關電路，電源連接，USB接口，設置/測試/評估軟件和GUI。