在許多種設備中，重要的是生產并容易控制各種頻率和輪廓的精確波形。例子包括具有低相位噪聲和低通信信號含量的敏捷頻率源，以及簡單地為工業和生物醫學應用產生的頻率刺激。在這些應用中，能夠方便且經濟地生成可調波形的能力是一個關鍵的設計考慮因素。

已經使用了各種方法，但最靈活的方法是直接數字合成器 （DDS）。 DDS芯片或直接數字合成器產生模擬波形 - 通常是正弦波，但三角波和方波是固有的 - 通過以數字形式生成時變信號然后執行數字 - 模擬（D / A）轉換。 DDS器件主要是數字設備，因此它們可以在輸出頻率，精細頻率分辨率和廣泛頻率范圍內的操作之間快速切換。

隨著設計和工藝技術的進步，今天的DDS設備非常緊湊并且消耗很少的力量。目前可用的DDS設備可以生成從1 Hz到400 MHz（基于1 GHz時鐘）的頻率，時間分辨率為48位。使用新工藝技術的低成本 - 結合DDS本身卓越的性能和數字（重新）編程輸出波形的能力 - 使得DDS方法與更加分散且不太靈活的傳統解決方案相比極具吸引力。多通道DDS器件，例如2通道AD9958和4通道AD9959，允許在空間受限系統中獨立編程多達4個固有同步輸出（例如，相控陣雷達/聲納，ATE，醫學成像和光學我們的目標是讓讀者了解DDS在現有應用中的一些重要用途，并深入了解DDS設備為這些和其他設備帶來的主要優勢。潛在的應用。目前，使用DDS的兩種主要應用形式是通信中的波形生成 - 以及行業和生物醫學中的信號分析。典型的其他用途包括電子物品監視（EAS）和聲納浮標系統中的海事應用。

通信系統中存在重要的應用，這些通信系統需要靈活的頻率源，具有低相位噪聲和雜散，并且與DDS相結合，具有出色的頻率調諧分辨率和頻譜性能。通信中使用的其他典型DDS包括生成用于WDM光信道識別的導頻信號，用于鎖相環（PLL）的增強可調參考頻率，作為本地振蕩器，或甚至用于直接傳輸。

在信號分析類別中，許多工業和生物醫學設計使用DDS以可輕松調節的頻率和相位數字生成可編程波形，而無需更換任何外部元件，傳統波形發生器通常就是這種情況。簡單的頻率調整可用于定位共振或補償溫度漂移。 DDS可用作測量傳感器阻抗的靈活頻率激勵，或用于為微致動器生成脈沖寬度調制信號，或用于檢查LAN或電話線中的衰減。

工業和醫學中的應用< / h3>

信號發生器網絡分析：當今電子產品中的許多應用都涉及數據信號處理，模擬測量，光纖和高頻通信的數據采集和解碼。

這類應用涉及激勵具有已知幅度和相位頻率的電路或系統，并分析響應的特征以提供關鍵系統信息。 “正在分析的網絡”（圖1）可以是從一定長度的電纜到測量/傳感器系統的任何東西。典型的要求是將響應信號與輸入信號的相位，頻率和幅度進行比較。

激勵需要一系列頻率，DDS芯片恰到好處，因為刺激頻率，相位和幅度可以通過非常緊密的分辨率進行軟件控制。

系統通過將具有已知頻率，幅度和相位的信號應用于圖2中的網絡的點V1（為簡單起見，顯示為無源電路）來工作。點V2處的信號的幅度和相位將根據不同而變化。網絡的特點。信號V2和V1之間的時間差允許用戶計算相移，并且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度量。了解被測系統的相位和幅度響應，可以計算其傳遞函數。

這些應用中使用的典型頻率往往為0 kHz至200 kHz，在DDS頻率處理范圍的低端。對于某些應用，一個已知頻率的突發提供了足夠的信息;但是對于大多數人來說，需要在網絡上掃描一系列已知頻率并分析多個頻率的相位/幅度數據。單個DDS芯片提供整個頻率生成功能，為用戶提供了數字控制網絡控制所需頻率的極大靈活性。由于不需要外部組件，用戶只需要通過其SPI接口寫入DDS。 DDS的輸出相位通常可通過10位至14位分辨率進行控制，可編程相位分辨率<0.1度。

在圖2系統中，使用AD9834 DDS芯片作為系統的模擬刺激。它由50 MHz晶體振蕩器驅動。 AD9834的頻率分辨率為28位，允許將頻率控制在0.2 Hz左右。 DDS輸出幅度由外部對地電阻控制;外部增益級驅動網絡。

由電阻器RL加載的輸出驅動一個低通RC濾波器，對信號進行頻帶限制，濾除時鐘頻率，圖像和更高頻率。緩沖放大器驅動網絡，此處由LRC電路表示。參考信號連接到雙通道同步采樣ADC的通道1（例如12位，1-MSPS，雙通道AD7866）;響應信號應用于ADC的通道2.

用作系統控制器的數字信號處理器控制DDS和ADC采樣。 DSP通過簡單的算術或FFT，DFT或專有算法處理系統的處理要求，還可以控制系統的任何必要的幅度和相位校準。

其他應用

在許多其他應用中可以使用類似的方法，其變化取決于所采用的物理和電路。例子包括提供用于測試LVDT（線性可變差動變壓器）的頻率掃描;使用電容傳感器進行接近感應;使用平衡線圈檢測金屬;使用化學傳感器測量血液;使用超聲波傳感器測量流量和電子商品監控（EAS） - 防止入店行竊 - 使用RF響應標簽。

通信中的DDS

經典地，在考慮新頻率合成器的設計時，有兩種基本方法一直很常見：鎖相環（PLL）和直接數字合成。選擇并不總是明確的;通常，設計人員必須進行權衡或設計額外的電路來彌補所選技術的弱點。

然而，既然PLL和DDS電路都可用作低成本元件，那么考慮設計一種結合兩種技術的混合電路正在變得切合實際，從而消除了折衷。設計人員可以利用這兩種方法獲得優于單個PLL或DDS設計的整體解決方案。我們將討論具有以下優點的方法：

精細頻率分辨率

快速切換動作

快速建立時間

寬帶寬

功耗極低

低相位噪聲和雜散噪聲

這里將討論兩種不同的PLL / DDS混合頻率合成器--DDS為PLL提供精細可調參考，以及由DDS產生的本振（LO）頻率產生內部偏移的PLL。

PLL的精細可調參考：< / strong>圖3顯示了一個鎖相環頻率合成器，其參考頻率由DDS的濾波輸出產生。通過使用混合解決方案，DDS的調諧分辨率可以將整個系統的可調性提高到單獨使用PLL所不能達到的水平。

在本例中，PLL由整數N ADF4106組成。頻率合成器，外加環路濾波器和VCO。此配置允許設計人員選擇滿足頻率條件的VCO和環路濾波器以滿足應用需求。該參考電壓由AD9834 DDS產生，后接一個濾波器和可選的匹配分頻器，用于降低噪聲和雜散。

DDS具有28位調諧字，允許對參考頻率進行非常窄的調諧，從而比使用小數N分頻PLL更方便地調整輸出頻率。

例如，如果VCO的頻率范圍為100 MHz至500 MHz，并且DDS輸出位于5 MHz附近，則N的范圍為20至100. N的每一步結果為5 -MHz輸出頻率步長（100 MHz，105 MHz，110 MHz等）但是，只需調整寫入頻率寄存器的十六進制數，即可以小幅增加AD9834的輸出。 AD9834可以以小至0.2 Hz的增量進行調諧，時鐘頻率為50 MHz。這樣可以非常精細地調制混合PLL / DDS。

理想情況下，參考將具有低相位噪聲和雜散音調。 DDS輸出確實具有低相位噪聲，但其雜散內容可能需要在某些頻率下進行尋址。雜散是由于相位累加器之后的截斷，這導致在特定采樣/輸出頻率組合處的雜散含量增加。這些雜散可以通過額外的濾波和仔細選擇采樣計劃來最小化。

如果切換速度不重要，可以使PLL帶寬極窄，以排除參考雜散;那么相位噪聲和雜散僅限于VCO。如果VCO是干凈的，這可能是獲得具有寬帶寬，高分辨率，良好雜散噪聲，小尺寸和極低功率的合成器的最簡單方法，盡管頻率之間的切換速度很慢。

為了利用DDS的快速切換能力以及高分辨率，需要更寬的PLL環路帶寬 - 使濾波器和可選分頻器對低噪聲和雜散非常重要。請注意，PLL會增加寄生音的幅度，但不會增加它們與參考頻率的偏移。因此，圖3中的濾波器必須將DDS產生的雜散音和噪聲限制在窄帶寬內。頻率乘以N后，噪聲和雜散音將增加20 log（N），但僅在濾波器帶寬內。最終，濾波器帶寬和中心頻率的選擇是開關速度，噪聲性能和連續頻率覆蓋需求之間的權衡。

具有內部偏移的PLL DDS產生的頻率：圖4顯示了一個鎖相環合成器，其內部偏移頻率由DDS產生。

該電路使用精確設置的DDS頻率調制本地振蕩器頻率，產生和/差頻率，當濾波時，調制參考頻率，產生輸出頻率，

這類似于多回路合成器設計，除了罰款 - 頻率步進PLL環路由單個DDS代替。與具有許多環路的PLL相比，該混合頻率合成器中DDS的精細頻率分辨率可以提供更好的頻率分辨率。

PLL提供粗調步驟，如前所述，PLL輸出頻率（使用本地振蕩器）具有與輸入參考頻率相同的基本分辨率， f REF 。 DDS在每個粗調步驟之間提供精細步驟，因此最終輸出步長是DDS的步長。使用具有50 MHz主時鐘的AD9834，可以實現0.2 Hz的步長。

數據編碼中的DDS

因為DDS設備可以輕松調整頻率和相位，它們在將相位和頻率調制數據編碼到載波上時特別有用。以下是兩個相關的應用程序，可以追溯到無線電報的早期階段。

FSK編碼：二進制頻移鍵控 （FSK）是最簡單的數據編碼形式之一。通過將連續載波的頻率移位到兩個離散頻率中的一個或另一個來發送數據（二進制操作）。一個頻率（f 1 ）被指定為“標記”頻率（二進制一個）而另一個頻率（f 0 ）被指定為“空間” “頻率（二進制零）。圖5顯示了數據和傳輸信號之間的關系。

這種編碼方案很容易使用DDS實現。表示輸出頻率的DDS頻率調諧字改變，以便與要發送的1和0的模式同步地產生f 0 和f 1 。用戶在發送之前將對應于所選頻率的調諧字編程到設備中。對于AD9834，可以方便地使用兩個頻率寄存器進行FSK編碼。器件上的專用引腳（FSELECT）用于選擇與相應調諧字對應的頻率寄存器。圖6中的框圖演示了FSK編碼的實現。

PSK編碼：相移鍵控（PSK）是另一種簡單的數據編碼形式。在PSK中，當載波頻率保持不變時，發送信號的相位會發生變化以傳送信息。

有各種方案可用于完成PSK。最簡單的方法，僅使用兩個信號相位-0°和180° - 通常稱為二進制PSK （BPSK）。 0°對應于邏輯1，180°對應于邏輯0.接收的每個位的狀態根據前一位的狀態確定。如果波的相位沒有改變，則信號狀態保持不變（低或高）。如果波的相位反轉，即改變180°，則信號狀態改變（從低到高，或從高到低）。

用DDS產品很容易實現PSK編碼。大多數器件都有一個獨立的輸入寄存器（相位寄存器），可以加載相位值。該值直接添加到載波的相位而不改變其頻率。改變該寄存器的內容可調制載波的相位（從而產生PSK輸出信號）。對于需要高速調制的應用，AD9834允許使用專用輸入引腳（PSELECT）選擇預加載的相位寄存器;切換此引腳可根據需要調制載波。

可以使用其他相位角。更復雜的PSK形式采用四個或八個不同的階段。這允許二進制數據以比BPSK調制可能的更快的每相位變化速率傳輸。例如，在四相調制中，正交PSK （QPSK），可能的相角為0°，+ 90°，-90°和180°;每個相移可以代表兩個數據位。 AD9830，AD9831，AD9832和AD9835提供四個相位寄存器，通過不斷更新寄存器的不同相位偏移，實現復雜的相位調制方案。

Sonobuoy應用程序：DDS在 sonobuoy 通信中非常有用。聲納浮標是一種位于水中并捕獲海洋環境聲音的設備。聲納浮標的常見應用是地震事件和水下目標（如潛艇和鯨魚）的探測，定位，識別和跟蹤。聲納浮標陣列可用于確定目標位置，速度和方向。

聲納浮標有四個主要組成部分：浮子，無線電收發器，電池和水聽器。水聽器是一種水下傳感器，可將聲壓波轉換為電壓，然后將其放大并送到地面浮子上。無線電信號由天線和無線電接收器拾取，通常在飛機或船上。

主動聲納波聲傳輸聲波，從物體反彈?？梢詮姆瓷湫盘柎_定到物體的距離和方向。換能器用于將聲波引入水中并操縱返回回波，然后將其放大以用于VHF無線電傳輸。被動聲納浮標不會發出任何聲音;他們只是坐著聽著傳入的聲音。在這兩種情況下，數據通常使用擴頻通信傳輸回船舶或飛機，其中頻率快速跳躍以便類似于隨機噪聲。 DDS通常用于在發送和接收部分提供跳頻。

AD9834非常適合作為發送器中的敏捷頻率源聲納浮標的一部分（圖7）。傳輸的典型頻率為136 MHz至174 MHz。

用于GPS定位的典型接收器的方框圖如圖8所示。

聲納浮標的接收部分由GPS天線組成，低 - 噪聲放大器和下變頻前端級。下轉換由DDS驅動。對來自前端的信號進行采樣和數字化，并將得到的數據流（包含天線范圍內所有GPS衛星的擴頻數據）傳遞給相關器進行擴頻處理。相關過程的輸出由CPU轉換，以提供聲納浮標的坐標。

由于其微調功能，DDS為發射器和接收器提供了優勢。 AD9833 / AD9834的低功耗（25 mW）和低成本使其成為電池供電的一次性應用（如聲納浮標）的理想解決方案。

光纖通道識別：使用光纖通過光纖進行通信，與銅芯技術相比，帶寬和容量大大增加。通過使用波分復用（WDM）可以相對較低的成本提供的多個信道，容量進一步提高。

WDM涉及組合來自各種同時輸入數據流的單獨光波長（顏色），并通過單根光纖傳輸這些信道的總和（“白”光）。可以在同一鏈路中混合使用不同的協議。在接收端，光被分離成其分量并被解調。

雖然所有信號同時發送，但是需要識別信號源自哪個信道。區分信道的一種方法是向每個信道的數字數據添加具有可識別參數（例如幅度，頻率，相位等）的導頻信號。在光發射器中，通過改變流過激光二極管的電流來增加導頻信號。圖9顯示了這是如何完成的。

ADN2847激光二極管驅動器的工作速率介于50 Mbps和3.3 Gbps之間。 IDTONE上的外部吸收電流，用于WDM中的光纖識別，在最小Imod的2％到最大Imod的10％的可能范圍內調制光學級別。 AD9834通過控制500歐姆電阻上的電壓來產生調制波形并控制IDTONE的電流吸收。反饋調制電流的IMMON上的直流電流用于反饋環路，通過其R SET 引腳控制AD9834輸出電平。

結論

直接數字合成，可生成具有數字可調高分辨率相位和頻率的模擬波形，適用于測試，測量和通信中的各種應用。集成電路DDS器件結構緊湊，功耗和空間小，成本低，易于應用。