直接数字频率合成控制测试、测量和通信中的波形

作者：Eva Murphy and Colm Slattery

在许多类型的设备中，生成并轻松控制各种频率和轮廓的精确波形非常重要。示例包括用于通信的具有低相位噪声和低杂散信号成分的敏捷频率源，以及用于工业和生物医学应用的简单生成频率激励。在此类应用中，能够方便且经济高效地生成可调波形是一个关键的设计考虑因素。

已经使用了各种方法，但最灵活的一种是直接数字合成器（DDS）。DDS芯片或直接数字频率合成器通过以数字形式生成时变信号，然后执行数模（D/A）转换来产生模拟波形（通常是正弦波，但三角波和方波是固有的）。DDS 器件主要是数字器件，因此它们可以在输出频率、精细频率分辨率和宽频率范围内运行之间提供快速切换。

随着设计和工艺技术的进步，当今的DDS设备非常紧凑，功耗低。目前可用的DDS设备可以产生远低于1 Hz至400 MHz的频率（基于1 GHz时钟），时间分辨率为48位。使用新工艺技术的器件成本低，加上DDS固有的卓越性能和对输出波形进行数字（重新）编程的能力，使得DDS方法与更离散和不太灵活的传统解决方案相比极具吸引力。多通道DDS器件，如2通道AD9958和4通道AD9959，允许在空间受限的系统（例如相控阵雷达/声纳、ATE、医学成像和光通信）中独立编程多达四个固有同步输出。

我们在这里的目标是让读者了解DDS在现有应用程序中的一些重要用途，并深入了解DDS设备为这些应用和其他潜在应用带来的主要好处。目前，使用DDS的两种主要应用形式是通信中的波形生成以及工业和生物医学中的信号分析。典型的其他用途包括电子物品监控（EAS）和声纳浮标系统中的海事应用。

通信系统中存在重要应用，这些系统需要具有低相位噪声和杂散的敏捷频率源，与DDS一样，具有出色的频率调谐分辨率和频谱性能。通信中其他典型的DDS用途包括生成用于WDM光信道识别的导频信号，用于锁相环（PLL）的增强可调性参考频率，作为本地振荡器，甚至用于直接传输。

在信号分析类别中，许多工业和生物医学设计使用DDS以数字方式生成频率和相位可调的可编程波形，而无需更改任何外部组件，传统波形发生器通常就是这种情况。简单的频率调整可用于定位谐振或补偿温度漂移。DDS可用作测量传感器阻抗的灵活频率激励，或为微致动器生成脉宽调制信号，或检查LAN或电话电缆中的衰减。

在工业和医学中的应用

信号发生器网络分析：当今电子产品中的许多应用都涉及收集和解码数据，用于数字信号处理、模拟测量、光纤和高频通信。

这类应用涉及用已知幅度和相位的频率激励电路或系统，并分析响应特性以提供关键系统信息。“被分析网络”（图1）可以是从电缆长度到测量/传感器系统的任何内容。典型要求是将响应信号与输入信号的相位、频率和幅度进行比较。

图1.响应测试。

在需要一系列频率进行激励的情况下，DDS芯片恰到好处，因为激励频率、相位和幅度可以通过软件以非常严格的分辨率进行控制。

该系统的工作原理是将具有已知频率、幅度和相位的信号施加到图1中的网络V2点（为简单起见，显示为无源电路）。V2点信号的幅度和相位将根据网络的特性而变化。信号V2和V1之间的时间差允许用户计算相移，幅度的变化将给出相对幅度偏移。它们的频谱差异可以提供失真的度量。知道被测系统的相位和幅度响应后，就可以计算其传递函数。

图2.系统框图。

这些应用中使用的典型频率往往为0 kHz至200 kHz，处于DDS频率处理范围的低端。对于某些应用，一个已知频率的突发可提供足够的信息;但对于大多数人来说，需要扫描网络中的一系列已知频率，并分析多个频率的相位/幅度数据。单个DDS芯片提供整个频率生成功能，使用户在数字控制网络控制所需的频率方面具有极大的灵活性。无需外部组件，用户只需能够通过其SPI接口写入DDS。DDS的输出相位通常以10位至14位分辨率进行控制，可编程相位分辨率可达<0.1度。

在图2所示的系统中，AD9834 DDS芯片用作系统的模拟激励。它由 50MHz 晶体振荡器驱动。AD9834的频率分辨率为28位，可将频率控制在0.2 Hz左右。DDS 输出幅度由外部接地电阻控制;外部增益级驱动网络。

输出由电阻RL加载，驱动低通RC滤波器，该滤波器对信号进行频带限制，并滤除时钟频率、镜像和更高频率。缓冲放大器驱动网络，此处由LRC电路表示。参考信号连接到双通道同步采样ADC（例如1位、7866 MSPS、双通道ADC的AD12）的通道1;响应信号施加到ADC的通道2。

用作系统控制器的数字信号处理器控制DDS和ADC采样。DSP通过简单的算法或通过FFT、DFT或专有算法处理系统的处理要求，还可以控制系统的任何必要的幅度和相位校准。

其他应用

类似的方法可用于许多其他应用，其变化取决于所使用的物理场和电路。示例包括提供用于测试LVDT（线性可变差动变压器）的频率扫描;使用电容式传感器进行接近感应;使用平衡线圈进行金属检测;使用化学传感器进行血液测量;使用超声波传感器进行流量测量;以及使用射频响应标签的电子物品监控 （EAS） 以防止入店行窃。

通信中的DDS

传统上，在考虑设计新的频率合成器时，有两种常见的基本方法：锁相环（PLL）和直接数字频率合成。选择并不总是明确的;通常，设计人员必须做出权衡或设计额外的电路，以弥补所选技术的弱点。

然而，现在PLL和DDS电路都可以作为低成本元件使用，考虑设计一种结合这两种技术的混合电路变得切实可行，从而消除了权衡取舍。设计人员可以利用这两种方法获得优于单个PLL或DDS设计的整体解决方案。我们将讨论具有以下优点的方法：

精细的频率分辨率

快速切换动作

快速建立时间

宽带

功耗极低

低相位噪声和杂散噪声

本文将讨论两种不同的PLL/DDS混合频率合成器：DDS为PLL提供精细可调基准，以及具有DDS产生的本振（LO）频率内部偏移的PLL。

PLL的微调基准：图3显示了一个锁相环频率合成器，其参考频率由DDS的滤波输出产生。通过使用混合解决方案，DDS的调谐分辨率可以将整个系统的可调谐性提高到单独使用PLL无法实现的水平。

在本例中，PLL由一个整数N分频ADF4106频率合成器、一个外部环路滤波器和VCO组成。这种配置允许设计人员选择满足频率条件的VCO和满足应用需求的环路滤波器。基准电压源由AD9834 DDS产生，后接滤波器和可选的匹配分压器，以降低噪声和杂散。

DDS具有28位调谐字，允许对参考频率进行非常窄的调谐，从而比使用小数N分频PLL更方便地微调输出频率。

例如，如果VCO的频率范围为100 MHz至500 MHz，并且DDS输出在5 MHz附近，则N的范围为20至100。N 的每一步产生 5 MHz 步长的输出频率（100 MHz、105 MHz、110 MHz 等）但是，只需调整写入频率寄存器的十六进制数，AD9834的输出就可以以较小的增量进行设置。AD9834可以以小至0.2 Hz的增量调谐，时钟速率为50 MHz。这导致对混合 PLL/DDS 进行非常精细的调整。

理想情况下，基准电压源应具有低相位噪声和杂散音。DDS输出确实具有低相位噪声，但其杂散成分可能需要在某些频率下解决。杂散是由于相位累加器之后的截断，导致特定采样/输出频率组合下的杂散成分增加。通过额外的滤波和仔细选择采样计划，可以将这些杂散降至最低。

如果开关速度不重要，则可以使PLL带宽极窄，以排除基准杂散;然后相位噪声和杂散仅限于VCO的相位噪声和杂散。如果VCO是干净的，这可能是获得具有宽带宽、精细分辨率、良好杂散噪声、小尺寸和极低功耗（尽管频率之间切换缓慢）的合成器的最简单方法。

为了利用DDS的快速开关能力和高分辨率，需要更宽的PLL环路带宽，这使得滤波器和可选分频器对于低噪声和杂散非常重要。请注意，PLL会增加杂散音的幅度，但不会增加它们与基准的频率偏移。因此，图3中的滤波器需要将DDS产生的杂散音和噪声限制在窄带宽内。倍频N后，噪声和杂散音将增加20 log（N），但仅在滤波器带宽内。最终，滤波器带宽和中心频率的选择是在开关速度、噪声性能和连续频率覆盖需求之间进行权衡。

图3.DDS作为PLL的参考频率发生器。

具有由DDS产生的内部失调频率的PLL：图4所示为锁相环频率合成器，其内部失调频率由DDS产生。

图4.AD9834 DDS为ADF41xx PLL产生频率失调。

该电路使用精细设置的DDS频率来调制本振频率，产生和/差频率，当滤波时，该频率调制参考频率，产生输出频率，

这类似于多环路频率合成器设计，不同之处在于细频步进PLL环路被单个DDS取代。这种混合频率合成器中DDS的精细频率分辨率可以提供比具有许多环路的PLL更好的频率分辨率。

PLL提供粗略的步进，和以前一样，PLL输出频率（使用本地振荡器）与输入参考频率具有相同的基本分辨率，f裁判.DDS 在每个粗略步骤之间提供精细步长，因此最终输出步长是 DDS 的步长。使用具有9834 MHz主时钟的AD50时，步长可达0.2 Hz。

数据编码中的 DDS

由于DDS器件使频率和相位的调整变得容易，因此它们在将相位和频率调制数据编码到载波上时特别有用。这里有两个相关的应用，可以追溯到无线电报的早期。

FSK 编码：二进制频移键控 （FSK） 是最简单的数据编码形式之一。通过将连续载波的频率移动到两个离散频率中的一个或另一个（二进制操作）来传输数据。一个频率（f1）被指定为“标记”频率（二进制一）和另一个（f0） 作为“空间”频率（二进制零）。图5显示了数据和传输信号之间的关系。

图5.FSK 调制。

这种编码方案可以使用DDS轻松实现。表示输出频率变化的DDS频率调谐字以产生f0和 f1与要传输的 1 和 0 模式同步。用户在传输之前将对应于所选频率的调谐字编程到设备中。对于AD9834，两个频率寄存器可用于FSK编码。器件上的专用引脚 （FSELECT） 用于选择与相应调谐字相对应的频率寄存器。图 6 中的框图演示了 FSK 编码的实现。

图6.基于 DDS 的 FSK 编码器。

PSK 编码：相移键控 （PSK） 是另一种简单的数据编码形式。在PSK中，当载波的频率保持恒定时，传输信号的相位会发生变化以传达信息。

有多种方案可用于完成 PSK。仅使用两个信号相位（0°和180°）的最简单方法通常称为二进制PSK（BPSK）。0° 对应于逻辑 1，180° 对应于逻辑 0。接收到的每个位的状态根据前一个位的状态确定。如果波的相位没有改变，则信号状态保持不变（低或高）。如果波的相位反转，即变化180°，则信号状态发生变化（从低到高，或从高到低）。

使用 DDS 产品可轻松实现 PSK 编码。大多数器件都有一个单独的输入寄存器（相位寄存器），可以加载相位值。该值直接添加到载波的相位中，而不改变其频率。更改此寄存器的内容会调制载波的相位（从而产生PSK输出信号）。对于需要高速调制的应用，AD9834允许使用专用输入引脚（PSELECT）选择预加载相位寄存器;切换此引脚可根据需要调制载波。

可以使用其他相位角。更复杂的PSK形式采用四个或八个不同的阶段。这允许二进制数据以比BPSK调制更快的每次相变速率传输。例如，在四相调制正交PSK（QPSK）中，可能的相位角为0°、+90°、–90°和180°;每个相移可以代表两个数据位。AD9830、AD9831、AD9832和AD9835提供四相寄存器，可通过不断更新寄存器的不同相位偏移来实现复杂的相位调制方案。

声浮标应用：DDS在声纳浮标通信中很有用。声纳浮标是一种位于水中并捕获海洋中环境声音的设备。声纳浮标的常见应用是探测、定位、识别和跟踪地震事件和水下目标，如潜艇和鲸鱼。声纳浮标阵列可用于确定目标位置、速度和方向。

声纳浮标有四个主要组件：浮子、无线电收发器、电池和水听器。水听器是一种水下传感器，可将声压波转换为电压，这些电压被放大并发送到水面浮子。无线电信号由天线和无线电接收器拾取，通常在飞机或船上。

主动声纳浮标传输声波，声波从物体上反弹。到物体的距离和方向可以从反射信号确定。换能器用于将声波引入水中并操纵回波，然后将其放大以进行VHF无线电传输。被动声纳浮标不发出任何声音;他们只是坐下来听传入的声音。在这两种情况下，数据都传输回船舶或飞机，通常使用扩频通信，其中频率被快速跳跃以类似于随机噪声。DDS通常用于在发射和接收部分提供跳频。

AD9834非常适合用作声纳浮标发射器部分的捷变频率源（图7）。传输的典型频率为 136 MHz 至 174 MHz。

图7.声纳浮标发射部分的DDS。

用于GPS位置定位的典型接收器框图如图8所示。

图8.DDS在声纳浮标的接收部分。

声纳浮标的接收部分由GPS天线、低噪声放大器和下变频前端级组成。下变频由DDS驱动。来自前端的信号被采样和数字化，产生的数据流（包含天线范围内所有GPS卫星的扩频数据）被传递给相关器进行扩频处理。相关过程的输出由 CPU 转换以提供声纳浮标的坐标。

DDS因其微调功能而为发射器和接收器提供了优势。AD25/AD9833的低功耗（9834 mW）和低成本使其成为电池供电一次性应用（如声纳浮标）的理想解决方案。

光纤通道识别： 与铜芯技术相比，通过光纤电缆使用光波进行通信大大增加了带宽和容量。通过使用波分复用（WDM）能够以相对较低的成本提供的多通道，容量进一步增加。

WDM涉及从各种同步输入数据流中组合单独的光波长（颜色），并通过单根光纤传输这些通道的总和（“白光”）。不同的协议可以在同一链路中混合使用。在接收端，光被分离成其组件，并进行解调。

尽管所有信号同时传输，但希望确定信号来自哪个通道。区分通道的一种方法是在每个通道的数字数据中添加具有可识别参数（例如幅度、频率、相位等）的导频信号。在光发射器中，通过改变流过激光二极管的电流来添加导频信号。图 9 显示了如何完成此操作。

图9.光纤通信应用中的DDS。

ADN2847半导体激光管驱动器的工作速率在50 Mbps至3.3 Gbps之间。IDTONE上的外部灌电流用于WDM中的光纤识别，可在最小Imod的2%至最大Imod的10%的可能范围内调制光一电平。AD9834产生调制波形，并通过控制500欧姆电阻两端的电压来控制IDTONE的电流吸收。IMMON上的直流电流反射调制电流，用于反馈环路，通过其R控制AD9834输出电平设置针。

结论

直接数字合成可生成具有数字可调高分辨率相位和频率的模拟波形，可用于测试、测量和通信中的各种应用。集成电路DDS器件结构紧凑，需要很少的功率和空间，成本低，易于应用。

审核编辑：郭婷