适用于测试和通信波形应用的直接数字合成技术

在许多种设备中，重要的是生产并容易控制各种频率和轮廓的精确波形。例子包括具有低相位噪声和低通信信号含量的敏捷频率源，以及简单地为工业和生物医学应用产生的频率刺激。在这些应用中，能够方便且经济地生成可调波形的能力是一个关键的设计考虑因素。

已经使用了各种方法，但最灵活的方法是直接数字合成器 （DDS）。 DDS芯片或直接数字合成器产生模拟波形 - 通常是正弦波，但三角波和方波是固有的 - 通过以数字形式生成时变信号然后执行数字 - 模拟（D / A）转换。 DDS器件主要是数字设备，因此它们可以在输出频率，精细频率分辨率和广泛频率范围内的操作之间快速切换。

随着设计和工艺技术的进步，今天的DDS设备非常紧凑并且消耗很少的力量。目前可用的DDS设备可以生成从1 Hz到400 MHz（基于1 GHz时钟）的频率，时间分辨率为48位。使用新工艺技术的低成本 - 结合DDS本身卓越的性能和数字（重新）编程输出波形的能力 - 使得DDS方法与更加分散且不太灵活的传统解决方案相比极具吸引力。多通道DDS器件，例如2通道AD9958和4通道AD9959，允许在空间受限系统中独立编程多达4个固有同步输出（例如，相控阵雷达/声纳，ATE，医学成像和光学我们的目标是让读者了解DDS在现有应用中的一些重要用途，并深入了解DDS设备为这些和其他设备带来的主要优势。潜在的应用。目前，使用DDS的两种主要应用形式是通信中的波形生成 - 以及行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视（EAS）和声纳浮标系统中的海事应用。

通信系统中存在重要的应用，这些通信系统需要灵活的频率源，具有低相位噪声和杂散，并且与DDS相结合，具有出色的频率调谐分辨率和频谱性能。通信中使用的其他典型DDS包括生成用于WDM光信道识别的导频信号，用于锁相环（PLL）的增强可调参考频率，作为本地振荡器，或甚至用于直接传输。

在信号分析类别中，许多工业和生物医学设计使用DDS以可轻松调节的频率和相位数字生成可编程波形，而无需更换任何外部元件，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共振或补偿温度漂移。 DDS可用作测量传感器阻抗的灵活频率激励，或用于为微致动器生成脉冲宽度调制信号，或用于检查LAN或电话线中的衰减。

工业和医学中的应用< / h3>

信号发生器网络分析：当今电子产品中的许多应用都涉及数据信号处理，模拟测量，光纤和高频通信的数据采集和解码。

这类应用涉及激励具有已知幅度和相位频率的电路或系统，并分析响应的特征以提供关键系统信息。 “正在分析的网络”（图1）可以是从一定长度的电缆到测量/传感器系统的任何东西。典型的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。

激励需要一系列频率，DDS芯片恰到好处，因为刺激频率，相位和幅度可以通过非常紧密的分辨率进行软件控制。

系统通过将具有已知频率，幅度和相位的信号应用于图2中的网络的点V1（为简单起见，显示为无源电路）来工作。点V2处的信号的幅度和相位将根据不同而变化。网络的特点。信号V2和V1之间的时间差允许用户计算相移，并且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度量。了解被测系统的相位和幅度响应，可以计算其传递函数。

这些应用中使用的典型频率往往为0 kHz至200 kHz，在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提供了足够的信息;但是对于大多数人来说，需要在网络上扫描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，为用户提供了数字控制网络控制所需频率的极大灵活性。由于不需要外部组件，用户只需要通过其SPI接口写入DDS。 DDS的输出相位通常可通过10位至14位分辨率进行控制，可编程相位分辨率<0.1度。

在图2系统中，使用AD9834 DDS芯片作为系统的模拟刺激。它由50 MHz晶体振荡器驱动。 AD9834的频率分辨率为28位，允许将频率控制在0.2 Hz左右。 DDS输出幅度由外部对地电阻控制;外部增益级驱动网络。

由电阻器RL加载的输出驱动一个低通RC滤波器，对信号进行频带限制，滤除时钟频率，图像和更高频率。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的通道1（例如12位，1-MSPS，双通道AD7866）;响应信号应用于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通过简单的算术或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

在许多其他应用中可以使用类似的方法，其变化取决于所采用的物理和电路。例子包括提供用于测试LVDT（线性可变差动变压器）的频率扫描;使用电容传感器进行接近感应;使用平衡线圈检测金属;使用化学传感器测量血液;使用超声波传感器测量流量和电子商品监控（EAS） - 防止入店行窃 - 使用RF响应标签。

通信中的DDS

经典地，在考虑新频率合成器的设计时，有两种基本方法一直很常见：锁相环（PLL）和直接数字合成。选择并不总是明确的;通常，设计人员必须进行权衡或设计额外的电路来弥补所选技术的弱点。

然而，既然PLL和DDS电路都可用作低成本元件，那么考虑设计一种结合两种技术的混合电路正在变得切合实际，从而消除了折衷。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：

精细频率分辨率

快速切换动作

快速建立时间

宽带宽

功耗极低

低相位噪声和杂散噪声

这里将讨论两种不同的PLL / DDS混合频率合成器--DDS为PLL提供精细可调参考，以及由DDS产生的本振（LO）频率产生内部偏移的PLL。

PLL的精细可调参考：< / strong>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性提高到单独使用PLL所不能达到的水平。

在本例中，PLL由整数N ADF4106组成。频率合成器，外加环路滤波器和VCO。此配置允许设计人员选择满足频率条件的VCO和环路滤波器以满足应用需求。该参考电压由AD9834 DDS产生，后接一个滤波器和可选的匹配分频器，用于降低噪声和杂散。

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更方便地调整输出频率。

例如，如果VCO的频率范围为100 MHz至500 MHz，并且DDS输出位于5 MHz附近，则N的范围为20至100. N的每一步结果为5 -MHz输出频率步长（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，即可以小幅增加AD9834的输出。 AD9834可以以小至0.2 Hz的增量进行调谐，时钟频率为50 MHz。这样可以非常精细地调制混合PLL / DDS。

理想情况下，参考将具有低相位噪声和杂散音调。 DDS输出确实具有低相位噪声，但其杂散内容可能需要在某些频率下进行寻址。杂散是由于相位累加器之后的截断，这导致在特定采样/输出频率组合处的杂散含量增加。这些杂散可以通过额外的滤波和仔细选择采样计划来最小化。

如果切换速度不重要，可以使PLL带宽极窄，以排除参考杂散;那么相位噪声和杂散仅限于VCO。如果VCO是干净的，这可能是获得具有宽带宽，高分辨率，良好杂散噪声，小尺寸和极低功率的合成器的最简单方法，尽管频率之间的切换速度很慢。

为了利用DDS的快速切换能力以及高分辨率，需要更宽的PLL环路带宽 - 使滤波器和可选分频器对低噪声和杂散非常重要。请注意，PLL会增加寄生音的幅度，但不会增加它们与参考频率的偏移。因此，图3中的滤波器必须将DDS产生的杂散音和噪声限制在窄带宽内。频率乘以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开关速度，噪声性能和连续频率覆盖需求之间的权衡。

具有内部偏移的PLL DDS产生的频率：图4显示了一个锁相环合成器，其内部偏移频率由DDS产生。

该电路使用精确设置的DDS频率调制本地振荡器频率，产生和/差频率，当滤波时，调制参考频率，产生输出频率，

这类似于多回路合成器设计，除了罚款 - 频率步进PLL环路由单个DDS代替。与具有许多环路的PLL相比，该混合频率合成器中DDS的精细频率分辨率可以提供更好的频率分辨率。

PLL提供粗调步骤，如前所述，PLL输出频率（使用本地振荡器）具有与输入参考频率相同的基本分辨率， f REF 。 DDS在每个粗调步骤之间提供精细步骤，因此最终输出步长是DDS的步长。使用具有50 MHz主时钟的AD9834，可以实现0.2 Hz的步长。

数据编码中的DDS

因为DDS设备可以轻松调整频率和相位，它们在将相位和频率调制数据编码到载波上时特别有用。以下是两个相关的应用程序，可以追溯到无线电报的早期阶段。

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位到两个离散频率中的一个或另一个来发送数据（二进制操作）。一个频率（f 1 ）被指定为“标记”频率（二进制一个）而另一个频率（f 0 ）被指定为“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。

这种编码方案很容易使用DDS实现。表示输出频率的DDS频率调谐字改变，以便与要发送的1和0的模式同步地产生f 0 和f 1 。用户在发送之前将对应于所选频率的调谐字编程到设备中。对于AD9834，可以方便地使用两个频率寄存器进行FSK编码。器件上的专用引脚（FSELECT）用于选择与相应调谐字对应的频率寄存器。图6中的框图演示了FSK编码的实现。

PSK编码：相移键控（PSK）是另一种简单的数据编码形式。在PSK中，当载波频率保持不变时，发送信号的相位会发生变化以传送信息。

有各种方案可用于完成PSK。最简单的方法，仅使用两个信号相位-0°和180° - 通常称为二进制PSK （BPSK）。 0°对应于逻辑1，180°对应于逻辑0.接收的每个位的状态根据前一位的状态确定。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，即改变180°，则信号状态改变（从低到高，或从高到低）。

用DDS产品很容易实现PSK编码。大多数器件都有一个独立的输入寄存器（相位寄存器），可以加载相位值。该值直接添加到载波的相位而不改变其频率。改变该寄存器的内容可调制载波的相位（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）选择预加载的相位寄存器;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调制可能的更快的每相位变化速率传输。例如，在四相调制中，正交PSK （QPSK），可能的相角为0°，+ 90°，-90°和180°;每个相移可以代表两个数据位。 AD9830，AD9831，AD9832和AD9835提供四个相位寄存器，通过不断更新寄存器的不同相位偏移，实现复杂的相位调制方案。

Sonobuoy应用程序：DDS在 sonobuoy 通信中非常有用。声纳浮标是一种位于水中并捕获海洋环境声音的设备。声纳浮标的常见应用是地震事件和水下目标（如潜艇和鲸鱼）的探测，定位，识别和跟踪。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成部分：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，然后将其放大并送到地面浮子上。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。

主动声纳波声传输声波，从物体反弹。可以从反射信号确定到物体的距离和方向。换能器用于将声波引入水中并操纵返回回波，然后将其放大以用于VHF无线电传输。被动声纳浮标不会发出任何声音;他们只是坐着听着传入的声音。在这两种情况下，数据通常使用扩频通信传输回船舶或飞机，其中频率快速跳跃以便类似于随机噪声。 DDS通常用于在发送和接收部分提供跳频。

AD9834非常适合作为发送器中的敏捷频率源声纳浮标的一部分（图7）。传输的典型频率为136 MHz至174 MHz。

用于GPS定位的典型接收器的方框图如图8所示。

声纳浮标的接收部分由GPS天线组成，低 - 噪声放大器和下变频前端级。下转换由DDS驱动。对来自前端的信号进行采样和数字化，并将得到的数据流（包含天线范围内所有GPS卫星的扩频数据）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。

由于其微调功能，DDS为发射器和接收器提供了优势。 AD9833 / AD9834的低功耗（25 mW）和低成本使其成为电池供电的一次性应用（如声纳浮标）的理想解决方案。

光纤通道识别：使用光纤通过光纤进行通信，与铜芯技术相比，带宽和容量大大增加。通过使用波分复用（WDM）可以相对较低的成本提供的多个信道，容量进一步提高。

WDM涉及组合来自各种同时输入数据流的单独光波长（颜色），并通过单根光纤传输这些信道的总和（“白”光）。可以在同一链路中混合使用不同的协议。在接收端，光被分离成其分量并被解调。

虽然所有信号同时发送，但是需要识别信号源自哪个信道。区分信道的一种方法是向每个信道的数字数据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增加导频信号。图9显示了这是如何完成的。

ADN2847激光二极管驱动器的工作速率介于50 Mbps和3.3 Gbps之间。 IDTONE上的外部吸收电流，用于WDM中的光纤识别，在最小Imod的2％到最大Imod的10％的可能范围内调制光学级别。 AD9834通过控制500欧姆电阻上的电压来产生调制波形并控制IDTONE的电流吸收。反馈调制电流的IMMON上的直流电流用于反馈环路，通过其R SET 引脚控制AD9834输出电平。

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，适用于测试，测量和通信中的各种应用。集成电路DDS器件结构紧凑，功耗和空间小，成本低，易于应用。