浅议DDS技术设计信号发生器的优点

　　【摘要】本文论述了信号发生器在现代电子学中的重要应用，分析比较了信号发生器的几种实现方法，并最终对DDS技术设计信号发生器的优点进行了分析。
　　【关键词】信号发生器，实现方法，DDS技术
　　0引言
　　在现代电子学的各个领域，常常需要高精度且频率可方便调节的信号发生器。信号发生器又称信号源或振荡器，它可以根据需要生成不同频率和幅度的多种信号，在生产实践和科技领域中具有十分广泛的用途。例如在电路实验和设备检测中利用信号发生器输出的信号，可以对元器件的性能及参数进行测量，还可以对电工和电子产品进行指数验证、参数调整及性能鉴定；在通信、广播、电视系统中，利用信号发生器可以产生将音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去的高频载波；在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的信号发生器。
　　1信号发生器的实现方法
　　自第一部正弦波发生器问世以来，信号发生器的设计已经发生了多次演进，信号发生器的实现方法通常有以下几种：
　　(1)用分立元件组成的信号发生器：通常是单函数发生器且频率不高，其工作不很稳定，不易调试。
　　(2)可以由晶体管、运放IC等通用器件制作，更多的则是用专门的函数信号发生器IC产生。早期的函数信号发生器IC，如L8038、BA205、XR2207/2209等，它们的功能较少，精度不高，频率上限只有300kHz，无法产生更高频率的信号，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响。
　　(3)利用单片集成芯片的信号发生器：能产生多种波形，达到较高的频率，且易于调试。鉴于此，美国美信公司开发了新一代函数信号发生器ICMAX038，它克服了第二种方法中芯片的缺点，可以达到更高的技术指标，是上述芯片望尘莫及的。MAX038频率高、精度好，因此它被称为高频精密函数信号发生器IC。在锁相环、压控振荡器、频率合成器、脉宽调制器等电路的设计上，MAX038都是优选的器件。
　　(4)利用专用直接数字合成DDS芯片的信号发生器：能产生任意波形并达到很高的频率。由于DDS在大部分操作中使用数字电路，从而提供了数字操作拥有的许多优势。由于信号只在合成的最后阶段转换到模拟域中，所以在多个方面降低了信号发生器的复杂度，提高了信号发生器的稳定性。在当前数字领域中，大多数新型信号发生器(如HP33220A)采用的正是这种新技术。
　　2DDS技术及其优点
　　2.1DDS技术的发展与现状
　　直接数字频率合成(DirectDigitalFrequencySynthesis简称DDFS或DDS)技术是一种全数字技术，该技术从相位概念出发直接合成所需要频率。它是由美国学者J.Tiemcy,C.M.Rader及B.Gold在1971年提出的，但限于当时的技术及器件水平，它的性能指标尚不能与己有的技术相比，故未受到重视。在本世纪80年代末90年代初，由于DDS在合成频率信号方面的优越性，学术界掀起了对DDS谱质研究的热潮。Nicholas建立了杂散信号模型，对DDS相位截断引起的杂散进行了深入的分析，并以数论为基础得出一些有益的结论。随后Garvey和Babitch从波形分析角度、Kroupa从傅氏分析的角度进行了类似的讨论。在深入研究认识了DDS杂散成因及其分布规律后，对DDS杂散抑制的研究成果便不断出现，其中包括对DDS相位累加器的改进、ROM数据压缩、抖动注入技术的应用以及对DDS工艺结构和系统结构的改进等等。这些改进技术促成了AD公司、Qualcomm公司和Stanford公司一系列性能优良的DDS器件不断出现。这些器件工作频率可达1GHz,频率分辨率可到mHz，排除DAC的限制，杂散指标己达一70dB以下。
　　除了性能不断提高外，近年来DDS技术己不再局限于频率合成领域，通信、雷达、电子对抗、仪器测试等领域也开始利用DDS技术。以通信为例，在数字通信、移动通信、扩频通信、卫星通信、微波通信以及通信对抗等领域中都可以见到DDS应用:(1)移动通信:现代各种移动通信系统都要求设备工作频率稳定度高、转换时间快、功耗低、体积小。在这方面DDS技术正好可以发挥其特点，如爱立信公司的COMPACT9000无线寻呼发射机就采用了DDS技术:(2)扩频通信:扩频通信是近来通信技术研究的一个热点，而其中频谱的扩展是通过信息数据对高速伪随机码序列进行扩频调制实现的，因此对载波及伪随机码的变换速率及载波的相位噪声性能等都有很高的要求。DDS技术以其低相位噪声和高转换速度为扩频通信系统提供了一个合适选择;(3)通信对抗:在此领域DDS技术更是大有用武之地。为了提高通信电台的抗干扰能力，常采用调频工作方式，这就要求调频电台能在超宽带、高跳变速率的方式下工作，而增加调频组合时序的复杂性就可以提高通信的保密性。目前国外己有利用DDS技术实现的在0.1-250MHz内，以6Hz步长、20ns转换速度变化的合成信号源。除此之外，DDS技术在通信的其他方面还有很广的应用，这里不再一一列举。相信随着DDS理论和集成电路工艺的不断发展，我们能够在越来越多的领域见到DDS成功应用的例子。
　　2.2DDS电路工作原理
　　直接数字频率合成又称计算法数字频率合成，它是随着计算技术的发展而出现的一种新的频率合成方法。
　　其工作原理如下图所示：
　　图1DDS电路工作原理图
　　先将待要输出的模拟信号通过数字采样，量化，生成波形数据。再把波形数据存储到波形存储器中。相位寄存器用于存放输出信号的初始相位，把频率控制字K存储到频率控制字寄存器中，它的值用于控制输出信号的频率。相位控制字用于改变信号的相位，也是一个寄存器。用到的累加器和加法器用于运算以形成波形数据存储器地址信息。通过对已有波形数据的抽样读取，可以得出不同相位，频率的数字信号。最后通过数模转换和低通滤波，就可以得到们所需要的信号。
　　2.3DDS技术的优点
　　DDS技术之所以具有如此广阔的发展应用前景，是与DDS技术的特点分不开的。与直接式频率合成(DS)、间接式频率合成(IS或PLL)相比，直接数字频率合成具有下述优点：
　　(1)频率切换时间短
　　DDS的频率转换可以近似认为是即时的，这是因为它的相位序列在时间上是离散的，在频率控制字K改变以后，要经一个时钟周期之后才能按照新的相位增量累加，所以也可以说它的频率转换时间就是频率控制字的传输时间，即一个时钟周期Tc＝1/fclk。如果.fclk=10MHZ，转换时间即为100ns,当时钟频率进一步提高，转换时间将会更短，但再短也不能少于数门电路的延迟时间。目前，集成DDS产品的频率转换时间可达10ns的量级，这是目前常用的锁相频率合成技术无法做到的。
　　(2)频率分辨率高
　　DDS的最小频率步进量（频率分辨率）就是它的最低输出频率，只要累加器有足够的字长，实现非常精密的分辨率没有多大的困难。例如可以实现Hz,mHz甚至nHZ的频率分辨率，而传统的频率合成技术要实现这样的频率分辨率十分困难，甚至是不可能的。
　　(3)相位变化连续
　　DDS改变输出频率实际上改变的是每次的相位增量，即改变相位的增长速度，相位函数的曲线是连续的，只是在改变频率的瞬间其斜率发生了突变，因而保持了输出信号相位的连续性。这在很多对频率合成器的相位要求比较严格的场合非常有用。
　　(4)具有低相位噪声和低漂移
　　DDS系统中合成信号的频率稳定度直接由参考源的频率稳定度决定，合成信号的相位噪声与参考源的相位噪声相同。而在大多数DDS系统应用中，一般由固定的晶振来产生基准频率，所以其具有极好的相位噪声和漂移特性。
　　(5)易于集成、易于调整
　　DDS中除了DAC和滤波器之外，几乎所有的部件都属于数字信号处理器件，不需要任何调整，易于集成，具有功耗低、体积小、重量轻、可靠性高的优点，且易于程控，使用相当灵活，因此性价比极高。当然DDS技术也有其不可避免的缺点，如:信号杂散比较丰富、输出信号的频带受限等，而这需要在算法或工艺上作进一步改进。
　　参考文献：
　　[1]张连江，“理想直接数字频率合成原理及谐波和杂散分析”，《舰船电子对抗》，1998年第3期
　　[2]王永、刘志强、刘硕，“DDS在任意波形发生器当中的应用”，《仪表技术》，2001第四期
　　[3]周正干、李和平、李然，“超低频移相信号发生器的设计”，《仪表技术》，2000年01期
　　[4]乐翔、秦士，“直接数字合成信号的杂散性能分析”，《清华大学学报》，2000年1月

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