直接数字频率合成技术DDS..
DDS信号发生器设计
DDS信号发生器设计DDS（直接数字频率合成）信号发生器是一种数字技术制造高质量频率合成信号的装备。
本文将介绍DDS信号发生器的设计原理、关键技术和性能评估。
一、设计原理：DDS信号发生器的设计原理基于数字频率合成技术，其核心是数字信号处理器（DSP）和数字锁相环（PLL）。
DDS信号发生器通过频率控制字（FTW）和相位控制字（PTW）控制DDS芯片的输出频率、波形和相位。
在DDS芯片中，数字频率合成器通过数模转换器将较高的待合成信号转换为模拟信号，进而通过滤波器、放大器等模拟电路产生高质量的输出信号。
二、关键技术：1.高精度的频率合成：DDS信号发生器需要具备高精度的频率合成能力。
此需求需要DDS芯片具备较高的分辨率和较低的相位噪声。
分辨率是DDS芯片产生频率变化最小步进的能力，通常用位数来表示。
较高的分辨率可以确保DDS信号发生器输出的频率表现更加连续平滑。
相位噪声则与DDS芯片的时钟抖动、量化噪声等因素有关，较低的相位噪声能够保证信号在频谱中的纯净度。
2.高动态范围的输出：DDS信号发生器通常需要提供广泛的频率范围和大范围内的输出功率调节。
此需求需要DDS芯片具备高动态范围的输出能力。
动态范围包括频率动态范围和幅度动态范围。
频率动态范围是指DDS信号发生器能够合成的频率范围，幅度动态范围则指DDS信号发生器能够调节的输出功率范围。
通过优化DDS芯片的设计，可以提高输出的动态范围。
3.高速的输出信号更新：DDS信号发生器需要具备快速更新输出信号的能力。
通常，DDS芯片具备更高的时钟频率和更大的内存储存能力可以实现更高的输出信号更新速率。
高速更新输出信号可以保证DDS信号发生器能够满足实时调节信号的需求。
三、性能评估：DDS信号发生器的性能评估包括频率稳定度、相位噪声、调制信号质量等几个方面。
频率稳定度是指DDS信号发生器输出频率的稳定性，通常通过测量短期和长期的频率漂移来评估。
相位噪声则是度量DDS信号发生器输出信号相位纯净度的参数，使用杂散频谱测量方法和相位噪声密度谱评估。
论文资料 直接数字频率合成(DDS)基本原理
基于FPGA的直接数字频率合成实现方案直接数字频率合成（DDS）是一种数字合成技术，它通过将数字信号转换为模拟信号来合成所需的波形。
DDS的基本原理是从相位的概念出发，通过相位累加器、波形存储器、数模转换器和低通滤波器等结构，将数字信号转换为模拟信号。
在DDS系统中，相位累加器是核心组成部分之一。
它通过将频率控制字（K）与相位增量（△<1））相加，生成一个相位序列。
该相位序列用于选择波形存储器中的幅度序列,从而生成所需的模拟信号。
波形存储器中存储了不同相位的幅度序列，通过相位累加器的输出选择所需的幅度序列。
然后，数模转换器将选定的幅度序列转换为模拟信号，最后通过低通滤波器去除高频噪声，得到纯净的模拟信号。
DDS系统的频率分辨率和频率范围取决于相位增量（A
Φ）和幅度序列的长度。
通过改变频率控制字（K）,可以控制所得离散序列的频率，经保持、滤波之后可唯一地恢复出此频率的模拟信号。
基于FPGA技术实现DDS的方案是，通过VXI接口电路将生成的数据存入固定数据RAM中，然后用FPGA设计的相位累加器来计算并选择RAM中的数据存放地址，最后将数据给定的频率控制字输出，经DAC转换即实现了任意波形输出。
DDS（DirectDigitalSynthesizer）直接数字式频率合成器
DDS（DirectDigitalSynthesizer）直接数字式频率合成器1. 什么叫DDS直接数字式频率器DDS（Direct Digital Synthesizer），实际上是⼀种分频器：通过编程频率控制字来分频系统（SYSM CLOCK）以产⽣所需要的频率。
DDS 有两个突出的特点，⼀⽅⾯，DDS⼯作在数字域，⼀旦更新频率控制字，输出的频率就相应改变，其跳频速率⾼；另⼀⽅⾯，由于频率控制字的宽度宽（48bit 或者更⾼），频率分辨率⾼。
2. DDS⼯作原理图1 是DDS 的内部结构图，它主要分成3 部分：相位累加器，相位幅度转换，（）。
图 1，DDS的结构（1）相位累加器⼀个正弦波，虽然它的幅度不是线性的，但是它的相位却是线性增加的。
DDS 正是利⽤了这⼀特点来产⽣正弦信号。
如图 2，根据DDS 的频率控制字的位数N，把360° 平均分成了2的N次等份。
图2，相位累加器原理假设系统时钟为Fc，输出频率为Fout。
每次转动⼀个⾓度360°/2N，则可以产⽣⼀个频率为Fc/2N的正弦波的相位递增量。
那么只要选择恰当的频率控制字M，使得 Fout / Fc= M / 2N,就可以得到所需要的输出频率Fout，Fout = Fc*M / 2N。
（2）相位幅度转换通过相位累加器，我们已经得到了合成Fout 频率所对应的相位信息，然后相位幅度转换器把0°~360°的相位转换成相应相位的幅度值。
⽐如当DDS 选择为2V p-p 的输出时，45°对应的幅度值为0.707V，这个数值以⼆进制的形式被送⼊DAC。
这个相位到幅度的转换是通过查表完成的。
（3）DAC输出代表幅度的⼆进制数字信号被送⼊DAC 中，并转换成为模拟信号输出。
注意DAC 的位数并不影响输出频率的分辨率。
输出频率的分辨率是由频率控制字的位数决定的。
直接数字式频率合成技术（DDS）是⼀种先进的全数字频率合成技术，它具有多种数字式调制能⼒（如相位调制、频率调制、幅度调制以及I/Q正交调制等），在通信、导航、雷达、电⼦战等领域获得了⼴泛的应⽤。
DDS介绍
DDS介绍（自己整理）DDS概要1971年，美国学者J.Tierney等人撰写的“A DIGITAL Frequency Synthesizer”-文首次提出了以全数字技术，从相位概念出发直接合成所需波形的一种新给成原理。
限于当时的技术和器件产，它的性牟指标尚不能与已有的技术盯比，故未受到重视。
近1年间，随着微电子技术的迅速发展，直接数字频率合成器（Direct DIGITAL Frequency Synthesis简称DDS或DDFS）得到了飞速的发展，它以有别于其它频率合成方法的优越性能和特点成为现代频率合成技术中的姣姣者。
具体体现在相对带宽宽、频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、可产生宽带正交信号及其他多种调制信号、可编程和全数字化、控制灵活方便等方面，并具有极高的性价比。
DDS是直接数字式频率合成器（Direct Digital Synthesizer）的英文缩写。
与传统的频率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点，广泛使用在电信与电子仪器领域，是实现设备全数字化的一个关键技术。
一、DDS原理和结构DDS的基本大批量是利用采样定量，通过查表法产生波形。
DDS的结构有很多种，其基本的电路原理可用图1来表示。
相位累加器由N位加法器与N位累加寄存器级联构成。
每来一个时钟脉冲fs，加法器将控制字k与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果送到累加寄存器的数据输入端，以使加法器在下一个时钟脉冲的作用下继续与频率控制字相加。
这样，相位累加器在时钟作用下，不断对频率控制字进行线性相位加累加。
由此可以看出，相位累加器在每一个中输入时，把频率控制字累加一次，相位累加器输出的数据就是合成信号的相位，相位累加器的出频率就是DDS输出的信号频率。
用相位累加器输出的数据作为波形存储器（ROM）的相位取样地址。
这样就可把存储在波形存储器内的波形抽样值（二进制编码）经查找表查出，完成相位到幅值转换。
直接数字频率合成技术
通常用频率增量来表示频率合成器的分辨率，DDS的最小分辨率为
f min
fc 2N
这个增量也就是最低的合成频率。最高的合成频率受奈奎斯特抽样定理的限制，所 以有
f 0 max
fc 2
与PLL不同,DDS的输出频率可以瞬时地改变,即可以实现跳频，这是DDS的一个突 出优点，用于扫频测量和数字通讯中，十分方便。
直接数字频率合成技术 (DDS)
DDS技术是一种先进的波形产生技术，已经在实 际中获得广泛应用。
– 1971年,由J.Tierney 和C.M.Tader 等人在 “A Digital Frequency Synthesizer”一文中首次提出了 DDS的概念； DDS或DDFS 是 Direct Digital Frequency Synthesis 的 简称 –通常将此视为第三代频率合成技术； –它突破了前两种频率合成法的原理,从”相位”的概念 出发进行频率合成； –这种方法不仅可以产生不同频率的正弦波,而且可以控 制波形的初始相位； –还可以用DDS方法产生任意波形(AWG)。
AD公司的产品
型 号 AD9832 AD9831 AD9833 AD9834 AD9835 AD9830 AD9850 AD9853 AD9851 AD9852 AD9854 AD9858
最大工作(MHz) 25 25 25 50 50 50 125 165 180 300 300 1000
工作电压（V） 3.3/5 3.3/5 2.5～5.5 2.5～5.5 5 5 3.3/5 3.3/5 3/3.3/5 3.3 3.3 3.3
DDS原理
工作过程为: 1, 将存于数表中的数字波形,经数模转换器D/A,形成模拟量波形. 2, 两种方法可以改变输出信号的频率: (1),改变查表寻址的时钟CLOCK的频率, 可以改变输出波形的频率. (2), 改变寻址的步长来改变输出信号的频率.DDS即采用此法. 步长即为对数字波形查表的相位增量.由累加器对相位增量进行累加, 累加器的值作为查表地址. 3, D/A输出的阶梯形波形,经低通(带通)滤波,成为质量符合需要的模拟波形
直接数字频率合成技术DDS
幅
位
度
码
码
数模变换器 DAC
时 钟
低通滤波器 LPF 输出
图3-11 相位/幅度变换装置
假设DAC的输入幅度码是四位，则它的输出幅度与输 入幅度码之间的关系是按线性变化的，如表3-1所示。
二进制幅度码 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111
表 3-1
十进制幅度 二进制幅度码
0.1875
0 +1.1875
续表 3 - 4
8 1000 17π/16 -0.1951 0011 0.1875 1 9 1001 19π/16 - 0.5556 1001 0.5625 1 10 1010 21π/16 - 0.8316 1101 0.8125 1 11 1011 23π/16 -0.9808 1111 0.9375 1 12 1100 25π/16 -0.9808 1111 0.9375 1 13 1101 27π/16 -0.8316 1101 0.8125 1 14 1110 29π/16 -0.5556 1001 0.5625 1 15 1111 31π/16 -0.1951 0011 0.8175 1
② 将模2π的累加相位变换成相应的正弦函数值的幅度， 这里幅度可先用代码表示，这可以用一只读存储器ROM来 存储一个正弦函数表的幅值代码；
③ 用幅度代码变换成模拟电压，这可由数模变换器 DAC来完成；
④ 相位累加器输出的累加相位在两次采样的间隔时间 内是保持的，最终从DAC输出的电压是经保持的阶梯波。
2. 相位与幅度的变换
累加器输出的相位码，需先经过一个相位码/幅度码变换 装置之后，再经数/模变换生成阶梯波，最后通过低通滤波 器才能得到所需的模拟电压。
DDS原理及其应用
频率源是通信、电子测量仪表、雷达等电子系统实现高性能指标的关键部分，并在广电系统中也有极为广泛的应用。
直接数字式频率合成技术（ＤＤＳ）具有频率转换时间极短、频率分辨率极高、输出相位连续、相位噪声低、可编程、全数字化、易于集成等突出优点，成为现代电子系统及设备中频率源的首选，对其进行研究具有重大的理论和实践意义。
以下将对ＤＤＳ波形产生原理、控制方式、频谱特性进行分析，并设计出一套基于ＭＣＳ－５１芯片和ＡＤ９８５１芯片的ＤＤＳ波形发生系统。
达到参数如下：（１）出频率范围：３０ＭＨｚ～１８０ＭＨｚ；（２）率准确度：优于土５０Ｈｚ；（３）频率转换时间：≤２ｕｓ；（４）步进精度：１ｋＨｚ。
１ ＤＤＳ原理分析ＤＤＳ在结构上主要可划分为数控振荡器和数字／模拟转换两个模块，模块ＮＣＯ又由相位累加器和正弦查询表ＲＯＭ构成。
ＮＣＯ实现由数字频率字输入生成相应频率的数字波形，模块ＤＡＣ实现将ＮＣＯ产生的数字幅度值高速且线性地转为模拟幅度值。
基本框图如图１。
２ 硬件设计及结果２．１硬件选型市场上有ＡＤ、ＭＡＸＩＭ等大型软件公司生产ＤＤＳ芯片。
本次设计采用ＡＤ公司的芯片。
从性价比考虑，ＤＤＳ芯片选用ＡＤ９８５１芯片，控制芯片选用ＡＴ８９Ｃ５２芯片，ＰＬＬ芯片选用ＭＣ１４５１５２芯片。
若需调节波形的幅度，可选择ＡＤ公司的ＡＤ８３２０可编程运放作为后级。
其型号及价格如下表格１。
２．２ＡＤ９８５１简介ＡＤ９８５１是ＡＤ公司ＤＤＳ芯片中性价比较高的一款，具有如下特性：（１）允许最高输入时钟１８０ＭＨｚ，同时可选择是否启用内含的６倍频乘法器；（２）带有高性能的十位Ｄ／Ａ转换器；（３）具有简化的控制接口，允许串／并行异步输入控制字；（４）允许工作电源范围：＋２．７伏～＋５．２５伏；（５）可以工作在掉电方式（低功耗）：４ＭＷ＋２．７伏；（６）其自由寄生动态范围（ＳＦＤＲ）＞４３ｄＢ＠７０ＭＨｚ输出；（７）采用极小的２８脚贴片式封装。
２．３硬件连接由主控芯片ＡＴ８９Ｃ５２的Ｐ１口向ＡＤ９８５１输入控制字，并由Ｐ３．４、Ｐ３．５、Ｐ３．６三口分别接ＡＤ９８５１的Ｗ＿ＣＬＫ、ＦＱ＿ＵＤ、ＲＥＳＥＴ三个端口，若采用串行模式，则只须选择Ｐ１中一个接口与ＡＤ９８５１相连（如图２）。
DDS相关内容及其杂散特性
DDS相关内容，DDS原理及其杂散特性一、DDS(Direct Digital frequency Synthesis)即直接数字频率合成器，是一种新型的频率合成技术，具有较高的频率分辨率，快速的频率切换，稳定性好，可灵活产生多种信号的优点。
因此，在现代电子系统及设备的频率源设计中，尤其在通信领域，直接数字频率合成器的应用越来越广泛。
在数字化的调制解调模块中。
DDS取代了VCO(模拟的压控振荡器)，被大量应用。
这种合成技术是一种利用数字技术来控制信号的相位增量的技术，它采用插值取样的方式，将要合成的正弦波波形用若干个采样点的取值来代替，然后依次等时间间隔输出这些取值，每个采样点的值由预先存储的数字值经D/A转换后得到。
DDS信号发生器把信号的发生器的频率稳定度,准确度提到与基准频率相同的水平，并且可以在很宽的频率范围内进行精细的调节。
也就是说它对的误差很小，与基准频率之间的误差很小。
可以工作在调制状态，可以产生任意波形。
DDS的工作原理：DDS技术是根据奈奎斯特取样定律，从连续信号的相位出发，将正弦信号取样，编码，量化，形成一个正弦函数表，存在EPROM中，合成时，通过改变相位累加器的频率字来改变相位增量，也就是我们所称的步长。
相位增量的不同导致一个周期内取样点的不同，在时钟频率即采样频率不变的情况下，通过相位的改变来改变频率。
（其中奈奎斯特采样定理：解释了采样率和所测信号频率之间的关系。
阐述了采样率fs必须大于被测信号最高频率分量的2倍）。
二、DDS杂散特性：基于波形存储的DDS(直接数字频率合成器)技术具有频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、稳定度高、可编程、全数字化、易集成等突出优点，因而得到广泛的应用。
但是，由于DDS数字化实现的固有特点，决定了其输出信号频谱杂散较大。
如何抑制DDS输出频谱中的杂散就成为了研究的热点。
从以下几个方面说明DDS的误差杂散来源：1.关于输出频率稳定性：DDS一般采用石英晶体振荡器作为它的参考激励源，DDS输出频率的稳定性和参考时钟的频率稳定性是一致的。
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θ(t) 2π 3π/2 π π/2
0Hale Waihona Puke 8u(t)116
24
t / Tc 32
0
4
8
12 16
20 24
28 32
-1
图3-7 不同相位增量时的波形
t / Tc
（二）组成
依据上述原理，为合成所需频率的模拟信号，必须解决 以下一些技术问题：
① 需控制每次采样的相位增量，并输出模2π的累加相 位。这可以用相位累加器来完成；
t 0t 2 f0t
它就是信号的频率。
（3-4）
信号波形和相位函数如图 3-6 所示。相位函数 是一条直线，它的斜率就是信号的频率。
θ(t) 2π
u(t) 1
π
16
0
2 4 6 8 10 12 14
t / Tc
0 2 4 6 8 10 12 14 16
t / Tc
图3-6 单频信号的波形与相位函数
K K
f0 2Tc
M
fc
（3-12）
相应的模拟信号为
u
t
sin
2
K M
f
c
t
（3-13）
式中，M 和K 都是正整数，根据采样定理，K 的最大取 值应小于 M 的二分之一。
K 分别取值为1、2、3时的相位函数与波形如图3-7所示。 综上所述，在采样频率一定的条件之下，可以通过控制两次 连续采样之间的相位增量（不得大于π），来改变所得到离 散波形序列的频率，经保持和滤波之后，可唯一地恢复出此 频率的模拟信号。这就是直接数字频率合成的原理。
② 将模2π的累加相位变换成相应的正弦函数值的幅度， 这里幅度可先用代码表示，这可以用一只读存储器ROM来 存储一个正弦函数表的幅值代码；
③ 用幅度代码变换成模拟电压，这可由数模变换器 DAC来完成；
④ 相位累加器输出的累加相位在两次采样的间隔时间 内是保持的，最终从DAC输出的电压是经保持的阶梯波。
如果对（3-2）式进行采样，且采样周期为 Tc（采样频 率 为fc = 1 / Tc ) ，则可得到离散的波形序列：
u*(n) = sin (2πf0 n Tc) （ n = 0,１,２,３···) （3-5） 相应的离散相位序列为
θ*(n) = 2πf0 n Tc= n·Δθ （ n = 0，１，２，３···)
设频率控制字K = A4A3A2A1 = 0001，则第一个时钟脉冲 到来后，输出Q4Q3Q2Q1 = 0001；第二个时钟脉冲到来后， 输出为 0010；输出相位码按 0000→0001→0010→0011→…→1101→1110→1111→0000， 需16个时钟脉冲累加器才能满量，相位码完成一个周期循环。
（一）原理 一个频谱纯净的单频信号可表示如下
u t U sin(2 f0 0 )
（3-1）
令U=1，0 0，则有
u t U sin 2 f0t sin 0t
sin t
（3-2）
这种单频信号的主要特性是，它的相位是时间的连续
函数，即
d t
dt
0
2
f0
（3-3）
相位函数对时间的导数是常数
的模拟信号。保持的作用是使模拟信号的分量加大，且将
采样形成的高次谐波分量大大地抑制，对模拟信号的恢复
十分有利。 因此,欲合成式（3-2）所表示的模拟信号，可
首先生成与其相对应的阶梯信号，再经滤波器即可得到。
从式（3-3）知，相位函数的斜率决定了信号的频率。 从式（3-5）和（3-6）可见，决定相位函数斜率的则是两 次连续采样之间的相位增量Δθ。因此，只要控制这个相位 增量即可控制合成信号的频率。
⑤ 阶梯波电压经低通滤波器之后才能获得所需的模拟电 压输出。因此，直接数字频率合成器的基本组成应如图3-8 所示。
输出
时钟 相位累加 正弦函数 数模变换 低通滤波
相
幅
位
度
增量控制 码
码
图3-8 DDS的组成
1.相位累加
相位累加可用一累加器来完成。用一 N 位字长的累加 器，则 M = 2N，将一整周期的相位分割成最小增量为 δ=2π/ 2N 的 M 个离散相位，它的代码为0至2N-1。
式中 Δθ= ２π f 0Tc= 2π f0 / f c 是连续两次采样之间的相位增量。
（3-6） （3-7）
此离散波形序列和离散相位序列如图 3-6中的黑点所 示。若采样值在采样间隔内进行保持，则如图3-6中虚线所 示。波形和相位都为阶梯波形。
根据采样定理，只要
f0 / fc<1/２
（3-8）
从式（3-5)中的离散序列即可唯一地恢复出式（3-2）
并
M 进 制
行 数
加
K
法 器
据 存 储
器
fc
图3-9 累加器的基本结构
图3-10是一个4位字长的累加器，加法器是四位二进 制组成的十六进制，它的累加输出为
4
3
2
1
A4
B4
C3
A3
B3
C2
A2 B2 C1 A1 B1 C0
C4
输出
频
A4
B4 Σ4
C3
率
控
A3
B3 Σ3
制
C2 B2
字
A2
Σ2
K
C1
A1
B1 Σ1
C0
Q4 D4
cp
Q3 D3
cp
Q2 D2
cp
Q1 D1
cp
时钟cp
图3-10 十六进制累加器
式中C0、C1、C2、C3是二进制加法器1、2、3、4的进位 位，四位寄存器的
D1D2D3D4 = Σ4Σ3Σ2Σ1 输入数据 K 决定了每次累加的相位增量，在一定的时钟 频率下，也就决定了合成信号频率 f0 = K fc / 24，故K 被称为 频率控制字。
直接数字式频率合成（ DDS ）
随着技术和器件水平的提高，称之为直接数字 式频率合成器（DDS）的新的频率合成技术得到飞 速的发展。 DDS 在相对带宽、频率转换时间、相 位连续性、正交输出、高分辨力以及集成化等等一 系列指标方面，已远远超过了传统频率合成器所能 达到的水平，完成了频率合成技术的又一次飞跃。 DDS 与传统的 DS 和 IS 一起构成了现代频率合成 技术体系，将频率合成技术推向了一个新阶段。
累加器的基本结构如图3-9所示。它由M 进制加法器和 并行数据寄存器组成，在时钟 fc 的作用下可对输入数据 K 进行累加。当 K =1时，即相当 于每次的相位增量为δ=2π/ M 。一般情况下控制每次的相位增量为Kδ，累加器输出即 为经累加后的累积相位（模2π)的代码，成为相位码，是一 个离散的序列。
现将整个周期的相位2π分割为M等份，则每一份为
2 f0 / M
（3-9）
即为可选择的最小相位增量，若每次的相位增量就取δ，此
时相位增量的斜率最小，得到最低的频率输出
f0 max
2 Tc
fc M
（3-10）
经滤波后得到合成信号为
u t
sin
2
fc M
t
（3-11）
若每次的相位增量选择为δ的K倍，即可得到信号频率