直接数字频率合成技术
直接数字频率合成的优缺点
直接数字频率合成的优缺点直接数字频率合成（Direct Digital Frequency Synthesis，DDFS）是一种通过数字信号处理技术生成高频信号的方法。
DDFS 可以用于各种应用，包括实验室测试、通讯和雷达系统等。
本文将讨论 DDFS 的优缺点。
优点稳定性DDFS 系统中只能从数字源获得频率，所以频率精度非常高。
DDFS 的准确性可以通过采用高质量的晶体振荡器和时钟同步技术来进一步提高。
此外，由于数字元件的稳定性，DDFS 的频率是非常稳定的。
灵活性DDFS 提供了比传统频率合成器更高的灵活性。
传统频率合成器需要使用不同的电路元件来生成不同的频率。
而 DDFS 只需要更改一个寄存器的值就可以改变输出的频率。
这使得 DDFS 可以快速地切换到所需的频率。
精度DDFS 提供比传统频率合成器更高的频率精度。
通过使用高质量的时钟和数字信号处理技术，DDFS 可以实现更准确的频率合成。
这对于许多应用非常重要，特别是在需要极高精度的测量中。
缺点失真DDFS 的一个主要问题是可能造成频率和幅度失真。
失真主要由于 DDS 中非线性项的存在，所以如果 DDS 的输入信号过大或一些不必要的转换发生，则可能会引起失真。
算法复杂性DDFS 的另一个缺点是算法的复杂性。
DDS需要执行许多乘法，幅度控制和相位控制等方面的处理。
算法处理需要大量的计算资源和存储器，并且在高频率合成模式下需要很高的速度。
噪声DDFS 可能会产生高质量的频率，但其输出信号中可能会存在一些噪声。
这是因为数字钳位器是离散的，在连续函数之间插入折线。
这种折线可能会导致噪声。
结论总体而言，DDFS 是非常有用的高精度频率合成技术。
它提供比传统模拟技术更高的稳定性、精度和灵活性。
然而，如此高度的精细度和稳定性需要更多的计算资源和存储器，并且需要处理单元更加复杂。
此外，当噪声存在时，可能需要额外的滤波和缓冲来获得可接受的输出信号质量。
传统的频率合成器与 DDFS 之间相互竞争，这取决于应用程序和准确度要求。
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。
直接数字频率合成器(DDS)总结
直接数字频率合成器（直接数字频率合成器（DDS DDS DDS）总结）总结知识收集2008-07-2113:45:46阅读128评论0字号：大中小订阅直接合成法是用一个或多个石英晶体振荡器的振荡频率作为基准频率，由这些基准频率产生一系列的谐波，这些谐波具有与石英晶体振荡器同样的频率稳定度和准确度；然后，从这一系列的谐波中取出两个或两个以上的频率进行组合，得出这些频率的和或差，经过适当方式处理（如经过滤波）后，获得所需要的频率。
DDS 是直接数字式频率合成器（Direct Digital Synthesizer ）的英文缩写。
直接数字式频率合成器（DDS ）是从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成技术，由相位累加器、波形ROM 、D/A 转换器和低通滤波器构成。
时钟频率给定后，输出信号的频率取决于频率控制字，频率分辨率取决于累加器位数，相位分辨率取决于ROM 的地址线位数，幅度量化噪声取决于ROM 的数据位字长和D/A 转换器位数。
结构框图如图2-1所示。
先分部分介绍其结构，后面会讲到总体原理。
相位增量（Phase Increment ）M ，也称为频率控制字，单纯的无单位（不代表弧度或者角度）无符号数。
相位累加器（Phase Accumulator ）由一个无符号数的加法器和一个寄存器构成，一个时钟周期完成一次加法运算。
量化器（Quantizer ）完成很简单的功能。
将较高精度，较大位宽的输入，丢弃低比特位，得到较低精度，较小位宽的输出，直接用作后面查找表的地址。
正余弦查找表（Sine/Cosine Lookup Table）存放正余弦数值。
DDS的工作原理：DDS的基本原理是利用采样定理，通过查表法产生波形[2]。
由于，（2-1）其中Δθ为一个采样间隔ΔT之间的相位增量，采样周期，即：（2-2）控制Δθ就可以控制不同的频率输出。
Δθ是由频率控制字M控制的，即：（2-3）所以改变M就可以得到不同的输出频率。
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。
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。
直接数字频率合成的优缺点
直接数字频率合成的优缺点什么是直接数字频率合成？直接数字频率合成（Direct Digital Frequency Synthesis，DDFS）是一种基于数字信号处理技术的频率合成方法。
它通过数字信号产生器（Digital Signal Generator，DSG）的输出，实现对任何频率和任何波形的生成。
DDFS的原理是将相位累计器作为计数器，将其输出作为一个带宽窄的方波信号，再通过低通滤波器将其转换为连续的正弦波信号，以实现目标波形的合成。
直接数字频率合成的优点精度高DDFS是一种准确的频率合成方法。
因为它是以数字信号的方式输出波形，消除了模拟电路中产生的误差和漂移。
另外，DDFS在频率和相位的控制上，具有高精度的输出能力，提高了合成波形的质量和准确性。
范围广DDFS的输出范围非常广，它可以产生任何频率的波形信号。
而且不同于模拟频率合成器，DDFS的频率可由外部控制，输出频率可以实现广范围内的变化调节。
这种灵活性帮助工程师在频率范围需要变化的应用中，更轻松地调节输出信号。
稳定性好DDFS是一种基于数字信号的频率合成方法，它的信号源压缩了使用模拟电路时容易出现的波动、漂移等不稳定性，所以它具有较高的稳定性。
在多种温度和电压变化的应用中，DDFS可以提供相同的性能，这意味着在设计过程中不需要太多的环境测试与调试。
直接数字频率合成的缺点抗干扰能力差DDFS在抗干扰方面相对较差。
接收到使相位累计器发生错误计数的干扰信号，会导致输出波形的失真或异常。
这可能限制DDS的应用范围，特别是在高强度干扰环境下的应用中，DDFS可能会出现输出失真现象。
噪声高DDFS在合成信号时，会引入噪声，特别是在比较低的频率下噪声会非常明显。
噪声来自于相位计数器的数字量化以及DDS输出的工作频率和时钟相互种衍生的问题，对某些高精度应用造成质量上的影响。
售价较高相比于模拟信号发生器和频率合成器而言，DDFS的售价更高。
其内含的高精度时钟与数字量化模块、COSS/FOSS转换器以及快速控制电路等，使其在调制精度、计算速度、同时售价等方面相对更高。
DDS1直接数字频率合成
DDS是一种全数字化的频率合成器，由相位累加器、波形ROM、D/A转换器和低通滤波器构成。
时钟频率给定后，输出信号的频率取决于频率控制字，频率分辨率取决于累加器位数，相位分辨率取决于ROM 的地址线位数，幅度量化噪声取决于ROM的数据位字长和D/A转换器位数。
DDS有如下优点：⑴频率分辨率高，输出频点多，可达个频点(N为相位累加器位数)；⑵频率切换速度快，可达us量级；⑶频率切换时相位连续；⑷可以输出宽带正交信号；⑸输出相位噪声低，对参考频率源的相位噪声有改善作用；⑹可以产生任意波形；⑺全数字化实现，便于集成，体积小，重量轻，因此八十年代以来各国都在研制和发展各自的DDS产品，如美国QUALCOMM公司的Q2334，Q2220；STANFORD公司的STEL-1175，STEL-1180；AD公司的AD7008，AD9850，AD9854等。
这些DDS芯片的时钟频率从几十兆赫兹到几百兆赫兹不等，芯片从一般功能到集成有D/A转换器和正交调制器。
DDS频率合成的具体原理！！频率合成器是现代电子系统的重要组成部分,在通信、雷达、电子对抗、导航、广播电视、遥测遥控、仪器仪表等许多领域中被广泛应用。
例如,在雷达设备中,他为发射机的调制器提供载频信号,也为接收机的混频器提供本振信号；在测试仪器中,他可单独作为标准信号源。
随着电子技术的不断发展,各类电子系统对频率合成器的要求越来越高,对相位噪声、频率转换时间、频率分辨力、相对工作带宽、体积及功耗等多种指标提出了更高的要求。
所以在研制频率合成源时,应根据具体应用和要求选择适当的方案,以满足系统设计指标要求。
直接频率合成（DDS）技术因有突出的特点，如输出波形灵活且相位连续（这是其最大优势）、频率稳定度高、输出频率分辨率高、频率转换速度快、输出相位噪声低、集成度高、功耗低、体积小等，使其在频率合成源技术中被广泛应用，但DDS合成频率比较低且输出频谱杂散较大，又限制了其应用。
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相应地正弦查询表经过一个循环回到初始位置，整个DDS系统输出一个正弦波。输出
正弦波周期为
Tc 2 N M
频率为
fout
M
fc 2N
频率控制字与输出信号频率和参考时钟频率之间的关系为：
M(fou•t2N) fc
0M2N1
其中N是相位累加器的字长。频率控制字与输出信号频率成正比。由取样定理，所产生 的信号频率不能超过时钟频率的一半，在实际运用中，为了保证信号的输出质量，输出 频率不要高于时钟频率的33%,以避免混叠或谐波落入有用输出频带内。 在图中，相位累加器输出位并不全部加到查询表，而要截断。相位截断减小了查询表长 度，但并不影响频率分辨率，对最终输出仅增加一个很小的相位噪声。DAC分辨率一 般比查询表长度小2~4位。
累加器的工作示意图
设相位累加器的位宽为2N, Sin表的大小为2p,累加 器的高P位用于寻址Sin表. 时钟Clock的频率为fc, 若累加器按步进为1地累加 直至溢出一遍的频率为
fout
fc 2N
若以M点为步长,产生的信号频率为
fout
M
fc 2N
M称为频率控制字
该DDS系统的核心是相位累加器，它由一个加法器和一个位相位寄存器组成，每来一
但存在杂散大的缺点，限于数字电路的工作速度, DDS的频率上限目前还只能达到数百兆,限制了在某些 领域的应用。
AD9830
芯片特性 +5V电压供电 50MHz频率 片内正弦查询表 片内10位数模转换器 并行数据接口 掉电功能选择 250mW功耗 48引脚薄方扁封装 （TQFP）
DDS的信号质量分析
S/D+N =6.02B+1.76 dB 其中B为D/A的字宽，对于10位的D/A，信噪比可达到60dB以上。 增加D/A的位数，可以减少波形的幅值离散噪声。另外，采用过采样技术，即大幅度增加每个周期 中的样点数（提高时钟频率），也可以降低该类噪声。过采样方法使量化噪声的能量分散到更宽的 频带，因而提高了信号频带内的信噪比。 ⑶ 相位累加器截断造成的杂波。这是由正弦波的ROM表样点数有限而造成的。通过提高时钟频率 或采用插值的方法增加每个周期中的点数（过采样），可以减少这些杂波分量。 ⑷ D/A转换器的各种非线性误差形成的杂散频率分量，其中包括谐波频率分量，它们在N频率处。 这些杂波分量的幅度较小。 ⑸，其他杂散分量，包括时钟泄漏，时钟相位噪声的影响等。
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
DDS的信号质量分析
DDS信号源的性能指标： 1, 频率稳定度，等同于其时鈡信号的稳定度。 2, 频率的值的精度，决定于DDS的相位分辨率。即由DDS的相位累加器的字宽和ROM函数表决定。 本题要求频率按10Hz步进，频率值的误差应远小于10Hz。DDS可达到很高的频率分辨率。 3, 失真与杂波：可用输出频率的正弦波能量与其他各种频率成分的比值来描述。失真与杂波的成分 可分为以下几个部分： ⑴，采样信号的镜像频率分量。DDS信号是由正弦波的离散采样值的数字量经D/A转换为阶梯形的 模拟波形的，当时钟频率为，输出正弦波的频率为时，存在着以采样频率为折叠频率的一系列镜像 频率分量，这些镜像频率值为n±它们的幅度沿Sin(x)/x包络滚降。其输出信号的频谱如图6。19所 示。 ⑵ D/A的字宽决定了它的分辨率，它所决定的杂散噪声分量，满量程时，对信号的信噪比影响可表 示为
DDS
这种技术的实现依赖于高速数字电路的产生，目前， 其工作速度主要受D/A变换器的限制。利用正弦信号的 相位与时间呈线性关系的特性，通过查表的方式得到信 号的瞬时幅值，从而实现频率合成。
DDS具有超宽的相对宽带，超高的捷变速率，超细 的分辨率以及相位的连续性，可编程全数字化，以及可 方便实现各种调制等优越性能。
(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
– 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)。
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:
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 m in
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
f0max
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。
个时钟，相位寄存器以步长增加，相位寄存器的输出与相位控制字相加，然后输入到正
弦查询表地址上。正弦查询表包含一个周期正弦波的数字幅度信息，每个地址对应正弦
波中 0~360o 范围的一个相位点。查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度的数
字量信号，驱动DAC，输出模拟量。相位寄存器每经过2N/M 个 fc 时钟后回到初始状态，
取样系统信号的频谱
镜像频率分量为－60dB，而其他各种杂散分量 分布在很宽的频带上，其幅值远小于镜像频率分量。 D/A之后用的低通滤波器可用来滤去镜像频率分量， 谐波分量和带外杂散分量。第一个镜像频率分量 最靠近信号频率，且幅度最大，实际应用时， 应尽量提高采样时钟频率，使该分量远离低通 滤波器的带宽,以减少低通滤波器的制作难度。