DDS直接数字频率合成技术的研究

摘要：直接数字频率合成，也可简称为DDS，其主要应用于频率合成领域，并起着核心作用。直接数字频率合成技术自诞生以来，一直备受人们关注，它提高了信号频率合成的精度与效率，而且让频率合成的方法变得简单，并且易于实现。DDS的原理是利用特定的频率来控制寄存器，通过数字方法累加相位，得到的数值再用正弦函数表查询，从而得到离散的数字量的数据值，最后经过DAC数模转换器输出模拟正弦波。随着近几年频率合成技术方面的快速进步，DDS技术如今被广泛应用于通讯技术、无线导航、信号传输和电子雷达等等技术领域，而且其已经成为一种不可或缺的频率合成方面的技术手段。

关键词：直接数字频率合成技术、控制寄存器、数模转换、模拟正弦波

中图分类号：TN741

1 DDS技术的基本原理与组成结构

近些年来，集成电路技术在电子工业革命的带动下发展迅速，从而也诞生了许许多多新的技术方法，这些新的技术为人们的生活提供了很多的便利。在20世纪60年代末70年代初期，DDS直接数字频率合成是由美国科学家创造出的与以前的频率产生方式截然不同的全数字频率合成方式。在当今二十一世纪以来，由于电子通信技术的飞快进步，人们对DDS技术进行了全面的改进与创新，因而一种全新的频率合成技术应用而生，它与其他的传统频率合成技术相比，有很多的突出优点，即：频率分辨率高、频率转化率快和相位连续性好等等，正是由于这些优点，DDS技术才被广泛应用。

1.1 DDS的理论基础

DDS技术的理论基础是利用数模转换，将数字信号量转化成特定的模拟信号量，并利用相位累加器对转换的模拟量进行累加，通过正弦查询表对照数据，合成目标频率信号的一种频率合成方法。DDS频率合成技术有两种合成频率的方式：一种是以正弦函数关系式为理论基础，按照设定的间隔，利用与DDS连接的电脑进行数字递推关系计算， 并将电脑计算得到的的数据送入数模转换器中， 合成后输出满足目标要求的正弦波信号， 这种合成方式具有电路结构非常简单、整体成本低的特点，而且合成信号的频率分辨力也比较好，满足大多数情况下频率合成的相关要求，但由于受计算机运算速度的限制，合成的信号频率比较低， 合成信号的频率最高只能达到1kHz左右;另一种就是设计硬件电路，通过搭建好的硬件电路，实现目标频率信号的输出，在硬件电路中，把高速存储器作为频率信号的查寻表，通过数模转换器DAC生成相应的正弦波信号，这种合成目标信号的方式也是目前使用较多的合成方式，效果也是相当好。

1.2 DDS的原理框图、方程与模型介绍

（1）DDS的内部结构原理图如图1所示。

从以上的原理图中可以看出，输入信号、时钟信号进来以后，首先，将取出保存在ROM中的数字波形数据，利用DAC数模转换器将取出的数字信号量的数据转化成对应目标信号的模拟信号量的图形。其次，通过连接DDS的计算机控制改变寻址步长，就能控制输出频率，按照输出信号的要求增大或者变小。最后，数字信号通过DAC数模转换器转换成对应的模拟信号量后输出，由于此模拟信号的波形图呈阶梯变化的，因而必须让其进入低通滤波器，滤除信号中的高频成分后再将其输出。

1. DDS的方程            

以上是频率合成中DDS输出信号的频率理论决定式，其中每个字母代表的含义：f_out代表最终需要的输出信号频率，单位是Hz，f_c代表系统中采样时钟的频率，单位也是Hz，N代表硬件电路中相位累加器的位宽，没有单位，M代表频率控制字的大小，也没有单位，根据整个DDS系统中各个参数的具体数值，就可以计算出输出频率的理论值。

（3）DDS的模型图如图2所示。

上图中是以正弦波为例的，信号从相位累加器中出来以后，输入到正弦查询表中的数字信号量的采样点在坐标轴上都有对应的纵坐标数据，根据相互之间的关系，可以将其映射到相应的单位圆上，然后，利用DAC数模转换器，将数字量的信号转换成对应的目标信号的模拟量信号并输出。

2 DDS各部分的作用

DDS硬件电路系统总体可以分为两大模块，如图3所示：内部模块和外围模块，内部模块包括：①相位累加器，②正弦查询表，其中相位累加器是由N位加法器和N位累加寄存器一起级联构成;外围模块包括：①DAC（数模转换器），②LPF（低通滤波器）。

它们每个单元的作用以及工作原理如下：

相位控制字和频率控制字：它们是由于DDS系统相连的计算机进行控制的，通改变程序中的特定的数值，从而改变相位累加器的存储数据，进而改变最终输出的目标信号的频率。

相位累加器：一个相位地址唯一只对应一个存储数据，波形存储器和幅值之间的转换的寻址地址就是由相位累加器输出的序列数据。

正弦查询表：DDS系统中的时钟把输入的连续的正弦信号进行采样，然后将这些采样点打包储存到正弦查询表中，通过对连接DDS的计算机内部程序进行操作，进而改变查询表，使输出各种不同的满足要求的目标波形。

DAC数模转换器：它的核心作用是将合成波形的数字量直接转换成相應的模拟量。正弦信号量经 DAC 转换器后变成了具有一定规律的阶梯波，并且此阶梯波的包络仍然是正弦波。特别强调的是，频率合成器要合成相应的目标波形，必须对DAC转换器中的分辨率有比较高的要求。要让输出的波形的精度提高，DAC转换器的分辨率就必须提高，从而合成的正弦波出现的台阶数就越多，信号精度自然提高。

LPF（低通滤波器）：输出的模拟信号是通过相位累加器输出的数字信号转换而来，而且这个数字信号是通过DDS系统内部的相位累加器采样得到的，因而其内部带有部分的高频成分，所以必须通过低通滤波器，滤除高频信号，最终输出需要的目标信号。

DDS开始工作时，每当信号源送来一个时钟信号f_s时，加法器就会把累加寄存器输出的数据与频率控制字k相加，从而得到一个数值，再将这个数值送入到累加寄存器中。然后累加寄存器又将产生的新相位数据输送给加法器，从而方便让加法器继续和计算机控制的频率控制字k相加，实现连续工作，输出连续的波形。从以上分析可看出，当有新的时钟信号输入时，相位累加器都要需要把新产生的频率控制字和以前的再累加一次，从而得到最终合成信号的相位，而最终DDS输出的信号频率也就是相位累加器的溢出频率。

3 DDS输出的信号特性

DDS系统的时钟信号是否能达到稳定的状态，直接关系到DDS系统输出信号的频率能否达到稳定的状态，而时钟信号是DDS的相位分辨率决定的，DDS硬件系统中具有很好的相位分辨率，所以合成的目标信号的性能相当好。

直接数字频率合成技术是一种由计算机上的特定数字控制的频率合成方式，它的输出频率一般情况下都是基准频率的整数倍，通过DDS系统中的设定频率选择开关来改变分频比，进而来控制输出目标信号的频率。DDS也是一种新型的频率合成技术，它的产生可以说是频率合成技术方面的一次革命。它采用数字化技术，通过相位累加器来控制相位的变化速度，从而直接产生各种不同频率信号的一种频率合成方法。DDS 在输出信号的相对带宽、频率转换时间、高分辨力、相位的连续性、正交输出以及集成化等相当多的性能指标方面远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平，整体性能也远远优于传统的频率合成方式，因而为整个系统提供了优于模拟信号源的性能，表现出了很大的优越性。

3.1 DDS的优点

（1）硬件电路比较简单，容易搭建，价格相对便宜，输出频率性能好。

（2）频率转换时间相对较短，相位变化连续，输出波形的灵活性较好。

（3）功耗相对较低，而且控制简单。

（4）在计算机的控制下，可以产生一定范围内的任意波形。

3.2 DDS也有局限性

（1）输出频带范围有限。

（2）输出杂散大。

综上所述，DDS技术与其它频率合成方法相比，它优点特别突出，虽然存在一定的局限性，DDS存在固有的杂散和噪声，而这些杂散和噪声中除了以边带形式出现的杂散外，还有 DDS 中器件的非理想特性造成的噪声，但这些都是通过试验改进，可以进一步提高和改善的，例如，加入锁相环技术可以很大程度上减少噪声，这样，既能保留 DDS 的优点，系统性能也能得到很大的提高。而且其合成的时钟相位连续，可以调节，频率的分辨率比较好，并且可以任意切换。此外，DDS还具有良好的可再调制性。最后，DDS输出信号也非常稳定，方便频率的合成。

4 结语

DDS直接数字频率合成技术，作为频率合成方式中的重要一员，在整个频率合成过程中有着相当重要的作用，并且在如今的电子通信领域中被广泛应用。在本文中，首先介绍了DDS系统的合成频率的基本原理与内部结构，并且分析了它的模型图，了解了DDS频率合成的过程，从而对DDS的概况有了具体的认知，然后以原理图和方程式为基础，从理论上分析DDS直接数字频率合成的工作方式与基本工作原理，从而全面了解DDS的频率合成过程;接着，具体介绍每个部分的作用和特性，掌握了其内部的结构特点与功能;最后，对DDS输出合成信号的特性进行分析，包括DDS的优势和它的局限性，以及其在实际应用中应该注意的关键步骤，从而更好的利用DDS合成所需要的信号。

作者简介：李鹏（1990-）男，汉，陕西宝鸡，硕士，陕西机电职业技术学院，研究方向：数字频率合成、电子线路设计、电子通信。

参考文献：

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