DDS(Direct Digital Freqiaency Synthesizers)廣泛應(yīng)用于雷達系統(tǒng)、數(shù)字通信,、電子對抗,、電子測量等民用軍用設(shè)備中。它是隨著半導體技術(shù)和數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展而發(fā)展起來的新型的頻率合成技術(shù),，與傳統(tǒng)的VCO+PLL的模擬方式產(chǎn)生所需頻率相比,，DDS技術(shù)具有頻率分辨率高，相位噪聲低,，帶寬較寬,，頻譜純度好等優(yōu)點。這些技術(shù)指標在一個系統(tǒng)中是至關(guān)重要的,，決定著一個系統(tǒng)的成敗,。
1 DDS的基本原理
1．1 頻率合成方式的基本原理
DDFS是根據(jù)余弦函數(shù)相位和幅值的對應(yīng)關(guān)系，從相位出發(fā),，由不同的相位給出不同的電壓幅值,，再經(jīng)過D／A變換和濾波最后得到一定頻率和調(diào)頻率的模擬信號。由此可見,，DDS有很多功能模塊組成,，如圖1所示。
若相位累加器有N位,，時鐘頻率為fclk,，頻率控制字為FCW。N位的相位累加器可以對時鐘頻率進行2N分頻,，所以DDS的精度可以達到：
頻率控制字是用來控制累加器的步進的,，累加器的步進為
。假設(shè)初始的相位偏移△φ=0,，則經(jīng)過N個時鐘周期后相位累加器的輸出θ=2π*FCW*N*(1／2N),。在相位步進△0時，完成2π的相位變化即為完成一個輸出周期,，所以20／△θ*Tclk=T0,，即：
可見調(diào)節(jié)FCW可以任意地按照要求改變輸出頻率，這就達到了頻率合成的目的,。
1．2 直讀方式DDS的原理
直讀法(DDWS)工作流程是,，把所需要的DDS的波形,，直接用Matlab抽樣量化，然后把量化的數(shù)據(jù)直接存儲到FPGA的BlockRAM中,，再在時鐘頻率的控制下直接從BlockRAM中讀取數(shù)據(jù),，D／A后輸出原來波形。
2 數(shù)字實現(xiàn)
2．1 DDFS的數(shù)字實現(xiàn)
由于D／A之前都是數(shù)字部分,，為了分析其原理數(shù)字控制的實現(xiàn)過程,，參考如圖2所示結(jié)構(gòu)。
相位累加器是由一個加法器和一個寄存器構(gòu)成,，假設(shè)累加器位數(shù)N=6,，那么000000代表0弧度，000001代表弧度,，相應(yīng)的000010代表(2π／64)*2弧度,，111111代表(2π／64)*63弧度。若頻率控制字FCW=000011,，并且累加器中的初始相位為O,，則經(jīng)過N=21個時鐘周期后形成的二進制序列為000000，000011,，…,，111111，對應(yīng)的相位分別為O,，(2π／64)*3,，…,，(2π／64)*63,。當?shù)?2個時鐘周期到來時，加法器溢出,，所有位數(shù)重置為0,，另一個循環(huán)周期開始。查找表可以用FPGA中BlockRAM做成,，前面的二進制序列作為地址,，相位對應(yīng)的幅度值作為地址對應(yīng)的值存儲起來，這樣在時鐘頻率的控制下通過二進制序列可從BlockRAM中讀取相應(yīng)的幅值,，經(jīng)過D／A后就為所需要的模擬波形,。圖3為FPGA綜合后的RTL級電路圖。
2．2 DDWS的數(shù)字買現(xiàn)
DDWS的數(shù)字實現(xiàn)較為簡單,，把通過Matlab抽樣量化后的數(shù)據(jù)直接保存為．BAT數(shù)據(jù)格式,，然后在FPGA中用IP核的BlockRAM生成一個ROM，把數(shù)據(jù)存儲進去,，這樣就可以根據(jù)時鐘要求輸出需要的數(shù)據(jù)了,。
圖4為FPGA仿真后的RTL級電路圖,。
3 DDS的性能指標
3．1 頻率分辨率
對于頻率合成方式的DDS，只要是累加器的位數(shù)足夠多,，理論上可以達到任意無限高的頻率分辨率,。由式(1)，若N=39,，fclk=1,，分辨率可達到0．000 18 Hz。但是對于直讀方式,，分辨率是受到硬件D／A速度限制的,，一般如果用四倍的頻率速度采集和恢復，分辨率只能達到O．25 Hz,。
3．2 SFDR
最常用的評價DDS工作性能的參數(shù)是帶外抑制比(SFdR),，它是指有效信號的頻譜幅度與噪聲頻譜幅度的最大值之差。實際的頻譜合成方式的DDS在累加器的輸出和查找表之間還有個相位折斷的過程,。若累加器的輸出A為N位,，查找表的輸入B為M位，一般情況下N>M,，這是為了節(jié)約查找表的空間,。正是由于這種相位折斷才降低了SFDR，使得DDS的性能變壞,。以上參數(shù)都是可以根據(jù)實際的要求估算出來的,，例如要產(chǎn)生一個4 MHz、分辨率為O．4 Hz,、帶外抑制比為60 dB的正弦信號,，時鐘頻率為100 MHz。那么根據(jù)式(2),，可以得到N=11,；根據(jù)實際經(jīng)驗，查找表的每位可以產(chǎn)生6 dB的抑制比,，所M=60／6=10 b,。由于直接讀取法DDS不存在相位折斷的問題，所以往往能得到比較好的SFDR,。
3．3 信噪比
由于SFDR只與最大噪聲的頻譜幅度有關(guān),，所以相同的SFDR可能有不同的頻譜純度，為此引入了另外一個DDS的性能指標——信噪比(SNR ),。信噪比是指信號功率和噪聲功率之比,，由于涉及到所有的噪聲，所以跟頻譜純度息息相關(guān)，對于頻率分辨率高的DDS,，噪聲的能量較低,，信噪比較大，頻譜純度好,。
4 Matlab仿真結(jié)果
根據(jù)兩種DDS的FPGA的仿真數(shù)據(jù),，可以通過Matlab仿真輸出波形，如圖5,，圖6所示,。
可以根據(jù)圖很明顯地看出以上三個性能參數(shù)的比較情況，直讀DDS的SFDR要大得多,，而且頻譜純度也好,，合成方式的頻率分辨率高。
5 結(jié)語
從以上比較可以發(fā)現(xiàn)直讀方式是實際應(yīng)用中非常好的選擇,，但是對于這種方式,，只能輸出有限的預先設(shè)定好的頻率和調(diào)頻率，不具有通用性適合用在特定的場合,。而頻率合成的DDS能合成任意頻率和調(diào)頻率,，也能通過一定的措施達到所需指標，所以這種原理是一種通用的原理,，被科研工作者和DDS制造商廣泛采用,。在雷達系統(tǒng)(比如高度計、散射計)中,，往往只需要某一種或者幾種特定的調(diào)頻率,、帶寬、頻率的DDS,，所以可以較多地采用直讀方式,。