基于DDS技术的频率合成器的设计文献综述

1. 文献综述

本次研究的内容是基于DDS（Direct Digital Frequency Synthesis）技术的数控信号发生器，DDS技术思想的创始人J.Tierney,C.M.Rader和B.Gold三人在1971年发表了《A Digital Frequency Synthesizer》，到现在已经发展了将近五十年，逐渐的从新鲜事物变成为大家熟知的东西，DDS的主要优点是输出频率、相位和幅度能在处理器的控制下快速且精准的变化^[1]。随着高度集成电路的发展，DDS已经能满足各种场合的应用。

频率合成发展到现如今主要有PLL（锁相环）频率合成和DDS（直接数字频率合成）两种技术^[2]，传统的模拟移相精度不高且分辨率低^[3]。PLL发展的时间早于DDS，相对比较成熟，DDS的时间较晚各方面都还不怎么完善，但由于它独特的优越性，受到市场的欢迎。

频率合成器之所以能有广泛的应用主要归因于两种趋势：一是通信信道频谱逐渐拥挤，二是计算机和微处理器的应用与日俱增。由于我们需要高精度、高稳定度的频率标准源，这也反向的推动了频率标准的发展。目前，作为频率标准的石英晶体振荡器有：铷原子振荡器、铯原子振荡器、氢原子振荡器等。近三十年，频率标准的准确度和稳定性都得到了很大的提升，到目前为止，最高精度已达量级，长期频率稳定度最高已达量级。但总所周知，原子频标的造价是十分昂贵的，就算是石英晶体要做到高精度、高稳定度，不采取严密措施也是不行的，所以造价都偏高，况且石英晶体在全世界都是比较稀有的材料。所以在实践中人们开始提出频率合成，从一个或几个标准频率可合成大量的频率，且合成的频率其准确度和长期稳定性都与基准频率完全一样^[4]。

早期的频率合成是由一组晶体组成的晶体振荡器，需要多少频率就需要多少晶体，且频率切换是人工完成，准确度基本与电路无关，只与晶体的稳定度和精度有关。之后又延伸出了非相关合成法，此时的已经发展到以少数晶体产生多种数值的频率，稳定性提升且成本都有所下降，但多开关晶体十分复杂，之后又提出了相干合成法，也叫直接频率合成，利用混频、倍频、分频再经过加减乘除得到所需的频率。但由于杂散多、体积大且研究复杂，到现在也基本被淘汰了。随着数字信号理论和超大规模集成电路的发展诞生了一个革命性技术直接数字频率合成DDS，全数字结构给频率合成注入了新的动力，同样的DDS也有一些不足，输出宽度窄且杂散抑制差，很难应用与微波频段，杂散成为限制DDS技术发展的主要因素^[5]。

频率合成就是将一个高准确度和高稳定度的标准频率源，经过技术处理来产生同样高精度和稳定度的大量离散频率的技术^[6]。实际电子系统应用中需要提供一系列高稳定度和高准确度的频率范围，单单靠晶振只能是单一的输出，或者能在此基础上做一点微调，达不到所需要的要求，频率合成就可以很好的解决这个问题。高精度的频率合成器广泛应用在通信、雷达、航天航空、卫星定位、遥测遥控、电子对抗、无线局域网和测量仪器等^[7]。

频率合成的主要性能指标有：频率范围、频率分辨率、频率转换时间、频率稳定度与准确度和频谱纯度。

直接数字合成（DDS）是直接对参考信号进行抽样、数字化，然后用数字计算技术和数模变换器产生信号，实现频率合成。由累加器，正弦波存储器，D/A转换和低通滤波等组成。以数控形式产生频率和相位可以调控的正弦波。波形是一点一点合成的，在时钟频率的作用下，一个时钟周期变化的相位送入累加器，与原有数据相加得到下一个相位，累加器实时计算线性增加的相位角，累加器输出存储器的地址，存储器对应相应的余弦值。由不同的相位给定不同的电压幅度，经过滤波处理，最后平滑输出需要的频率^[8]。

数字直接合成用计数器产生数字序列，直接对数字信号进行技术处理，直接提高了信号发生器在信号处理器间的有效性和掌控能力。

不管是在实际应用中还是在实验室，信号发生器都在广泛的应用，在实验室中经常需要对电子仪器进行性能测试，而信号发生器就能为设提供各种各样的不同频率不同幅值的信号，如正弦信号、三角波信号和方波信号等。所以研究高性能、高精度的信号发生器具有重要意义和价值^[9]。