摘要：本文简要地阐述了DDS发展历程以及其基本原理，对几种常用的频率合成器的性能作了比较，其中着重讲述了DDS的优缺点。概述了DDS的具体应用领域，并论述了国内外的DDS的发展现状。
关键词：直接数字频率合成器；锁相环；研究现状与展望未来；DDS
引言
1971年，美国学者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的频率合成原理，称之为直接数字频率合成器(DDS)。这是频率合成技术的一次重大革命，但限于当时微电子技术和数字信号处理技术的限制，DDS并没有得到足够的重视。随着现代超大规模集成电路集成工艺的高速发展，使得数字频率合成技术得到了质的飞跃，它在相对带宽、频率转换时间、相位连续性、正交输出、高分辨率以及集成化等一系列性能指标方面，已远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平。但是由于DDS数字化实现的固有特点，决定了其输出频谱杂散较大，从20世纪80年代末开始通过深入的研究认识了DDS杂散成因及其分布规律后，对DDS相位累加器进行了改进，ROM数据进行了压缩，使用了抖动注入技术以及对DDS工艺结构和系统结构进行了改进。但工艺的完善并没有彻底解决DDS中DAC的瞬态毛刺和非线性这些固有缺陷，而这些问题还会随着温度变化和电路工艺引入的数字噪声等发生随机变化，它们所带来的输出信号频谱质量劣化很难改善。近几年来，随着DDS技术的不断完善和发展，其输出频率、杂散、相位噪声、功耗、集成化等各项性能指标较早期产品已有大大提高，出现了一系列的优秀产品。由于其在频率合成以及信号调制等方面出色的性能，应用范围已扩展到通信、宇航、遥控遥测、仪器仪表等各项电子领域。
DDS基本原理
直接数字频率合成的理论依据是时域抽样定理，即一个频带限制在(0，fc/2)Hz范围内的时间信号f(t)，如果以Tg=1/fc秒的间隔对它进行等间隔抽样，则信号将被所得到的抽样值完全确定。也就是说，此信号f(t)可以由其采样值完全恢复过来。DDS正是基于这样一个原理而形成的，它将一个阶梯化的信号(即采样信号)通过一个理想的低通滤波器，就得到原始的连续信号f(t)。
DDS的工作原理框图如图1所示，DDS系统由频率控制字、相位累加器、正弦查询表、D/A转换器和低通滤波器组成。参考时钟为高稳定度的晶体振荡器，其输出用于同步DDS各组成部分的工作。DDS系统的核心是相位累加器，它由N位加法器与N位相位寄存器构成，类似一个简单的计数器。加法器将频率控制字与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果送至累加寄存器的数据输入端。累加寄存器将加法器在上一个时钟脉冲作用后所产生的新相位数据反馈到加法器的输入端，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累加。由此可以看出，相位累加器在每一个时钟脉冲输入时，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，相位累加器的溢出频率就是DDS输出的信号频率。正弦查询表是一个可编程只读存储器(PROM)，存储的是以相位为地址的一个周期正弦信号的采样编码值，包含一个周期正弦波的数字幅度信息，每个地址对应于正弦波中0～360度范围的一个相位点。将相位寄存器的输出与相位控制字相加得到的数据作为一个地址对正弦查询表进行寻址，查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度信号，通过D/A变换器把数字量变成模拟量，再经过低通滤波器平滑并滤除不需要的取样分量，以便输出频谱纯净的正弦波信号。
DDS性能分析
DDS优缺点综述
正由于DDS采用全数字技术，从概念到结构都有很大的突破，所以它具有其他频率合成所无法比拟的优越性。
频率分辨率高。若时钟频率不变，DDS频率分辨率仅由相位累加器位数来决定，也就是理论上的值越大，就可以得到足够高的频率分辨率。目前，大多数DDS的分辨率在1Hz数量级，许多都小于1mHz甚至更小，这是其他频率合成器很难做到的。
工作频带较宽。根据Nyquist定律，只要输出信号的最高频率分辨率分量小于或等于fclk/2就可以实现。而实际当中由于受到低通滤波器设计以及杂散分布的影响限制，仅能做到40％fclk左右。
超高速频率转换时间。DDS是一个开环系统，无任何反馈环节，这种结构使得DDS的频率转换时间极短。DDS的频率转换时间可达到纳秒数量级，比使用其它的频率合成方法都要小几个数量级。
相位变化连续。改变DDS输出频率，实际上改变的是每一个时钟周期的相位增量，相位函数的曲线是连续的，只是在改变频率的瞬间其频率发生了突变，因而保持了信号相位的连续性。
具有任意输出波形的能力。只要ROM中所存的幅值满足并且严格遵守Nyquist定律，即可得到输出波形。例如三角波、锯齿波和矩形波。
具有调制能力。由于DDS是相位控制系统，这样也就有利于各种调制功能。
DDS的不足之处主要有如下两点：
散分量丰富。这些杂散分量主要由相位舍位、幅度量化和DAC的非理想特性所引起。因为在实际的DDS电路中，为了达到足够小的频率分辨率，通常将相位累加器的位数取大。但受体积和成本的限制，即使采用先进的存储方法，ROM的容量都远小于此，因此在对ROM寻址时，只是用相位累加器的高位去寻址，这样不可避免地引起误差，即相位舍位误差。另外，一个幅值在理论上只能用一个无限长的二进制代码才能精确表示，由于ROM的存储能力，只采用了有限比特代码来表示这一幅值，这必然会引起幅度量化误差。另外，DAC的有限分辨率以及非线性也会引起误差。所以对杂散的分析和抑制，一直是国内外研究的特点，因为它从很大程度上决定了DDS的性能。
·频带受限。由于DDS内部DAC和ROM的工作速度限制，使得DDS输出的最高频率有限。目前市场上采用CMOS、TTL等工艺制作的DDS芯片工作频率一般在几十MHz至几百MHz左右。但随着高速GaAs器件的出现，频带限制已明显改善，芯片工作频率可达到2GHz范围左右。
三种频率合成方式的性能比较
通过回顾频率合成技术的发展，我们可以简要地总结出各自的性能特点。
锁相环频率合成运用了相位反馈控制原理来稳定频率，在频率切换速度要求方面不高，但对相噪、杂散有较高要求时，PLL频率合成有特殊的优势。PLL式频率合成输出的频率分辨率越高时，其频率切换速度就越慢。如果要提高切换速度，就必须牺牲分辨率，这是PLL的工作机理所致，无法通过性能优化来解决。所以在选择锁相式频率合成除了考虑频谱纯度外，还要考查其它性能是
否能满足要求。DDS的全数字结构给频率合成领域注入了新的活力，但也正是全数字结构使DDS有明显的缺陷。表1是按照频率合成器的主要性能指标对三种频率合成器的性能进行比较。
各类电子系统对信号源的要求越来越高，需要同时满足相位噪声、快捷变频、高频率分辨率、宽带、小体积、低功耗等指标。虽然这三种频率合成方式都可以在某些指标上获得理想的效果，但没有一种方式可以满足所有的技术要求。实际上，由于三种方式各有优劣，完全可以利用各自优势互补，所以产生了混合式频率合成技术。其中DDS与PLL频率合成混合应用最为广泛。
DDS的实际应用
·DDS作为分频器在PLL中的应用
PLL电路对输入信号相当于一个窄带跟踪滤波器，因此将DDS输出信号作为参考信号驱动一个PLL后，不但可以大大抑制杂散信号，还可以方便地将频率信号倍频提高，但采取该方法会使输出信号的相位噪声恶化。而如果在环路中将压控振荡器的输出信号作为DDS的输入信号，DDS在电路中就成为一个分辨率极高的分频器，不仅能利用环路实现杂散抑制，同时也可使输出信号的相位噪声降低，而且由于不必采用高频晶体振荡器，系统成本也会大大降低，并很容易使整个电路采用混合电路工艺进行系统集成。其原理如下图2所示。
·宽带跳频频率合成器设计方案
采用DDS+DS组合方式，可实现宽带DDS频率合成器。它由晶体振荡器、控制电路、DDS、倍频器、带通滤波器、功率放大器等电路组成，具体实现框图如图3.
DDS可选用AD9854作为频率合成器核心器件，它的系统时钟高达300MHz，频率分辨率为1uHz，100M并口编程速率以及较高杂散抑制度。AD9854的优良性能使超高速频率合成器实现成为可能。晶体振荡器输出经AD9854内置的倍频器七倍频后，DDS以七倍晶体振荡频率作为系统时钟。为了简化电路、提高频率切换时间，DDS输出信号经过一个带通滤波器后，驱动九倍频器链作为频率合成器的输出。带通滤波器BPF1后插入的放大器的作用是增加DDS输出信号幅度，提高倍频器的效率，同时在两级倍频器后加入两个五阶通滤波器来抑制带外杂散，频率合成器输出信号f0为9×DDS。
·DDS在雷达和电子对抗中的应用
频率捷变雷达是指脉冲载频(脉冲内，脉冲间或脉冲组间)快速有规律或随机变化的雷达，它比普通雷达具有更强的抗干扰能力，并有增加雷达探测距离、提高跟踪精度、改善角度和距离分辨力以及避免雷达之间相互干扰等优点，近年来得到了广泛重视。频率捷变雷达包括两大类：相参频率捷变雷达和非相参频率捷变雷达。在频率捷变雷达中，由于每次发射出去的脉冲载频在快速变化，为了使混频后的信号为一个固定中频，就要求有一个随磁控管频率快速变化的本振源，由于DDS具有精度高、转换快、稳定性好等优点，使得本振源具有较高的稳定性和跟踪精度。可以广泛应用于相参频率捷变雷达、非相参频率捷变雷达和自适应频率捷变雷达系统中。图4为一个较简单的全相参频率捷变雷达发射机的框图。DDS经过倍频，一路送至接收机，经过混频后作为本振信号。另一路则加至二极管调制器进行脉冲调制，然后加至行波管放大，再加到由增幅管构成的末级放大器放大到所需要的功率，送到天线发射出去。
在电子对抗中，对雷达施放有源干扰，是对雷达进行考验的主要手段之一，这就要求现代干扰机必须性能优良，不断地提高自动化和自适应能力，来达到最佳的目的。将DDS应用到干扰机中，可以有效地提高其干扰样式的控制能力，使干扰机具有足够快的引导时间等优点。
由于DDS采用数字结构，可以灵活地实现频移键控、相移键控和幅度调制等功能，使其在数字通信中得到了广泛应用。DDS作为一种先进的信号产生技术也已经广泛应用于各个方面：信号源仪器，测量分析仪器，数字信号处理，工业控制，通信、软件无线电等等，这里不在一一详细介绍。
展望
近年来随着GSM、GPRS、3G、BlueTooth乃至已经提出标准的4G等移动通信以及LMDS、无线本地环路等无线接入的发展，同时加上合成孔径雷达、多普勒冲雷达等现代军事、国防、航空航天等在科技上的不断创新与进步，世界各国非常重视频率合成器的发展。所有的这些社会需求以及微电子技术、计算机技术、信号处理技术等本身的不断进步都极大刺激了频率合成器技术的发展。可以预料，随着低价格、高时钟频率、高性能的新一代DDS芯片的问世，DDS的应用前景将不可估量!